脑水肿与通道蛋白4的关系及进展

林 锋 吴 江

1.广东医学院，广东湛江 524023；2.广东医学院附属西乡人民医院，广东深圳 518102

脑水肿见于各种内源性或外源性有害因素的刺激致脑组织损害而产生的一种非特异性反应。关于脑水肿是如何形成的，现在尚不十分明了。目前认为，其与钠通道活性减退、兴奋性氨基酸的神经毒性作用、脑细胞膜磷脂代谢障碍以及水孔蛋白有关，其中特别是水通道蛋白4（aquaporin-4，AQP4）与脑水肿形成及消退的关系是目前的研究热点。水通道蛋白（aquaporin，AQP）是一种水的分子通道，在动植物中均有，目前在哺乳动物中已发现共13种水通道蛋白。因为有AQP，细胞才可以快速调节体内液体的分布，从水对生物的重要性而言，AQP的重要性不言而明。本文试从AQP的最新研究进展与脑水肿的关系做一综述。

1 AQP水孔蛋白家族

人们一直认为，水在在生物体细胞是通过单纯扩散来完成运输的。1988年Denker等发现了水通道蛋白存在于细胞膜，从此证实了细胞膜上存在转运水的特异性通道蛋白，并称CHIP28为AQP1。以后又陆续从哺乳动物组织中鉴定出13种水通道。目前已发现在脑组织中有七种水通道蛋白（AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9、AQP11）。 AQP 与先前克隆的晶体纤维中的主要内源性蛋白（jorintrinsic protein，MIP）有20%～40%的氨基酸序列同源性，目前所发现的水通道均属MIP家族，后经证明MIP亦有弱的水通道活性，被命名为AQP0。AQPs不仅能转运水分子，而且还能通透其他一些小分子物质。Tsukaguchi等据此将其分为三类：Ⅰ类为选择性水通道，如 AQP1、AQP2、AQP4、AQP5；Ⅱ类对某些中性溶质（尿素、甘油）有一定的选择通透性，如AQP3、AQP7等；Ⅲ类有广泛的选择通透性（尿素、多元醇、乳酸盐、羧基丁酸、嘌呤、嘧啶等），如AQP9，其中，后两类又称水甘油通道（aquaglyceroporins）。克隆出来的AQP10对甘油和尿素没有渗透作用，但对水和中性溶质却具有渗透作用。此外，Wang等[1]的研究表明，NO和O2也能像通过AQP1样通过AQP4水通道蛋白。另一种分类方法就是根据AQPs功能能否被汞抑制而将其分为汞敏感性蛋白和不敏感性蛋白。汞制剂能抑制AQPs家族的绝大多数成员对水的通透性，但不能抑制AQP4和AQP7。汞通过与AQP1残基C189形成硫醇键引起AQP1构象改变从而影响水的通透性。近来研究又证实，AQP1的70～73和189残基在水孔或其附近，水孔的宽度是可变的，而汞制剂通过影响71～73残基改变水孔的宽度调节其对水的通透能力。目前认为，AQP4是由AQP4基因编码的一种蛋白质，属于控制细胞膜水通道，构成整体细胞膜蛋白质家庭中的一员。实验表明，AQP4有转运水的能力很快，比其他的水通道蛋白高3～4倍，因此，在大脑内其主要起调节水分子的作用。

2 AQP4的结构

AQP4的基因已经明确定位在人的第18对常染色体。AQP4的一级结构与家族中的其他蛋白相同，但四级结构却不相同，它的四级结构是由具有活性、分子量约34 kD亚单位组成的四聚体，亚单位含有6条疏水性的跨膜α右手螺旋结构，其水孔道在每个亚单位均存在，氨基端和羧基端均位于胞内。AQP4有3个 mRNA亚型，分别是 AQP41M1、AQP41M23和AQP41M23X。AQP41M1编码的蛋白为M1、AQP41M23和AQP41M23X编码的蛋白为M23。M23比M1在N端少了22个氨基酸。亚型的表达存在组织和年龄的差异。AQP4 C端第276～280的5个氨基酸主要起将AQP4固定在细胞膜上的作用。AQP4的基因包含的4个外显子，分别编码27、55、92、127位氨基酸序列，其间有3个内含子，长度分别为0.8、0.3和5.2 kb，编码31 kD和34 kD两种蛋白。

