從AQP4/Kir4.1的表達和分布探討水平衡在糖尿病視網(wǎng)膜水腫中的機制與研究進展

黃櫳瑢，付美林，2，3，4，劉志敏，2，3，4，陳向東，2，3，4

糖尿病視網(wǎng)膜病變（diabetic retinopathy，DR）是糖尿?。╠iabetes mellitus，DM）的嚴重并發(fā)癥[1]，而糖尿病視網(wǎng)膜水腫，尤其是糖尿病黃斑水腫（diabetic macular edema，DME）是DR 的一種嚴重并發(fā)癥，在DR 早期即可出現(xiàn)，是導致DM 患者視力喪失的最常見原因之一[2]。DME 是指由于高糖環(huán)境導致血-視網(wǎng)膜屏障（blood-retinal barrier，BRB）破壞，視網(wǎng)膜細胞內(nèi)、外環(huán)境水液平衡被破壞，造成黃斑中心凹一個視盤直徑范圍內(nèi)的細胞外液積聚，使黃斑部視網(wǎng)膜增厚或硬性滲出沉積，進而影響中心視力的黃斑部病變。目前，引起這種視網(wǎng)膜水腫的潛在分子機制尚不清楚，現(xiàn)代研究[3]發(fā)現(xiàn)，DME 的成因不僅有視網(wǎng)膜血管的滲漏，還有BRB 水液主動轉(zhuǎn)運機制被破壞，即視網(wǎng)膜水液清除機制的不足。

1 視網(wǎng)膜水腫與水平衡的關(guān)系

視網(wǎng)膜是人體最重要的感覺組織之一，需要精細的液體平衡來維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)以期達到最佳視覺效果。在生理狀態(tài)下，鉀離子（K+）和水分子出入視網(wǎng)膜受BRB 的完整性以及Müller 細胞和視網(wǎng)膜色素上皮（retinal pigment epithelium，RPE）細胞的調(diào)控[4]。在病理狀態(tài)下，Müller 細胞的功能障礙會促進水液積聚，導致細胞水腫[5]。有研究[6]認為，水腫的視網(wǎng)膜組織由腫脹和死亡的Müller細胞形成。

Müller 細胞是負責視網(wǎng)膜的快速水轉(zhuǎn)運、及時清除多余水液的神經(jīng)膠質(zhì)細胞，約占整個視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的95%～97%。其主要功能就是介導視網(wǎng)膜的水液轉(zhuǎn)運，促進水液向玻璃體和血管內(nèi)流動，以維持視網(wǎng)膜的水液穩(wěn)態(tài)，使視網(wǎng)膜組織保持相對脫水狀態(tài)[7]。視網(wǎng)膜的導水率與Müller細胞的水液清除功能息息相關(guān)[8-9]。而這一功能主要依賴于表達在Müller細胞上的水通道蛋白4（aquaporin 4，AQP4）和內(nèi)向整流性鉀通道4.1（inwardly rectifying K+4.1，Kir4.1），二者共同參與K+和水分子的共轉(zhuǎn)運，調(diào)節(jié)水分子和K+的穩(wěn)態(tài)[10-11]，維持水平衡。視網(wǎng)膜水腫的形成和水平衡息息相關(guān)，視網(wǎng)膜導水率的失衡導致水液在視網(wǎng)膜積聚、進而引起視網(wǎng)膜水腫，日久則會累積黃斑中心凹，嚴重影響患者視功能[12]。

2 AQP4與Kir4.1的關(guān)系

水通道跨膜蛋白（aquaporin，AQP）是細胞膜上負責轉(zhuǎn)運水分子的跨膜蛋白，其雙向轉(zhuǎn)運水分子的功能可以改變滲透壓梯度，進到維持水和離子穩(wěn)態(tài)[13]。通過細胞膜上的AQP進行快速水分子運輸是一種重要的分子交換過程，其正向調(diào)控腺體組織分泌液體，通過促進細胞內(nèi)、外環(huán)境的液體流動交換營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物，并通過調(diào)節(jié)水液代謝影響細胞的體積[14-15]。Müller 細胞膜上高表達的AQP4 是AQP 家族的一員，該蛋白質(zhì)對于視網(wǎng)膜水液的快速清除至關(guān)重要，通過調(diào)控該水分子跨膜轉(zhuǎn)運通道可對視網(wǎng)膜細胞內(nèi)、外的水分子進行雙向調(diào)節(jié)。

