水通道蛋白在急性缺血性腦卒中后腦水腫發(fā)生機制中的研究進展＊

彭會珍 綜述，張振香審校

（鄭州大學(xué)護理學(xué)院，鄭州450001）

腦血管病逐漸成為人類健康的巨大威脅，而腦卒中居于首位。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，每年約61/10萬人罹患或復(fù)發(fā)腦卒中［1］，每2秒就有1人出現(xiàn)腦卒中癥狀［2］，致死人數(shù)占死亡總數(shù)的22.45%；幸存者70%以上伴有不同程度的功能障礙，給患者、家庭及社會帶來沉重的負擔(dān)。腦卒中患者約70%為急性缺血性腦卒中（acute ischemic stroke，AIS），致死、致殘率高在很大程度上取決于早期繼發(fā)性損傷，尤其是腦水腫，可導(dǎo)致顱內(nèi)高壓，甚至腦疝形成，嚴重威脅患者生命［3］。因此，對AIS進行有效地治療及干預(yù)是臨床和基礎(chǔ)研究的熱點，控制腦水腫的發(fā)生、發(fā)展是臨床治療的關(guān)鍵，但目前尚缺乏理想方法。腦內(nèi)水分子的跨膜運動和平衡受到水通道蛋白（aquaporins，AQPs）的調(diào)控［4］，近年來國內(nèi)外研究報道，AQPs與AIS后腦水腫的發(fā)生密切相關(guān)，因此AQPs已成為腦水腫治療中關(guān)注的焦點。本文旨在將AQPs與AIS后腦水腫的關(guān)系作一綜述。

1 AQPs結(jié)構(gòu)特征

AQPs是廣泛分布于細胞膜上，介導(dǎo)水跨膜轉(zhuǎn)運的一類蛋白家族，單體大小約30×103。Peter等于1988年在紅細胞膜上發(fā)現(xiàn)首個AQPs，至今已有13種蛋白亞型（AQP0～AQP12）在哺乳動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，且廣泛分布于各組織［4］。AQPs依據(jù)細胞內(nèi)外滲透壓調(diào)節(jié)水分子平衡［5］。該蛋白家族按功能可分為三大 類［6］：（1）單純水分子通透蛋白，包括AQP0、AQPl、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8；（2）水、甘油通道蛋白，包括 AQP3，AQP7、AQP9和 AQP10；（3）超 級 AQPs（superaquaporins），包括AQP11、AQP12，表達在細胞質(zhì)，但其作用尚未明確。研究證實AQPs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)廣泛表達［7］，在腦組織中主要的蛋白亞型包括［6］：（1）AQP4，主要表達在神經(jīng)膠質(zhì)細胞及神經(jīng)元上；（2）AQP1，主要分布于脈絡(luò)叢的上皮細胞；（3）AQP9，多分布在黑質(zhì)；其余僅為零星表達。

AQPs具有相似的結(jié)構(gòu)特征，每個功能單元由4個單體組成，為同源四聚體。AQPs單體包括6個跨膜區(qū)域和5個環(huán)（A、B、C、D、E環(huán)）。其中B、D環(huán)及羧基、氨基末端在胞內(nèi)，A、C、E環(huán)位于胞外。天冬酰胺－脯氨酸－丙氨酸（NPA）組成的序列為AQPs家族成員共有的特征性結(jié)構(gòu)。

