NKCC1和AQP4在缺血性腦水腫中的作用機(jī)制

蔡鳴綜述，武衡審校

（南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，湖南衡陽421001）

NKCC1和AQP4在缺血性腦水腫中的作用機(jī)制

蔡鳴綜述，武衡審校

（南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，湖南衡陽421001）

水孔蛋白質(zhì)類；鈉氯同向轉(zhuǎn)運體；腦/生理學(xué)；腦水腫；腦缺血；布美他尼；綜述

腦水腫是指水在腦組織細(xì)胞內(nèi)外的異常蓄積，常分為細(xì)胞毒性腦水腫、離子性腦水腫及血管源性腦水腫。細(xì)胞毒性腦水腫多是由于早期組織缺血缺氧引起細(xì)胞能量代謝障礙而引起水鈉潴留，血管源性腦水腫是由于血-腦屏障（BBB）破壞所致，腦水腫是腦缺血損傷后常見的并發(fā)癥之一，其病理生理機(jī)制是致殘及致死的重要原因。腦水腫的機(jī)制尚未完全清楚，離子通道、轉(zhuǎn)運蛋白、交換蛋白可能均參與了腦水腫的形成，因此，目前腦水腫的治療主要依靠醫(yī)生經(jīng)驗，弄清其特定參與的交換蛋白及離子通道將可能為其提供特異性的理論基礎(chǔ)。大腦的BBB、脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞等通過精確調(diào)節(jié)溶質(zhì)和水在其主要細(xì)胞屏障的轉(zhuǎn)運達(dá)到細(xì)胞內(nèi)外液體的動態(tài)平衡，當(dāng)發(fā)生各種損傷時，這種平衡遭到破壞，腦水腫的發(fā)生機(jī)制是復(fù)雜而逐步的過程，在很大程度上受星形膠質(zhì)細(xì)胞的影響。目前，關(guān)于存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞上的鈉鉀氯同向轉(zhuǎn)運蛋白1（NKCC1）和水通道蛋白4（AQP4）的研究已經(jīng)很多，但二者相關(guān)性的研究卻甚少。本文將重點從NKCC1及AQP4 2個方面對缺血性腦水腫的分子機(jī)制作一綜述。

1 AQP4 機(jī)制

AQP是近年發(fā)現(xiàn)的與水通透性有關(guān)的細(xì)胞膜雙向轉(zhuǎn)運蛋白，對水的跨膜轉(zhuǎn)運和細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境平衡有重要作用，因而認(rèn)為其參與了腦水腫的發(fā)生[1]。AQPs家族在機(jī)體廣泛分布，大多由于執(zhí)行著各部位水分重吸收、液體分泌和細(xì)胞內(nèi)外水平衡功能，所以一般在與體液吸收或者分泌相關(guān)的上皮細(xì)胞及跨膜途徑的內(nèi)皮細(xì)胞中選擇性分布。中樞神經(jīng)系統(tǒng)分布的AQP主要是AQP1及AQP4，更主要的是AQP4[2]，其主要分布在室管膜、脈絡(luò)膜，與腦脊液的分泌和重吸收部位一致，因為AQP4的表達(dá)在大腦-腦脊液的血-腦接口，AQP介導(dǎo)的反式室管膜CSF的吸收從而減少腦積水，對腦水腫起調(diào)節(jié)作用。大量研究表明，APQ4在腦水腫表達(dá)是上調(diào)的。Yoneda等[3]發(fā)現(xiàn)，AQP4 mRNA很少表達(dá)于神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞及腦膜成纖維細(xì)胞，其主要表達(dá)與星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)。有研究發(fā)現(xiàn)，予以AQP4特異性的抑制劑2-（煙酰胺）-1，3，4-噻二唑作用后，腦組織發(fā)生缺血性損傷時腦水腫程度明顯減輕[4]。Manley等[4]通過研究證實，APQ4基因敲除后，小鼠水中毒后腦水腫程度及血管周圍星形膠質(zhì)細(xì)胞足突腫脹明顯下降，腦水腫相對于普通老鼠程度輕且更晚，預(yù)后較好，提示APQ4的存在可能加速腦水腫的發(fā)展及形成。Strand等[5]也通過降鈣素相關(guān)基因肽抑制APQ4的表達(dá)后，發(fā)現(xiàn)腦水腫減輕。以上通過基因敲除及APQ4抑制劑后均可證實APQ4在腦水腫的形成過程中表達(dá)上調(diào)，通過基因敲除或者抑制劑后腦水腫程度均減輕，進(jìn)一步證明了腦水腫的形成、發(fā)展與APQ4密切相關(guān)。張茂彬等[6]通過大腦中動脈栓塞后的腦缺血模型發(fā)現(xiàn)，在大鼠局灶性腦缺血后AQP4的表達(dá)與腦組織含水量成正相關(guān)。另有研究證明，與正常對照組比較，建立大腦中動脈栓塞模型后，梗死灶周圍AQP4表達(dá)增加，同時腦水腫加重，并伴隨神經(jīng)元凋亡[7]。野生型大鼠在大腦中動脈栓塞后24 h內(nèi)的病死率及神經(jīng)功能損害程度均明顯高于基因敲除組[8]。在星形膠質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)時發(fā)現(xiàn)，氧濃度低時，AQP4和AQP9 mRNA的表達(dá)會下調(diào)，而當(dāng)氧濃度增加時，AQP4水平相應(yīng)增加，在腦缺血模型上得到證實，梗死灶周圍的AQP4和AQP9 mRNA表達(dá)增加[9]。然而，在關(guān)于APQ4與腦水腫的研究有著不同的結(jié)果，目前普遍認(rèn)為，APQ4在細(xì)胞毒性腦水腫中起促進(jìn)作用，而在血管源性腦水腫中具有抑制作用。缺血性腦卒中早期細(xì)胞毒性腦水腫占主導(dǎo)地位，水分子的跨膜轉(zhuǎn)運主要依賴于APQ4，其跨膜轉(zhuǎn)運的動力來源于細(xì)胞內(nèi)外滲透壓不平衡產(chǎn)生的滲透壓梯度。目前的研究認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)滲透壓的維持主要靠Na+-K+-ATP酶的主動轉(zhuǎn)運作用。