Kir4.1 是Müller 細胞特異性的內(nèi)向轉(zhuǎn)運K+的主要通道蛋白[16-17]，并通過調(diào)控K+的跨膜轉(zhuǎn)運而起到排水的作用[18]。當視網(wǎng)膜神經(jīng)元興奮時，Kir4.1 使K+從Müller 細胞中排出[19]，形成離子濃度差，進而形成跨膜滲透壓，為水分子的轉(zhuǎn)運提供動力，使水分子通過AQP4 的轉(zhuǎn)運從細胞外進入細胞內(nèi)，同時可以帶動K+的虹吸，以緩沖細胞外過量的K+，保持視網(wǎng)膜始終處于水液平衡的狀態(tài)[20-21]。研究[22]證實，敲除α-syntrophin 基因（敲除血管周圍的AQP4，但是Kir4.1 量正常）的小鼠較野生型小鼠K+清除速度延遲率達2 倍，提示AQP4 在膠質(zhì)細胞中的分布與活性可能影響Kir4.1 的轉(zhuǎn)運功能。

生理狀態(tài)下，Müller 細胞中AQP4/Kir4.1 表達和分布平衡、結(jié)構(gòu)和功能耦聯(lián)，共同維持Müller 細胞的水平衡。高糖環(huán)境下AQP4/Kir4.1 表達失調(diào)導致Müller 細胞水腫，可能是導致DME的關(guān)鍵因素。

3 AQP4/Kir4.1的分布與水平衡的關(guān)系

Müller 細胞通過K+通道對細胞外的離子濃度和pH 值進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)視網(wǎng)膜組織的水、電解質(zhì)平衡，避免神經(jīng)元細胞腫脹[23-24]。Müller 細胞的水液清除功能是否正常，取決于表達在Müller 細胞膜上的AQP4/Kir4.1 的表達與分布是否平衡。

血液或玻璃體內(nèi)的液體成分能夠通過AQP4 進入視網(wǎng)膜細胞的外間隙[25-26]，AQP4 在視網(wǎng)膜組織的液體平衡過程中起到關(guān)鍵作用。研究[27]發(fā)現(xiàn)，缺血、缺氧狀態(tài)的血管周邊的K+通道下調(diào)可能導致AQP4/Kir4.1 解耦聯(lián)，從而可能導致Müller 細胞及周邊視網(wǎng)膜血管的水轉(zhuǎn)運速率改變，引發(fā)視網(wǎng)膜水腫。Kir4.1 介導的K+跨膜轉(zhuǎn)運，形成了滲透梯度，為水分子經(jīng)AQP4 跨膜轉(zhuǎn)運提供動力。因此，只有Müller 細胞膜上的Kir4.1 充分發(fā)揮調(diào)節(jié)K+的跨膜轉(zhuǎn)運作用，AQP4 介導視網(wǎng)膜組織的跨膜水轉(zhuǎn)運作用才能正常發(fā)揮[28]。同時，AQP4介導的快速跨膜水轉(zhuǎn)運又是Kir4.1 持續(xù)存在的必要條件[28-29]。

Kir4.1/AQP4 蛋白質(zhì)復合物通過肌營養(yǎng)不良蛋白（dystrophin 71，DP71）錨定于Müller細胞膜，表達于靠近視網(wǎng)膜血管周圍區(qū)域的Müller細胞終足處[30-33]。Müller細胞終足是視網(wǎng)膜血管系統(tǒng)和視網(wǎng)膜之間維持K+平衡進行水液交換的重要細胞膜結(jié)構(gòu)[34]，其清除Müller 細胞與鄰近視網(wǎng)膜血管細胞外環(huán)境中的K+離子，起到“K+緩沖”的作用。據(jù)報道[35-36]，在視網(wǎng)膜靜脈阻塞、視網(wǎng)膜缺血再灌注等許多眼部疾病中，Kir4.1、AQP4 和Dp71 的下調(diào)或重新分布是引起Müller 細胞腫脹的重要因素。Kir4.1/AQP4 的分布及其功能性是Müller細胞發(fā)揮清除液體、保持內(nèi)層視網(wǎng)膜處于干燥狀態(tài)的作用的重要前提[37]。

4 AQP4 及Kir4.1與糖尿病視網(wǎng)膜水腫的關(guān)系

高糖環(huán)境導致視網(wǎng)膜持續(xù)處于缺血、缺氧狀態(tài)[38]，Kir4.1與AQP4 的表達和分布失衡，導致K+的轉(zhuǎn)運功能異常，引起水平衡失調(diào)，進而引起視網(wǎng)膜細胞和組織水腫，Müller 細胞發(fā)生反應性增生[26,39]。缺氧早期的Müller 細胞中Kir4.1 蛋白質(zhì)功能性脫位，AQP4 與Kir4.1 失耦聯(lián)[40]，Kir4.蛋白下調(diào)[41]，Kir4.1 出現(xiàn)低水平分布[41-43]，導致Müller 細胞的排鉀功能障礙，細胞內(nèi)K+累積過多，導致細胞內(nèi)滲透壓明顯上升。同時，AQP4 的表達明顯增加，隨著AQP4 的激活，視網(wǎng)膜血管中的水分子大量進入視網(wǎng)膜組織，導致視網(wǎng)膜組織內(nèi)積聚過多的液體，大量液體無法被及時地重新吸收回血液中，引起細胞腫脹[42,44-45]。K+濃度增加亦引起Müller 細胞的極化，從而導致谷氨酸累積[46]，使Müller 細胞的腫脹更加嚴重，最終導致細胞自噬和凋亡[4]，降低Müller 細胞介導的血管源性視網(wǎng)膜水腫的清除效率。Müller 細胞凋亡亦破壞了K+的空間穩(wěn)定性，加重了水液代謝失衡，形成惡性循環(huán)，而腫脹和死亡的Müller 細胞最終形成黃斑部囊樣水腫[5]。此外，K+濃度的改變亦使血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor-α ，TNFα），白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）等過量釋放，導致血管通透性增加，加速DR的進展[47]。

