脑水肿责任水通道蛋白的研究进展

【关键词】水通道蛋白；脑水肿；进展

【中图分类号】R256.51【文献标识码】A【文章编号】1004-4949（2013）11-207-02

外伤、感染、肿瘤、卒中等许多常见的神经系统疾病均可引发脑水肿，而脑水肿又与这些疾病的发生与转归密切相关。关于脑水肿的机制的基础理论涉及水通道蛋白、金属蛋白及一些生长因子如血管内皮生长因子A、B及血管生成素。利用它们进行治疗脑水肿正在成为热点。其中水通道蛋白（Aquaporin，AQP）作为一组与水的跨膜转运有关的蛋白质，广泛存在于动植物及微生物体内，发挥不同的生理功能，参与不同疾病的病理生理过程。当前，至少13种水孔蛋白已经被发现存在于人类和300多种低等生物中。研究指出，大脑组织能够表达6种水通道蛋白（AQP-1/3/4/5/8/9），但是与脑水肿发生发展过程相关的主要是AQP-1、AQP-4和AQP-9。在此我们将进一步讨论AQP-1、AQP-4和AQP-9与脑水肿的关系。

1 AQP的结构特点

AQP是一类高度保守、分子量约30kDa的蛋白质，属于主要内源性蛋白质家族（major intrinsic protein，MIP），其在细胞膜上以四聚体形式存在。序列分析指出，AQP单体由一条肽链构成，其氨基端和羧基端均位于胞内，肽链中包含6个富含螺旋、串联的疏水跨膜区，它们依赖A、B、C、D、E五个环连接，其中A、C、E为胞外环，B、D为胞内环。B、E环具有高度保守的天冬酰氨-脯氨酸-丙氨酸（Asn-Pro-Ala，NPA）的重复串联序列，而NPA序列是大部分水通道蛋白特征性的孔道中心序列。6个跨膜区包绕着B、E环形成一个桶状的水分子通道。

2 AQP-1

2.1 AQP-1在脑组织中的分布： AQP-1在中枢神经系统中主要集中表达于侧脑室、第四脑室及第三脑室的脉络丛上，与Na+-K+-ATP酶共同定位于脑脉络膜上皮微绒毛的顶膜，在脑脊液产生过程中具有重要作用；其表达可随重力的下降而下调。Mobasheri A[1]等采用组织芯片技术（tissue microarray technology）通过半定量对比的研究方法证实了AQP-1在人脉络丛的表达量高于其它组织，这包括肾脏，肝胆管和胆囊等。

2.2 AQP-1与脑水肿的关系： 脉络丛肿瘤会引起CSF的生成增加，而同时，该肿瘤中的AQP-1表达发生了上调，AQP-1基因敲除的小鼠其CSF分泌的速度降低了25%，脉络丛上皮细胞的通透性及离子的透过率也有所降低。这些证据表明AQP-1参与了CSF的分泌，并且能够使CSF易于进入脑室，同时也表明，AQP-1的抑制剂能够有效治疗脑水肿以及良性颅内压增高（两者都与CSF的生成增加或过量蓄积有关）。近年来，逆转录PCR和免疫组织化学分析表明在正常动物皮质中只有少量的AQP-1表达，而在TBI动物脑皮质中AQP-1基因和蛋白的表达量呈高表达，这说明AQP-1在TBI相关性脑水肿起重要作用，而且这种蛋白可能在TBI后表达上调。

Morishima T等证实AQP-1其中一个激发因素为糖皮质激素[2]。Blank M E证明AQP-1能够增强CO2膜的通透性，进而导致细胞内酸中毒[3]。进一步的实验证实TBI后1小时内使用地塞米松治疗可减轻非酸中毒条件下的水肿，但在酸中毒的条件下反而使脑水肿加重，使用HgCl2选择性阻断AQP-1可以减轻皮质醇和酸中毒条件下的水肿效应。基于这些数据，我们设想通过AQP-1通道达到水平衡可能受到2种因素的影响，即糖皮质激素及脑的酸中毒。组织的酸性程度与脑水肿的程度及临床预后密切相关，几乎所有的严重的TBI都有低的脑组织酸碱度。如果患者临床症状好转表明脑组织的酸碱度得到了快速稳定，这也为我们旨在提高TBI患者的预后提供了一个可供调节的分子机制，即通过联合使用AQP-1阻滞剂及脑组织的PH值正常化将有助于改善TBI患者的。另外也有相关研究表明，脑星形细胞尾足通过将信号转导给周围的血管内皮细胞以调控AQP-1的表达。

