心臟水通道蛋白1、4、7 參與心肌水液代謝的病理生理研究進(jìn)展△

汪慶玲，譚春江

（福建中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合研究院，福州 350122）

提要：水通道蛋白（aquaporins，AQPs）是順滲透壓差或濃度梯度進(jìn)行跨膜水轉(zhuǎn)運(yùn)的小分子蛋白家族，目前在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了13 種亞型（AQP0～AQP12）。心肌水腫，是多種心臟疾病病理生理過程中常見的病理現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)心臟AQPs 參與其中。應(yīng)激狀態(tài)下，心臟AQPs 蛋白表達(dá)的改變，通過一系列途徑影響心肌水液代謝，進(jìn)一步影響心功能。目前，以腎臟和大腦組織中AQPs 研究較多，關(guān)于心臟中AQPs 的研究較少；心臟中AQP1、AQP4、AQP7 較多。因此，本文擬從心臟AQP1、AQP4、AQP7 在心肌水腫中的病理生理研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

水通道蛋白（aquaporins，AQPs）作為一類廣泛分布于生物體內(nèi)的小分子跨膜水轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族。在哺乳動(dòng)物中，AQP 家族有13 個(gè)（AQP0～AQP12）獨(dú)特成員，廣泛分布于全身各個(gè)組織器官，其分布和表達(dá)存在種屬、器官、組織特異性，各亞型彼此協(xié)調(diào)共同維持機(jī)體水液代謝平衡。根據(jù)AQPs 的功能特點(diǎn)，可分為水選擇型（AQP0、AQP1，AQP2、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8）、水甘油型（AQP3、AQP7、AQP9、AQP10）及超級(jí)皮質(zhì)素型（AQP11、AQP12）。目前在人、大鼠、小鼠心臟中均檢測(cè)到AQP1、AQP4、AQP7、AQP11 mRNA 和蛋白表達(dá)。

1 心肌水液代謝與水通道蛋白

在心肌組織中，水主要通過磷脂雙分子層、離子通道或底物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、AQPs 三種途徑進(jìn)行跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)。心肌缺血、缺血再灌注損傷、心肌炎癥或其他疾病等，往往導(dǎo)致心肌水腫現(xiàn)象。根據(jù)病因不同，可分為血管性水腫和細(xì)胞毒性水腫。如體外循環(huán)、敗血癥、炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)等，可引起微血管滲透性病理變化，水液從毛細(xì)血管進(jìn)入血管周圍組織，形成血管性水腫；當(dāng)組織局部缺血、缺氧時(shí)，心肌細(xì)胞主要進(jìn)行無氧糖酵解，引起胞內(nèi)乳酸超載、滲透壓升高，水液內(nèi)向性滲透導(dǎo)致細(xì)胞毒性水腫［1］。

AQPs 對(duì)心肌組織水液代謝具有重要作用。在生理?xiàng)l件下，從毛細(xì)血管進(jìn)入心肌間質(zhì)的水，1/3 經(jīng)AQPs 轉(zhuǎn)運(yùn)。病理?xiàng)l件下，水運(yùn)輸主要由內(nèi)皮細(xì)胞AQPs 執(zhí)行。當(dāng)心肌組織水代謝紊亂出現(xiàn)心肌水腫時(shí)，可影響細(xì)胞氧化磷酸化，進(jìn)一步引起心臟的縮舒功能障礙。除了作為通道轉(zhuǎn)運(yùn)水及溶質(zhì)之外，AQP 還可以間接地通過細(xì)胞溶質(zhì)和細(xì)胞外液的離子組成變化來影響心臟電生理［2］?？梢娦呐KAQPs 對(duì)心肌組織的水液代謝及心功能具有重要作用。

2 水通道蛋白1

AQP1 主要位于人心肌細(xì)胞膜及微血管內(nèi)皮細(xì)胞中，在心肌微血管內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)高于心肌細(xì)胞。AQP1 除了對(duì)水具有高度選擇性外，還可介導(dǎo)尿素、氧、氨、H2O2、一氧化氮、一氧化碳等小分子物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)［3］。依賴AQP1 跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的水量約占心肌AQPs 運(yùn)輸總水量比例的20%～30%。研究發(fā)現(xiàn)，心肌梗死、缺血再灌注損傷、缺血缺氧、體外循環(huán)等引起的心肌細(xì)胞水液代謝紊亂的病理生理過程中均涉及到AQP1 的上調(diào)或下調(diào)。