2 腦組織中AQPs的功能

AQP1是AQPs家族中最早的成員，在腦組織中主要分布于脈絡(luò)叢上皮細胞的頂膜與Na＋－K＋－三磷酸腺苷（ATP）酶共定位；具有水通道和離子通道雙重作用；介導(dǎo)腦脊液的分泌［5］。AQP4是大腦中分布最廣泛的水通道蛋白，主要表達在屏障（血腦屏障及室管膜－腦脊液屏障）的星形膠質(zhì)細胞足突上，常與內(nèi)流性鉀離子通道（inward rectifying K＋channel 4.1，Kir4.1）共存，可能在此組成水－鉀離子通道復(fù)合體［8］；參與腦內(nèi)水轉(zhuǎn)運和腦脊液的重吸收、生成及滲透壓的調(diào)節(jié)，發(fā)揮維持腦內(nèi)滲透壓及水電解質(zhì)平衡等功能，與AIS后腦水腫發(fā)生、發(fā)展及消退關(guān)系密切［9］。AQP9則在1997由Kuriyama等在分析人類脂肪組織基因序列系統(tǒng)過程中發(fā)現(xiàn)，主要分布于星形膠質(zhì)細胞、內(nèi)皮細胞及兒茶酚胺能神經(jīng)元上［10］，參與腦內(nèi)乳酸與甘油的重吸收，調(diào)節(jié)水電解質(zhì)平衡［5，11］。

3 AIS后腦水腫分類

腦水腫是大面積缺血性卒中最麻煩甚至威脅生命的并發(fā)癥，包括細胞毒性腦水腫和血管源性腦水腫［12］，前者是由于受損腦細胞膜轉(zhuǎn)運蛋白功能缺失，導(dǎo)致壞死或缺血細胞內(nèi)外離子分布失衡，攝水功能異常，水鈉潴留（星形膠質(zhì)細胞是該型腦水腫主要的水腫細胞），常見于腦缺血急性期（＜24h）；后者則與血腦屏障的破壞有關(guān)，多發(fā)生在腦缺血晚期［13］。臨床中，隨疾病的進展，細胞毒性腦水腫和血管源性腦水腫多并存，目前尚無可靠預(yù)測腦水腫進程的方法。而AQPs在腦水腫形成這一病理過程中的作用是目前研究的熱點。

4 AQPs在缺血性腦水腫形成過程中的作用

AQPs通過可逆性蛋白磷酸化、低氧、滲透壓及有絲分裂原激活的蛋白激酶（mitogen－activated protein kinase，MAPK）等調(diào)節(jié)其通透性［14］。腦缺血后，神經(jīng)元及膠質(zhì)細胞內(nèi)能量迅速耗損，使K＋外流，Na＋內(nèi)流；無糖酵解產(chǎn)生的乳酸增多，CO、H＋等代謝產(chǎn)物堆積；同時細胞內(nèi)肌漿網(wǎng)和線粒體儲存的Ca2＋進入胞內(nèi)，導(dǎo)致Ca2＋超載，造成細胞內(nèi)酸中毒、高滲透壓［15］。隨血腦屏障完整性破壞，毛細血管通透性增加，致使大量等滲液和血漿蛋白自血液進入腦組織細胞外間隙。以上過程造成滲透梯度，可激活具有滲透壓感受器功能的AQPs，使其結(jié)構(gòu)改變、通透性增強。AQP4介導(dǎo)水流的雙向運動，調(diào)控腦組織中水的進入或排出，AQP9則對水、甘油及乳酸鹽的通透性增加，可能加劇腦水腫的發(fā)生。

4.1 AQPs促進缺血性腦水腫的形成 研究表明AQP1基因缺陷小鼠腦脊液體積減少20%～30%；抑制AQP1表達可能降低腦卒中后顱內(nèi)高壓的風(fēng)險，有效治療腦水腫［16］。Kim等［17］發(fā)現(xiàn)腦缺血再灌注模型小鼠大腦中AQP1在皮質(zhì)及紋狀體內(nèi)皮細胞上高表達；血管源性腦水腫時，AQP1在脈絡(luò)叢血管內(nèi)皮細胞上高表達，胍丁胺可能通過抑制AQP1表達來緩解腦水腫。提示AQP1表達增強可能是腦水腫病理損傷的分子機制之一，但目前，國內(nèi)外針對AQP1與AIS后腦水腫的研究尚少。