5 維持水平衡治療糖尿病視網(wǎng)膜水腫

AQP4/Kir4.1 表達失調(diào)導致細胞毒性和血管原性細胞水腫，最終導致DME。視網(wǎng)膜水液穩(wěn)態(tài)的維持有賴于BRB 的穩(wěn)定和水液清除機制的正常運轉(zhuǎn)。最新研究[48-50]發(fā)現(xiàn)，康柏西普（conbercept）可以通過降低Müller 細胞中AQP4 的表達緩解視網(wǎng)膜水腫，但對Müller細胞本身的生長并無影響。雷珠單抗（ranibizumab）亦通過直接結(jié)合VEGF-A 上調(diào)Kir4.1和AQP4，保護Müller 細胞免受DM 細胞內(nèi)水腫的影響，同時降低細胞內(nèi)滲透壓[6]，這都證明抗VEGF 藥物，可能通過靶向調(diào)節(jié)Kir4.1和AQP4恢復水液平衡治療DME。

中醫(yī)學方面，張仲景言：“血不利則為水”[51]?！堆C論》[52]曰：“血與水本不相離”“病血者未嘗不病水；病水者，亦未嘗不病血也?！惫试谔悄虿∫暰W(wǎng)膜水腫的治療中當治血以治水[53]。DR 是伴隨DM 氣陰兩虛證向陰陽兩虛證轉(zhuǎn)化過程中所發(fā)生的眼部血行不暢，目絡瘀阻[54]。水與血在病理上一致，血不行則水不行，膠著眼底，發(fā)為水腫[55]。AQP4與Kir4.1在整個維持視網(wǎng)膜水液代謝平衡的過程中，此消彼長，維持著一種接近穩(wěn)態(tài)的平衡。維持AQP4 與Kir4.1 表達平衡，以期維持視網(wǎng)膜水液代謝效率，改善視網(wǎng)膜水腫，亦體現(xiàn)以調(diào)整陰陽為基本原則，從活血利水的角度入手，治療“血不利之水”[56]。

賈鑫等[9]用含有不同濃度活血通絡利水方的大鼠血清，均顯著降低缺氧Müller 細胞中AQP4 并升高Kir4.1 表達，且呈劑量依賴性。證實了中藥活血通絡利水方能夠?qū)θ毖跻暰W(wǎng)膜Müller 細胞中AQP4 和Kir4.1 蛋白表達發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，通過恢復AQP4/Kir4.1 耦聯(lián)進而維持Müller 細胞離子和液體平衡。張勇等[57]研究發(fā)現(xiàn)早期DM 大鼠視網(wǎng)膜中AQP4 上調(diào)，Kir4.1 表達下調(diào)，說明在高血糖環(huán)境下，視網(wǎng)膜內(nèi)AQP4表達升高，Kir4.1 表達降低，且喪失了自和平衡的能力，促進了視網(wǎng)膜水液清除機制的破壞。證明Kir4.1和AQP4的表達需要在一個動態(tài)平衡的狀態(tài)，協(xié)同發(fā)揮正常的生理功能，才能保證視網(wǎng)膜水液進出的動態(tài)平衡。如不使AQP4、Kir4.1表達平衡狀態(tài)，必將導致視網(wǎng)膜水腫加重，累及黃斑，最終導致失明。

6 小結(jié)

DR的成因十分復雜，整個視網(wǎng)膜微環(huán)境穩(wěn)態(tài)的維持，包括視網(wǎng)膜水腫清除機制，牽涉到微觀層面眾多視網(wǎng)膜細胞間的相互作用（信號傳導、炎癥因子表達釋放、巨噬細胞極化等）、連接（包括突觸連接、構(gòu)成BRB 的緊密連接等）以及宏觀層面血液供應的重新分布等。近年來，視網(wǎng)膜水液機制的破壞引起了國內(nèi)、外學者的廣泛關(guān)注。目前AQP4/Kir4.1 是當前國內(nèi)、外學者研究糖尿病視網(wǎng)膜水腫形成的病理過程中的熱點分子，有望成為治療的新靶點，但關(guān)于二者的表達關(guān)系及變化在其發(fā)生發(fā)展過程中所起的作用尚未有定論。