2.1 水通道蛋白1 上調(diào)的機(jī)制

多項(xiàng)研究表明，AQP1 上調(diào)會(huì)導(dǎo)致心肌水腫。在燙傷大鼠中，心肌的含水量與AQP1 表達(dá)成正比［4］；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在心肌梗死小鼠模型中，AQP1 表達(dá)上調(diào)具有時(shí)間依賴性特點(diǎn)，上調(diào)后能促進(jìn)小鼠心肌水腫［5］。而與正常小鼠相比，AQP1 基因敲除小鼠體內(nèi)，由心肌梗死引起的心肌水腫程度降低［6］。與假手術(shù)組和AQP1 抑制組相比，AQP1 在小鼠橫向主動(dòng)脈縮窄后引起的心肌水腫中表達(dá)上調(diào)［7］。同樣在小鼠主動(dòng)脈縮窄術(shù)后，心肌水腫與AQP1表達(dá)上調(diào)密切相關(guān)，而抑制AQP1 可減輕心肌水腫，并改善心功能［8］。此外，山羊體外循環(huán)發(fā)現(xiàn)心肌水腫與AQP1 mRNA、蛋白表達(dá)上調(diào)時(shí)間一致，初始AQP1 表達(dá)逐漸下調(diào)，6 h 出現(xiàn)最低，48 h 后達(dá)到峰值。AQP1 抑制劑組與正常組相比，心肌含水量未發(fā)現(xiàn)明顯差異，提示心肌水腫與AQP1 表達(dá)上調(diào)有關(guān)［9］。以上可見，在動(dòng)物心肌梗死、體外循環(huán)等模型中，AQP1 表達(dá)上調(diào)能引起心肌水代謝紊亂，加劇心肌水腫。

2.1.1 水通道蛋白1 與頸上神經(jīng)節(jié)/環(huán)鳥苷酸通路 有研究發(fā)現(xiàn)，在山羊體外循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，通過頸上神經(jīng)節(jié)（superior cervical ganglion，SCG）/環(huán) 鳥苷 酸（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）信號(hào)通路，可激活A(yù)QP1 引起心肌水腫。AQP1 末端模擬了與cGMP 磷酸二酯酶結(jié)合的關(guān)鍵殘基，這些關(guān)鍵殘基的定點(diǎn)誘變使cGMP 激活閾值降低，從而使AQP1 基本不被激活響應(yīng)，其中，酪氨酸t(yī)yr253 磷酸化是調(diào)節(jié)AQP1 對(duì)cGMP 敏感性的主要開關(guān)之一［10］。

2.1.2 水通道蛋白1 與缺氧誘導(dǎo)因子-1α 缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）是細(xì)胞在缺血、缺氧等條件中呈現(xiàn)高表達(dá)的核蛋白。在心肌梗死大鼠心肌組織中發(fā)現(xiàn)AQP1、HIF-1α表達(dá)較假手術(shù)組明顯升高，且與心肌水腫嚴(yán)重程度相關(guān)［11］。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)AQP1 基因序列與HIF-1α結(jié)合位點(diǎn)的共有序列相同，兩者是單分子級(jí)聯(lián)一部分，低氧環(huán)境誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞AQP1 mRNA 表達(dá)上調(diào)時(shí)需HIF-1α激活［12］。因此，心肌缺血缺氧時(shí)可能通過誘導(dǎo)HIF-1α上調(diào)，激活A(yù)QP1 轉(zhuǎn)錄增加從而引起心肌水液代謝紊亂。

2.1.3 其他機(jī)制 除此之外，有研究證實(shí)可能存在其他機(jī)制參與AQP1 依賴性心肌水代謝紊亂。大鼠缺血再灌注、體外循環(huán)引起的心肌損傷，以及缺氧高滲透環(huán)境下血管內(nèi)皮細(xì)胞AQP1 表達(dá)上調(diào)加劇的組織水腫，可能與環(huán)腺苷酸（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）/蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）、小分子多肽EpK、P38 絲裂原活化蛋白激酶、磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/絲氨酸-蘇氨酸激酶（serine-threonine kinase，Akt）信號(hào)通路等的快速激活有關(guān)［13］。AQP1大量表達(dá)于細(xì)胞膜上，可能充當(dāng)著細(xì)胞膜上的壓力感受器，AQP1 的存在，可賦予細(xì)胞對(duì)滲透壓變化更高的敏感性，滲透壓增加可使AQP1 分子結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲，這種構(gòu)象改變，翻譯成細(xì)胞內(nèi)信號(hào)形成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路［14］，激活下游信號(hào)分子，引起心肌水腫。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，羊體外循環(huán)引起的心肌水腫中，心肌間隙連接蛋白（connexin43，Cx43）不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)表達(dá)趨勢(shì)與AQP1 表達(dá)相反。提示Cx43 可能參與AQP1 表達(dá)的調(diào)控，一起參與心肌水腫［9］。