3 AQP4的分布与功能

AQP蛋白作为一种水的分子通道，在动植物中均有，目前在哺乳动物中已发现共有13种水通道蛋白。迄今在脑内已发现 7 种 AQP， 分别是 AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9、AQP11。AQP1主要与脑脊液生成有关。AQP9主要存在于室管膜细胞以及下丘脑内侧基底部的室管膜细胞，可能调节中枢神经系统细胞外间隙与体循环之间的信号传递。AQP4是脑内表达最多的水通道蛋白，主要表达于神经胶质细胞和室管膜，此外还表达于下丘脑的视上核、室旁核和下丘脑的口渴中枢。尽管如此，但是剔除AQP4基因的老鼠并没有表现下丘脑的功能紊乱。有研究认为，AQP4基因缺失的老鼠表现为尿浓缩功能障碍，可能是AQP的删除影响了细胞上皮水通道转运的功能[2]。目前AQP4被认为是脑内最主要的水通道蛋白。AQP4基因由4个外显子组成，有研究表明，4个外显子的功能与脑水肿的关系不大，其他外显子的功能目前不是十分清楚，值得大力研究。AQP4在机体的其他组织分布很广泛，在呼吸系统、消化系统、泌尿系统以及在眼球中均有分布。另外，AQP4蛋白在新生幼畜表达较少，未成熟的血脑、血脑脊液屏障和颅内的空间较大，因此，脑水肿的形成机制和消退过程可能和成年的动物不同。总之，由于水通道蛋白的存在，水才可以在细胞内外快速交换从而为生物体的新陈代谢提供需要。

4 AQP4的表达和调节机制

AQP4的表达调节机制目前并不十分清楚，但其对脑内水平衡的调节是十分重要的。研究发现，蛋白激酶C可以通过可逆性磷酸化调节AQP4的水渗透性。此外还有脑内AQP4在血管周围的定位需要α-Syntrophin的存在，在缺乏α-Syntrophin星形细胞足突质膜处，AQP4的表达明显减少，而其他地方则未见减少，甚至增多。蛋白激酶C主要通过AQP4的B环上含有蛋白激酶A的磷酸化调节AQP4的功能。此外，蛋白激酶C可在转录水平对AQP4 mRNA进行调节。

5 脑水肿

脑水肿是脑组织中过多的水积聚所致。目前认为，脑水肿的发生与损伤血脑屏障、脑微循环功能障碍、细胞代谢障碍、氧自由基堆积等多种综合作用有关，多种病因均可引起脑水肿，如脑外伤、脑肿瘤、脑血管意外，一些全身性因素也可引起脑水肿，如肝肾器官损害、脓毒症、甲状腺功能减低。正常成年人脑组织水平衡主要与脑脊液、脑血液、脑细胞内及脑实质空隙内液体有关。颅内的水随渗透压和静水压的不同而改变，因为颅脑是封闭在颅骨中的，所以脑肿胀可以引起颅内压力增高，高颅压可以引起脑灌注降低导致脑缺血，当颅内压增高到临界点导致调节功能丧失可迅速出现颅内高压危象或脑疝，危及生命。脑水肿的形成目前认为与与细胞膜钠泵失调、兴奋性氨基酸的神经毒作用、脑细胞膜磷脂代谢障碍、自由基堆积、AQP4蛋白有关。目前，脑水肿在国际上多按发病机制分为四种病理类型：细胞毒性脑水肿、血管源性脑水肿、间质性脑水肿和缺血性脑水肿。细胞毒性脑水肿为脑实质内水分增加，主要与组织损伤和细胞渗透压调节障碍引起的渗透压梯度有关，主要发生在低渗和脑血管缺血早期。细胞内的水主要为细胞Na-K-ATP酶功能失调，细胞不能调节细胞容积所致水钠储留，导致细胞间隙和血液的水分进入细胞内。胶质细胞是该类脑水肿的主要类型，而AQP4是脑内胶质细胞表达的主要类型，胶质细胞的肿胀可能是导致大脑更进一步损害的重要因素。血管源性脑水肿为血管内皮损伤，致血管通透性增高，水和血浆漏入周围脑组织引起的水肿，主要见于脑肿瘤和脑脓肿，与血脑屏障的破坏有关。来自于血液的等渗液体和血清蛋白进入脑组织空间，其主要是细胞间质空间的扩张，脑白质的水肿比灰质严重。脑积水性脑水肿又叫间质性脑水肿，主要见于梗阻性脑积水，当脑室积水时，脑室的压力大于周围脑组织的压力，产生压力梯度，脑脊液通过室管膜渗入脑室周围白质中，引起脑水肿。在临床中，一般是混合性的脑水肿，如创伤性脑水肿一般既有血管源性又有细胞毒性脑水肿。脑水肿一般通过血脑屏障进入血液、进入脑脊液系统等方式消除。血管源性脑水肿主要通过胶质界膜进入脑脊液，细胞毒性水肿可能也主要通过胶质界膜进入脑室系统脑脊液循环，缺血性脑水肿属混合性水肿。缺血区毛细血管内皮细胞及其周围的胶质细胞开始肿胀，持续引起血脑屏障破坏，毛细血管通透性增加，此时即由细胞毒性水肿过渡到血管源性水肿。由于胶质细胞和神经细胞受到破坏，坏死后的分解产物又可引起缺血区渗透性增高，使脑水肿进一步加重。目前脑水肿的治疗方法主要包括纠正全身因素、限制水钠摄入、脱水剂的应用以及外科手术减压等。