3 AQP-4

3.1 AQP-4在脑组织中的分布： AQP-4广泛分布于中枢神经系统。AQP-4 mRNA在人脑皮质、白质均有分布，同时在室管膜上皮细胞，软膜细胞、室旁核、视上核，齿状回的颗粒细胞层及小脑蒲肯野细胞层上也有表达，而在神经元上却未发现AQP-4表达。AQP-4多选择性的分布于脑室周围组织，在侧脑室脉络丛、室管膜细胞上亦有少量AQP-4表达，认为可能与脑脊液形成有关。此外，高分辨胶体金免疫电泳显微镜观察证实，在面向血管面及软膜面的胶质细胞膜区有选择性的AQP-4高表达，这表明血管周围的胶质细胞突起是水分子流动的主要部位。

3.2 AOP-4与脑水肿的关系： 大量研究证实各种原因（如卒中、脑部肿瘤、炎症、颅脑外伤等）引起脑水肿时AQP-4的表达均出现改变，且AQP-4表达的变化与脑水肿密切相关。虽然AQP-4在脑水肿的发生、发展、消退方面的具体作用机制目前还存在一定的争议，但AQP-4与水分进出脑组织有关这一点是不容置疑的。

关于AQP-4在细胞毒性脑水肿中作用的研究中，Manley等[4]采用经典水中毒模型，即水灌注引起低钠血症，缺失AQP-4基因的动物模型脑水肿会明显减轻，预后也较好，这提示去除AQP-4可减少水从血管向脑内流动进而减轻水中毒后脑内水积聚。

作为一种双向水转运通道的AQP-4是一种易化脑内多余水分清除的作用目前亦已被证实。Papadopoulos等[5]向脑实质内注入等渗液的同时持续监测ICP，60分钟后AQP-4基因敲除小鼠的ICP较野生型小鼠明显升高，灌注半球的脑水含量也显著升高，而对侧半球未见明显差异。这说明AQP-4可易化血管源性水肿液的重吸收血管源性脑水肿时水并不依赖AQP-4进入脑组织，但从脑组织中清除水需要AQP-4。此外，相关研究证实细胞毒性脑水肿时AQP-4表达的升高是胶质细胞的适应性反应，其目的是为了保护神经元处于较适宜的环境，保持酸碱和渗透压平衡而摄取渗透性物质，造成自身高渗状态，而AQP-4表达升高可使更多的水份进入胶质细胞，形成脑水肿。另外，BBB的胶质细胞足突上的AQP-4表达升高，可引起血管内水份通过BBB进入脑组织，若胶质细胞破裂，可导致BBB破坏，进而加重脑水肿。然而，在血管源性脑水肿时盐及水如何精确地移出脑组织仍需进一步研究。

3.3 AQP-4表达的调节： 目前多数的研究认为蛋白激酶C（PKC）可以通过磷酸化的方式调节AQP-4的活性。对转染AQP-4基因的LLC-PKC1细胞的研究显示PKC及多巴胺（dopamine）可以通过磷酸化其丝氨酸（Serl80）来降低AQP-4对水的通透性。此外，Wen H等[6]发现AQP-4在星形胶质细胞的极性表达可能受到内皮细胞和（或）神经元释放的某种因子的调节。Gunnarson E等认为[7]蛋白质问的相互作用、渗透压、类固醇激素等对AQP-4也有调节作用。同时，Vajda Z等[8]发现胶质细胞为适应低钠血症防止脑水肿，通过改变AQP-4分子构象，使膜的水通透性下降的现象证实AQP-4的分子构象变化也可以引起其功能改变。