大量研究證實(shí)，心肌損傷、缺血缺氧會(huì)引起心臟AQP1異常表達(dá)，慢性心力衰竭患者病情急性惡化刺激垂體，激活腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)，抗利尿激素、精氨酸加壓素釋放增加，引起腎臟AQP1、AQP2 上調(diào)，水重吸收增加進(jìn)一步引起水鈉潴留［14］，血漿滲透壓改變和心臟前后負(fù)荷增加，損傷心肌細(xì)胞，可能導(dǎo)致心臟AQP1 異常表達(dá)，影響心肌水液代謝。

2.2 水通道蛋白1 下調(diào)的可能機(jī)制

有研究發(fā)現(xiàn)，人血管內(nèi)皮細(xì)胞長(zhǎng)期處于缺血、缺氧環(huán)境中時(shí)，引起AQP1mRNA 和蛋白表達(dá)下調(diào)［15］。其原因可能是由于缺血期間供能不足，AQP1 蛋白合成減少，是機(jī)體形成的一種能量保護(hù)機(jī)制。其中包括缺氧再灌注時(shí)，不同基因（如微小RNA-214）信號(hào)通路被激活，可能作用于AQP1 的潛在結(jié)合位點(diǎn)，引起AQP1 下調(diào)［16］。

與健康對(duì)照組相比，脂多糖敗血癥患者血清中AQP1 mRNA 的表達(dá)降低，伴隨脂多糖失調(diào)的炎癥反應(yīng)和心功能障礙，并發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)鏈非編碼RNA H19 過表達(dá)能刺激AQP1 上調(diào)并改善心功能［17］。此外，在脾虛大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，其心臟AQP1 和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1 的mRNA 及蛋白表達(dá)量較正常大鼠低，提示脾虛困濕在生物學(xué)基礎(chǔ)上可能與AQP1表達(dá)量有關(guān)［18］。但二者具體下調(diào)機(jī)制尚不明確?？紤]到不同研究的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)操作等存在差異，因此猜測(cè)AQP1 表達(dá)趨勢(shì)不同還可能受種屬、模型、檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)、檢測(cè)方法等影響。

3 水通道蛋白4

AQP4 主要在人心肌細(xì)胞膜及血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)，其介導(dǎo)的水運(yùn)輸量為AQP1 的24 倍，已知與腦水腫的形成密切相關(guān)。根據(jù)蛋氨酸的位置不同，AQP4 可分成M1 和M23兩種亞型，M1 孔隙較M23 少，滲透性低于M23。通過影響兩種亞型的含量比，可以影響細(xì)胞的膜滲透性。在缺血腦組織中，主要發(fā)現(xiàn)AQP4-M1 亞型表達(dá)上調(diào)，而AQP4-M23 上調(diào)不明顯［19］。此外，AQP4 還可進(jìn)行翻譯后修飾，影響其轉(zhuǎn)運(yùn)功能。

3.1 水通道蛋白4 上調(diào)引起心肌水腫

AQP4 參與各種因素引起的心肌水腫。缺血再灌注損傷實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，AQP4 基因敲除小鼠的心肌梗死面積與對(duì)照組相比明顯變?。?0］，與幼齡小鼠相比較，在老年小鼠心臟中發(fā)現(xiàn)AQP1 和AQP4 蛋白表達(dá)顯著增加，影響老年小鼠水代謝［21］。同時(shí)，在心肌梗死的小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)不同缺血的時(shí)間點(diǎn)AQP4 mRNA 表達(dá)水平也不同，其表達(dá)水平與缺血梗死形成的水腫面積密切相關(guān)，梗死1周后，AQP4表達(dá)水平達(dá)到峰值，提示AQP4 參與了心肌水腫的病理生理過程［22］；此外，AQP4 表達(dá)水平還受血漿滲透壓的影響，瞬時(shí)高滲透灌注，會(huì)促使AQP4 mRNA 和蛋白表達(dá)下調(diào)［23］；在急性心肌缺血大鼠模型中，同樣發(fā)現(xiàn)心臟AQP4 表達(dá)上調(diào)［24］；有研究證實(shí)，心肌損傷時(shí)AQP4 表達(dá)上調(diào)，引起后續(xù)一系列病理變化最終影響心臟功能［25］。