2 NKCC1機(jī)制

NKCC是一種離子轉(zhuǎn)運體，分為NKCC1和NKCC2 2種異構(gòu)體，廣泛分布于全身，其中在中樞神經(jīng)系統(tǒng)唯一存在的是NKCC1，主要表達(dá)在微血管的內(nèi)皮細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元的細(xì)胞膜上，對維持BBB、選擇性離子通透性、保持星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)正常離子濃度及細(xì)胞容積的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)起著重要作用[10]。NKCC1是SLC12基因家族的陽離子氯化物共轉(zhuǎn)運體，為存在細(xì)胞質(zhì)膜轉(zhuǎn)運Na+、K+及Cl-的膜蛋白。NKCC1表達(dá)于分泌上皮細(xì)胞的基底膜，在BBB的微血管內(nèi)皮細(xì)胞運輸Na+和Cl-從血液進(jìn)入大腦。在生理條件下，NKCC1的活性調(diào)節(jié)有助于維持對細(xì)胞外滲透壓和細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)含量的變化，以防止細(xì)胞體積的過度膨脹和皺縮。因為離子主動轉(zhuǎn)運消耗ATP需要驅(qū)動的Na+-K+-ATP酶，其建立所需的電位差，在腦組織缺血的早期階段，液體積聚。因此，NKCC1對離子的轉(zhuǎn)運作用是重要的。Arumugam等[11-12]通過氨水致星型膠質(zhì)細(xì)胞水腫模型發(fā)現(xiàn)，氨水能激活NKCC1的磷酸化，進(jìn)而引起星型膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)外Na+、K+和Cl-調(diào)控失衡，促進(jìn)細(xì)胞外水分子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，引發(fā)水腫。有研究證實，在大鼠腦缺血的模型上，星形膠質(zhì)細(xì)胞NKCC1的轉(zhuǎn)錄及表達(dá)水平均會顯著上調(diào)；反之，予以NKCC1特異性抑制劑后表達(dá)下降，并且BBB損害及神經(jīng)毒性均減輕[13-15]。布美他尼作為NKCC1特異性的抑制劑，通過其作用后，大鼠在顱腦損傷后腦水腫明顯減輕，而相對應(yīng)的神經(jīng)功能損害也較未抑制組明顯減輕[16-17]。同樣有研究證實，NKCC1基因敲除后的大鼠，腦梗死體積較野生型也明顯減少[18]。多種病因致腦損傷后，細(xì)胞能量衰減，Na+、Cl-大量流入細(xì)胞內(nèi)或組織間隙，由于細(xì)胞內(nèi)外的離子移動，必然導(dǎo)致滲透壓的改變，從而細(xì)胞內(nèi)外、毛細(xì)血管內(nèi)管形成不同濃度梯度，促進(jìn)水分子移動，導(dǎo)致腦水腫形成或加劇[19]。大腦中動脈栓塞模型是局灶性的腦缺血模型，NKCC1基因敲除的大鼠或采用布美他尼抑制劑作用后，缺血2 h隨后24 h的再灌注過程中，神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞腫脹程度明顯降低，從而腦梗死后腦水腫程度減輕[18，20]。另有研究表明，當(dāng)下調(diào)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞NKCC1的表達(dá)后，細(xì)胞內(nèi)Na+、K+和Cl-得到平衡，多余水分子不再進(jìn)入細(xì)胞，從而減輕腦水腫[21]。