4 AQP-9

4.1 AQP-9的分布： AQP-9主要分布在脑室周围器官组织，提示AQP-9可能参与脑脊液循环调节，与脑代谢的维持、神经元与神经胶质细胞内环境的稳定及其正常功能的保持有关。Badaut J[9]等通过免疫斑点实验显示，AQP-9免疫标记在脑室周围实质的星形胶质细胞和蛛网膜下腔边缘区有表达，表明AQP-9在脑实质和脑脊液之间起着调节水代谢平衡的作用。近来的研究还显示AQP-9在脑组织其它区域也有表达，如脑白质内（胼胝体、前连合、视交叉）也出现明显的AQP-9阳性标记。另外在海马、隔核和下丘脑的某些神经核团也有AQP-9的表达，特别是下丘脑的视上核、室旁核、视交叉上核表达强烈，提示AQP-9对渗透压的变化起调节作用，还可能与下丘脑的神经内分泌功能有关。在松果体，观察到AQP-9免疫标记集中在松果腺细胞，松果腺细胞与神经内分泌细胞相似，AQP-9在松果腺细胞的表达进一步说明AQP-9与脑组织神经内分泌细胞产生和分泌激素的功能有关。AQP-9在脑组织的定位研究提示其对脑组织内水的转运和脑脊液循环起重要作用。

4.2 AQP-9与脑水肿的关系： AQP-9被认为同AQP-4类似，在细胞外水的调节和脑水肿形成中起重要作用。在病理状态下，AQP-9发生了改变。AQP-9和AQP-1、AQP-4都和脑水肿的形成以及对抗脑水肿的代偿机制相关。AQP-9定位于脑脊液和血液之间的结构表明AQP-9涉及到水的稳态。AQP-9在脑缺血后脑水肿方面存在较大争议，如Badaut J等[9]在短暂性大脑中动脉脑缺血小鼠模型中发现：缺血灶周围的反应性星形胶质细胞中AQP-9过表达，从而推断AQP-9参与脑缺血后脑水肿的形成。然而，Ribeiro M C等[10]利用大脑中动脉缺血小鼠模型进一步比较了AQP-1、4和9随缺血时间演变的表达变化发现缺血后的脑肿胀与AQP-9变化无明显相关，而与AQP-4明显相关。AQP-9与脑出血后脑水肿的关系国内外报道较少，国内陈敏等[11]在脑出血动物模型中运用免疫组化研究发现AQP-9表达强度与脑水肿程度呈平行关系。经“二硫代氨基甲酸吡咯烷”干预后AQP-9表达受抑制，脑水肿程度也相应降低，从而认为AQP-9参与了脑出血后脑水肿的发生。与AQP-4相比，AQP-9在肿瘤性脑水肿形成方面居次要地位，但AQP-9升高有助于清除细胞间隙堆积的甘油和乳酸，从而对抗神经胶质瘤引起的酸中毒。

4.3 AQP-9表达的调节： 对肝和脑的研究认为AQP-9对于细胞内能量平衡有着重要作用，并且发现肝内AQP-9可以被胰岛素下调。虽然胰岛素对于脑内AQP-9的影响仍然未被观察到，但是发现：AQP-9阳性表达的神经元对葡萄糖敏感；体内胰岛素据报道可以通过血脑屏障；一些神经元有胰岛素受体表达；用胰岛素和其受体底物均诱导出现了饮食过量。这些研究结果提示脑内AQP-9的表达可能受到胰岛素的调节。脑内AQP-9被体内胰岛素调节的可能机制如下：对于AQP-9表达的调节首先在星形胶质细胞的培养中进行了研究。研究表明，能调节AQP-9表达的途径被认定为蛋白激酶A（PKA）和蛋白激酶C（PKC）途径。其中蛋白激酶C途径活化可以使AQP-9 mRNA和蛋白下调。与AQP-4不同的是，在星形胶质细胞培养中通过双丁酰环磷酸腺苷被激活的蛋白激酶A可以增加AQP-9 mRNA和蛋白的表达。有丝分裂原激活蛋白激酶（MAP-kinase）途径：P38MAP-kinase在给予渗透性应激后也可以增加AQP-4和AQP-9的表达。MAP-kinase这一途径可以增加缺血性梗死灶周边的星形胶质细胞AQP-9的表达。

5 展望

AQP的发现使我们能够从分子水平研究脑水肿的形成机制。随着分子生物学技术的发展，AQP的研究将日益深入，它在脑水肿形成中的作用和机制将会更加明确，同时随着作用机制及其表达调节进行深入系统的研究可能成为临床防治脑水肿的潜在靶点。这些将对于临床神经系统疾病的诊治将会有重要的指导意义。

参考文献

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