腦缺血后AQP4在大腦的極性分布發(fā)生改變，梗死區(qū)AQP4表達明顯上調(diào)，而遠離梗死區(qū)正常腦組織AQP4表達較低［16］，提示AQP4極性分布的重要性。局灶性大腦中動脈缺血0.5h后再灌注模型中，Ribeiro等［18］與Meng等［19］研究結(jié)果顯示：再灌注后約0.5、48.0h為缺血半暗帶區(qū)星形膠質(zhì)細胞足突AQP4的兩個表達高峰。細胞毒性腦水腫研究中，AQP4基因敲除的局灶性缺血腦卒中動物模型的神經(jīng)功能改善、腦水腫減輕［20］，Thrane等［21］在體外培養(yǎng)星形膠質(zhì)細胞，結(jié)果表明AQP4高表達與細胞毒性腦水腫呈正相關(guān)。同時研究證實，AQP4與血腦屏障的功能密切相關(guān)［22］。缺血再灌注后AQP4的兩個剪接變異體AQP4－m1和AQP4－m23的比例發(fā)生改變：AQP4－m1比AQP4－m23誘導(dǎo)表達得更高，從而破壞了正交排列陣列結(jié)構(gòu)（orthogonal arrays of particles，OAPs）及血腦屏障，誘發(fā)腦水腫［23］。推測AQP4可能參與血管源性腦水腫。目前，針灸、孕酮等作為可能有效調(diào)節(jié)AQP4表達，緩解腦水腫的方法已得到關(guān)注［24－25］。 國外Higashida等［26］研 究表明腦卒中后AQP9表達增高與乳酸積聚及腦水腫形成有關(guān)。Kiewert等［27］認為AQP9可能通過同時增加水和甘油轉(zhuǎn)運至腦實質(zhì)的細胞外基質(zhì)，促進腦水腫的發(fā)展。國內(nèi)寧文婧等［28］成功復(fù)制局灶性腦缺血大鼠模型后6h，AQP9mRNA水平逐漸上調(diào)，48～72h達到高峰，后逐漸下降，表明丁苯酞可能通過降低AQP9mRNA水平，減輕腦水腫，改善腦血流，提示AQP9可能參與水的跨膜轉(zhuǎn)運，是形成腦水腫的關(guān)鍵因素。

4.2 AQPs促進缺血性腦水腫的消除 Papadopoulos等［29］制備AQP4基因缺失小鼠模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，血管源性腦水腫增加。Nag等［30］與Tourdias等［31］也認為，AQP4有利于血管源性腦水腫的清除。國內(nèi)有研究表明嚴重缺血缺氧刺激下，腦組織不能合成足量的AQP4，從而加重腦水腫［32］，與以上觀點一致。

4.3 AQPs與缺血性腦水腫不相關(guān) 局灶性腦缺血小鼠模型研究結(jié)果顯示，AQP9在腦梗死灶周圍皮質(zhì)，蒼白球、杏仁核的星形膠質(zhì)細胞上免疫標記增強，表達上調(diào)，但與腦水腫程度不相關(guān)［18，33］，提示 AQP9不參與局灶性腦缺血后腦水腫形成過程。

5 總結(jié)與展望

綜上可知，腦水腫時，AQPs的分布和功能發(fā)生相應(yīng)的變化，AQPs的變化反過來又影響腦水腫，二者密切相關(guān)，AQPs可能成為臨床防治腦水腫的潛在靶點。AQP4參與缺血早期細胞毒性腦水腫的形成及血管源性腦水腫的消散，提示早期調(diào)節(jié)AQP4表達、活性的藥物或有效干預(yù)措施可能成為治療急性缺血性腦水腫的新思路。但目前針對AQP1、AQP9與急性缺血性腦水腫的相關(guān)研究處于初步階段，缺血性腦水腫是否是多種AQPs共同作用的結(jié)果也鮮見報道，AQPs的表達調(diào)控機制有待明確，因此需深入系統(tǒng)地探索AQPs在腦缺血再灌注不同時間段的變化規(guī)律及作用機制，有望為進一步闡明腦缺血再灌注后腦水腫的病理生理機制提供實驗與理論依據(jù)，并為臨床診治提供新思路，開辟新途徑。

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