3.2 水通道蛋白4 上調(diào)機(jī)制

3.2.1 通過介導(dǎo)鈣離子紊亂促使心肌水腫 研究發(fā)現(xiàn)，AQP4 介導(dǎo)調(diào)控細(xì)胞體積變化可能與瞬時(shí)感受器電位離子通道4（transient receptorpotential vanilloid 4，TRPV4）有關(guān)，TRPV4 作為鈣滲透敏感性通道，可與AQP4 結(jié)合，完成對(duì)鈣滲透的敏感性，敲除AQP4 后，TRPV4 對(duì)鈣滲透敏感功能受損，鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)異常并引起細(xì)胞體積改變［26］。Cheng等［20］發(fā)現(xiàn)，AQP4 基因敲除小鼠的促炎因子ETA、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶、磷酸化蛋白激酶∈（phosphorylated protein kinase ∈，pPKA∈）表達(dá)上調(diào)，Cx43 降低，引起鈣調(diào)控蛋白FKBP506 結(jié)合蛋白12.6（FKBP506 binding protein 12.6，F(xiàn)KBP12.6）、肌漿網(wǎng)鈣泵（sarco-endoplasmic reticulum ATPase 2a，SERCA2a）、儲(chǔ)鈣蛋白2（calsequestrin 2，CASQ2）表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致鈣離子泄露，心肌細(xì)胞內(nèi)游離鈣超載，引起心肌細(xì)胞死亡；異丙腎上腺素誘導(dǎo)的小鼠心肌損傷實(shí)驗(yàn)中，與野生型小鼠相比，AQP4 敲除鼠左心室質(zhì)量指數(shù)增加、心肌炎癥更顯著，伴隨著氧化應(yīng)激生物標(biāo)志物、炎癥因子上調(diào)和鈣處理蛋白紊亂［27］，以上提示AQP4表達(dá)調(diào)節(jié)與促炎因子、鈣調(diào)蛋白和Cx43關(guān)系密切。

3.2.2 其他機(jī)制 He 等［25］發(fā)現(xiàn)，抑制HIF-1α，可下調(diào)大鼠心臟AQP4 的表達(dá)，減少心肺復(fù)蘇心功能的損傷，提示HIF-1α與AQP4 表達(dá)存在關(guān)聯(lián)。

采用富氫水體外循環(huán)，可依賴PI3K/Akt 通路降低大鼠乳酸脫氫酶，肌酸激酶同工酶MB，白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-1β，IL-6，腫瘤壞死因子-α，丙二醛和髓過氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）的濃度，增強(qiáng)超氧化物歧化酶的釋放，抑制心臟AQP4 上調(diào)，改善心肌水腫［13］，從而減輕體外循環(huán)造成的心肌損傷。這些結(jié)果表明，AQP4 蛋白表達(dá)上調(diào)，可能與PI3K/Akt 通路有關(guān)。

此外，還發(fā)現(xiàn)AQP4 在T 淋巴細(xì)胞上表達(dá)，小分子抑制劑AER-270 阻斷AQP4 后，可部分通過減少T 細(xì)胞的激活、增殖和轉(zhuǎn)移，減少供體反應(yīng)性T 細(xì)胞應(yīng)答，提高小鼠心臟移植存活率［28-29］，提示AQP4 可能通過調(diào)節(jié)T 細(xì)胞活化和功能影響心肌細(xì)胞的凋亡。

4 水通道蛋白7

人心肌組織是AQP7 分布第二大組織（脂肪組織最多），AQP7 在心臟中的表達(dá)量低于AQP1 和AQP4，其亞細(xì)胞定位尚存在爭(zhēng)議。AQP7 的主要功能是參與細(xì)胞的能量代謝，運(yùn)動(dòng)和高蛋白飲食會(huì)引起其上調(diào)［30］。同時(shí)也作為水、尿素、甘油、嘌呤等分子的轉(zhuǎn)運(yùn)通道，但對(duì)水的滲透性低于AQP1。AQP7 是人心肌中唯一的甘油通道，為心臟活動(dòng)提供三磷酸腺苷能量底物［31］。AQP7 表達(dá)下調(diào)，提示心肌能量不足，代謝降低。