3 AQP4與NKCC1的關(guān)聯(lián)性

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，超過70％的液體被包含在細(xì)胞內(nèi)，與腦脊液和組織液相比，細(xì)胞內(nèi)的液體具有鉀水平偏高和鈣水平偏低的特點，在生理條件下，由于存在這些離子梯度，Na+和Ca2+進(jìn)入細(xì)胞同時K+出細(xì)胞，這些離子電化學(xué)梯度的改變通過能量依賴性的Na+-K+-ATP酶和Ca2+-ATP酶。其中Na+-K+-ATP酶阻止Na+在細(xì)胞內(nèi)積聚，從而防止溶質(zhì)和水會導(dǎo)致細(xì)胞腫脹，當(dāng)細(xì)胞發(fā)生缺血性損傷后，細(xì)胞發(fā)生能量障礙，從而細(xì)胞膜上的Na+-K+-ATP酶活性減弱或喪失，細(xì)胞外液在滲透壓差的作用下向胞內(nèi)轉(zhuǎn)移[22-23]。同時缺血缺氧后神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞毒性水腫，腦組織的細(xì)胞外離子和水濃度低于組織，產(chǎn)生梯度差驅(qū)動溶質(zhì)和水從血管腔隙移動到細(xì)胞外的空間，在這一過程中，內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)元與星形膠質(zhì)細(xì)胞均不表達(dá)電壓-門控鈉通道，所以次級主動轉(zhuǎn)運NKCC1在離子水腫中起著重要作用，由于其調(diào)節(jié)鈉通道的流入和流出，為Na+的從細(xì)胞外進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的被動擴(kuò)散產(chǎn)生了電化學(xué)梯度，繼而為Cl-和水進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)運[24-25]。在水的轉(zhuǎn)運過程中，AQPs家族起著重要作用，而存在與中樞的主要是AQP1和AQP4，更多的是AQP4。由此可見，AQP4及NKCC1均在腦水腫中起著重要作用，二者均主要表達(dá)于星形膠質(zhì)細(xì)胞，但就研究的現(xiàn)狀而言，對二者的相關(guān)性研究甚少。NKCC1作為電中性轉(zhuǎn)運體，在激活狀態(tài)下，其促進(jìn)Na+、K+、Cl-向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運，細(xì)胞內(nèi)鈉潴留，形成電位差，水向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移引起水腫，通過予以其特異性的抑制劑作用后可能導(dǎo)致AQP4表達(dá)下降，同時進(jìn)一步減輕腦水腫，因此，作者推測AQP4在腦水腫中的作用與NKCC1具有相關(guān)性。

4 小結(jié)

缺血性腦卒中是全球毀滅性腦血管事件和死亡的首要原因，腦卒中患者可出現(xiàn)各種殘疾，包括偏癱、感覺遲鈍、運動失調(diào)，甚至視力障礙等，這些是由于缺血后神經(jīng)元細(xì)胞破壞導(dǎo)致的功能喪失，而缺血后BBB的破壞和腦水腫是患者腦梗死急性期死亡的主要原因，然而目前對于腦水腫的形成機(jī)制目前尚不完全明確，暫無特效治療方法。過去的大量研究都證實了AQP4和NKCC1在腦水腫中扮演重要角色，但對二者的關(guān)聯(lián)性研究甚少，其相關(guān)性作為腦水腫治療的理論基礎(chǔ)有望成為新的研究熱點。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.02.020

A

1009-5519（2015）02-0215-03

2014-06-20

2014-09-02）

蔡鳴（1989-），女，湖南桑植人，碩士研究生，主要從事腦血管疾病的研究；E-mail：305068926@qq.com。

武衡（E-mail：wh720108@sina.com）。