6 AQP4与脑水肿关系及进展

AQP4与脑水肿有关的证据最早表现为剔除了AQP4基因的老鼠细胞毒性脑水肿比普通老鼠出现的晚且轻，预后较好，可能跟减少血脑屏障的渗透性和减缓水流进实质细胞有关，且剔除AQP4基因的老鼠在脑感染和缺血的早期也表现出了保护作用[3]。因此，人们认为抑制AQP4蛋白可预防和治疗脑水肿[4]。但随后随着血管源性脑水肿试验的开展，剔除AQP4基因的老鼠却表现出比普通老鼠更严重的脑水肿，且脑水肿的消退过程较慢。在脑积水性脑水肿中，AQP4基因剔除的老鼠在实验动物脑室扩展比普通型更快，可能是缺乏AQP4致使水分子通过屏障进入蛛网膜下腔所致[5]。此外，AQP4可能与细胞迁移和神经兴奋有关。一些实验表明，剔除AQP4的老鼠星形细胞的迁移速度变慢和神经兴奋性降低[6-7]。Guo等[8]的研究认为，与采用孕酮治疗的脑创伤组相比，对照组可显著减少脑组织的含水量，在该实验中，脑水肿24 h时脑组织的AQP4表达变化不大，而72 h时AQP4蛋白在创伤的脑组织中显著的减少。此外有学者研究发现，AQP4蛋白可能与星形细胞的形态、生长、功能有关[9-10]。Sun等[11]的研究认为，在创伤性颅脑损伤导致的脑水肿中，AQP4蛋白上调可能是引起损伤区脑水肿的主要途径和原因。已有研究发现，脑水肿在24 h达高峰，双侧大脑半球AQP4蛋白表达均降低，但伤后48 h创伤侧大脑半球降低更明显。研究还发现，基因敲除鼠模型的脑水肿明显减轻。有研究发现，降钙素相关基因肽能抑制AQP4蛋白和其信使核糖核酸，减轻脑水肿[12]。此外，最近Liu等[13]Shin等[14]的研究表明，在一定程度上通过雌激素受体调整AQP4的保持水平，对缺血性脑水肿起居中调停作用。Ding等[15]的研究表明，AQP 4与脑胶质母细胞瘤的转移和侵袭有关。Lukaszewicz等[16]研究表明，水通道蛋白激动剂或拮抗剂的缺乏并不能有助于脑水肿的消退。Sun等[11]的研究表明，AQP4的上调是引起损伤区脑水肿的主要途径和原因。Manley等[17]在大鼠水中毒和脑缺血模型两个实验中研究表明，AQP4基因剔除大鼠脑水肿程度减轻。也有相反的说法，如Oliva等[18]研究表明，抑制AQP4并不能阻止创伤后脑水肿的发展。AQP4敲除可改变雌激素对单胺类递质水平的调节作用，对纹状体内DA水平的影响尤为显著。有研究者通过研究认为，AQP4蛋白有减轻或防止NMDA诱导脑损伤的作用[19-20]。这表明水通道蛋白可能有双重作用，在早期与可能参与脑水肿的形成，中晚期则参与脑水肿的消退。以上这些研究表明，AQP4在脑组织水的调节代谢中起非常重要的功能，但目前对其功能和作用还有一些争议，其在脑水肿的作用已见上述，对其进一步的研究会揭示其真正的功能，而AQP4的研究可能为治疗脑水肿找到另一种崭新的途径。

7 展望

AQP4蛋白对各种脑水肿的作用都非常重要，但目前人们对AQP4蛋白的作用还有一些争论，对部分脑水肿可以通过抑制和增强AQP4的表达来预防和治疗脑水肿，但由于人们对AQP4的表达和调节并没有完全了解，同时关于抑制和提高AQP4蛋白会引起细胞形态功能远期变化的研究也还较少，如何抑制和增强AQP4蛋白的表达及其与其他蛋白的相互作用等也需要进一步研究。另外，AQP4蛋白在水肿期是否是一种适应性表达、甘露醇、高渗盐水、白蛋白、糖皮质激素等脱水剂药物对脑内水平衡的影响因素与AQP4的关系如何、AQP4蛋白是否还有其他的功能等问题都需要进一步研究。