4.1 水通道蛋白7 上調(diào)引起心肌水腫

在燙傷大鼠中發(fā)現(xiàn)，水腫的心肌組織AQP7 mRNA 和蛋白表達(dá)上調(diào)［4］；與正常心肌細(xì)胞相比，在缺氧誘導(dǎo)的人心肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，AQP1、AQP4、AQP7 基因和蛋白表達(dá)均出現(xiàn)明顯上調(diào)，下調(diào)AQPs 可提高缺氧復(fù)氧心肌細(xì)胞耐受性和存活率［32］；冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)引發(fā)的心肌水腫中同樣發(fā)現(xiàn)AQP7 表達(dá)上調(diào)。此外，小鼠心臟缺血再灌注模型中心臟AQP7 表達(dá)也出現(xiàn)上調(diào)［33-34］。因此有學(xué)者認(rèn)為AQP7 可作為心肌組織水腫和損傷的替代標(biāo)志物。

4.2 水通道蛋白7 上調(diào)機(jī)制

能量匱乏在心力衰竭形成過程中具有重要影響，心肌能量不足易出現(xiàn)水液代謝失衡，形成心肌水腫。水腫的心肌細(xì)胞引起氧擴(kuò)散障礙，能量代謝減慢，而AQP7 的上調(diào)，可能是代償性作用以增加甘油轉(zhuǎn)運(yùn)，提高能量供應(yīng)；另一方面，上調(diào)的AQP7 可能增加水滲透性，進(jìn)一步加重心肌水腫。二氮嗪（線粒體KATP-通道開放劑）可通過打開KATP-通道改善冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)后患者的心肌水腫，同時(shí)下調(diào)其高表達(dá)的AQP7，提示AQP7 表達(dá)量可能受心肌水滲透影響，與水腫嚴(yán)重程度相關(guān)［34］。小鼠缺血再灌注損傷模型中發(fā)現(xiàn)心臟AQP7 表達(dá)上調(diào)，使微小RNA（microRNA-292-5p）下調(diào)可激活核激素受體——過氧化物酶體增殖物激活受體（peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs），并通過PPAR-α/PPAR-γ信號(hào)通路保護(hù)缺血再灌注心肌損傷，同時(shí)下調(diào)AQP7 的表達(dá)。因此，推測(cè)PPAR-α/PPAR-γ信號(hào)通路可能與AQP7 表達(dá)之間存在關(guān)聯(lián)［33］。

5 水通道蛋白亞型相互關(guān)系

生理狀態(tài)下，心臟中AQP1、AQP4、AQP7 的相對(duì)表達(dá)量因動(dòng)物種屬差異而出現(xiàn)不同，共同維持著心肌水液代謝平衡；大量研究發(fā)現(xiàn)，心肌水腫時(shí)AQP1、AQP4、AQP7 均出現(xiàn)表達(dá)異常，以響應(yīng)各種因素引起的機(jī)體應(yīng)激狀態(tài)下的水液代謝。在AQP 基因敲除動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)，AQP1 敲除小鼠心臟中伴隨著AQP4、AQP7 及主動(dòng)脈中AQP7 的代償性上調(diào)［35］。此外有研究發(fā)現(xiàn)，與正常組相比，AQP7 敲除小鼠脂肪組織毛細(xì)血管中AQP1 表達(dá)無明顯差異，而長(zhǎng)期饑餓會(huì)引起AQP7 敲除鼠中的AQP1 表達(dá)量較正常鼠顯著上調(diào)［36］。以上提示機(jī)體需要不同AQP 亞型的相互作用以保持生理病理狀態(tài)下適當(dāng)?shù)乃畡?dòng)態(tài)平衡。

6 展 望

AQP1、AQP4、AQP7 是存在于心臟心肌細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞中的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，共同協(xié)調(diào)參與心臟的生理病理水液代謝。目前，關(guān)于心臟AQPs 與水代謝關(guān)系的研究，主要集中于病理狀態(tài)下的心肌水轉(zhuǎn)運(yùn)與AQPs 表達(dá)之間的關(guān)系。大量研究結(jié)果表明，心肌水腫時(shí)，心臟AQP1、AQP4、AQP7 均出現(xiàn)不同程度的表達(dá)上調(diào)，其中AQP1 的表達(dá)情況隨實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型、實(shí)驗(yàn)方法不同而結(jié)果不同，其原因目前尚無定論。由于相關(guān)研究有限，且主要集中于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，關(guān)于心臟AQP1、AQP4、AQP7 的表達(dá)與心肌水代謝的關(guān)系，各亞型之間的相互影響，以及AQPs 上調(diào)的病理生理機(jī)制還有待進(jìn)一步探究。隨著對(duì)心臟AQPs 研究的深入，相信可為針對(duì)AQPs 干預(yù)的新藥研發(fā)提供新方向。