总之，AQP4蛋白方面的研究可能会对预防和治疗脑水肿及脑水肿形成机制和变化的研究提供另一条有效的途径，同时可能会带来脑内其他研究的变革，如胶质瘤的迁移、浸润与AQP4的变化关系等，因此，对AQP4蛋白的研究还有很长的路要走。

[1]Wang Y，Tajkhorshid E.Nitric Oxide Conduction by the Brain Aquaporin AQP4[J].Proteins，2010，78（3）： 661-670.

[2]Verkman.Roles of aquaporins in kidney revealed by transgenic mice[J].Semin Nephrol，2006，26：200-208.

[3]Manley GT，Fujimura M，Ma T，et al.Aquaporin-4 deletion in micereduces brain edema after acute water intoxication and ischemic stroke[J].Nat Med，2000，6：159-163.

[4]Marios C，Geoffrey T，Manley，et al.Aquaporin-4 facilitates reabsorption of excess fluid in vasogenic brain edema[J].FASEB Journal，2004，18：1291-1293.

[5]Bloch O，Manley GT，Verkman.Accelerated progressionof kaolin-induced hydrocephalus in aquaporin-4 deficientmice [J].Cereb Blood Flow Metab，2004，26：1527-1537.

[6]Binder DK，Oshio K，Ma T，et al.Increased seizure threshold in mice lacking aquaporin-4 waterchannels[J].Neuroreport，2004，15：259-262.

[7]Binder DK，Yao X，Sick TJ，et al.Increased seizure duration and slowed potassium kinetics in mice lacking aquaporin-4 water channels[J].Glia，2006，53：631-636

[8]Guo QM，Iqbal S，Lon MB，et al.Progesterone administration modulates AQP4 expression and edema after traumatic brain injury in male rats[J].Experimental Neurology，2006，198（2）：469-478.

[9]Grazia PN，Antonio F.Inhibition of aquaporin-4 expression in astrocytes by RNAi determines alteration in cell morphology， growth， and water transport and induces changes in ischemia-related genes [J].The FASEB Journal，2003，17：1508-1510.

[10]周德生，陈艳，钟捷，等.水通道蛋白4与脑出血后脑水肿[J].医学综述，2010,16（12）：1767-1769.

[11]Sun MC，Honey CR，Berk，et al.regulation of aquaporin-4 in a traumia brain injury model in rats[J].Neurosurg，2003，98（3）：565-569.

[12]Strand L，Moe SE，Solbu TT，et al.Roles of aquaporin-4 isoforms and amino acids in square array assembly[J].Biochemistry，2009，48（25）：5785-5793.

[13]Liu Z，Liu Q，Cai H，et al.Calcitonin gene-related peptide prevents blood-brain barrier injury and brain edema induced by focal cerebral ischemia reperfusion[J].Regul Pept，2011，171（1-3）：19-25.

[14]Shin JA，Choi JH，Choi YH，et al.Conserved aquaporin 4 levels associated with reduction of brain edema are mediated by estrogen in the ischemic brain after experimental stroke [J].Biochim Biophys Acta，2011，1812（9）：1154-1163.

[15]Ding T， Ma YJ，Li WL，et al.Role of aquaporin-4 in the regulation of migration and invasion of human glioma cells[J].Int J Oncol，2011，38（6）：1521-1531.

[16]Lukaszewicz AC，Oyer B.Sodium and water balance and the injured brain[J].Curr Opin Anaesthesiol，201，24（2）：138-143.

[17]Manley GT，Miki F，Tonghui M，et al.Aquaporin-4 deletion in m ice reduces bra in edema after acute water intoxication and ischemic stroke[J].Nature Medicine，2000， 6（2）：159-163.

[18]Oliva AA，Kang Y，Truettner JS，et al.Fluid-percussion brain injury induces changes in aquaporin channel expression [J].Neuroscience，2011，28（180）：272-279.

[19]Shi WZ，Zhao CZ，Huang XQ，et al.Deficiency of water channel AQP4 aggravates NMDA-induced brain injury in mice [J].Zhejiang Da Xue Xue Bao：Yi Xue Ban，2011，40（2）：145-149.

[20]耿艺，刘荣耀.AQP-4与创伤性脑水肿[J].医学综述，2009,15（15）：2261-2264.