水通道蛋白1、3、4和5与急性肺损伤关系的研究进展Advance research on relationship between aquaporins 1,3,4,5 and acute lung injury

刘笑玎,原铭贞,王司仪,刘相良,梁豪君,高 歌,李 波,董春玲

(1.吉林大学基础医学院人体解剖学系,吉林长春 130021;2.吉林大学第二医院呼吸内科,吉林长春 130041)

水通道蛋白1、3、4和5与急性肺损伤关系的研究进展Advance research on relationship between aquaporins 1,3,4,5 and acute lung injury

刘笑玎1,原铭贞1,王司仪1,刘相良1,梁豪君1,高 歌1,李 波1,董春玲2

(1.吉林大学基础医学院人体解剖学系,吉林长春 130021;2.吉林大学第二医院呼吸内科,吉林长春 130041)

急性肺损伤(ALI)的显著病理生理学表现为非心源性肺水肿。在多种因素诱导的肺损伤和其他非心源性肺水肿的发生进展中,水通道蛋白1、3、4和5(AQP1、3、4、5)发挥了重要作用,尤以AQP1和AQP5为主。应用基因技术发现在ALI中AQP1、3、4和5在细胞迁移、黏蛋白产生等过程和核转录因子κB(NF-κB)和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路中均有参与。多种因素能够干预AQP1和AQP5的表达进而加重或减轻肺水肿。AQP1在ALI的胸水形成中尚发挥一定作用。本文主要从ALI中AQP1、3、4和5在蛋白质水平和基因水平上的参与、多种因素干预以及胸膜水通道蛋白几方面进行综合论述。

水通道蛋白;急性肺损伤;肺水肿

急性肺损伤(acute lung injury,ALI)及其严重形式急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)表现为与严重炎症和弥漫性肺泡损伤有关的急性呼吸衰竭[1]。目前ALI/ARDS发病机制尚未完全阐明,其病死率仍高达40%以上[2]。ALI最主要的病理特征为非心源性肺水肿,而水通道蛋白(aquaporins,AQPs)则被证实与肺水清除密切相关。研究[3-4]表明:分别敲除小鼠水通道蛋白1(AQP1)和水通道蛋白5(AQP5)基因对肺泡毛细血管间压力性水渗透抑制达10倍;在腺病毒感染或脂多糖(LPS)诱导的ALI动物模型中,肺组织AQP1和AQP5的表达显著减少[5]。

1 AQP1、3、4和5的分子结构、特性、功能和分布

1986年,Benga[6]在红细胞膜上发现了第1个水通道蛋白(WCP)。1988年,Peter Agre分离出该蛋白并将其命名为aquaporins,缩写为AQPs。AQPs是一个同源性的跨膜蛋白家族,其成员相对分子质量均约为30 000。迄今为止,在哺乳动物体内总共发现了13种亚型(AQP0～AQP12)。AQPs属于膜内在蛋白,由同源四聚体组成,浆膜内有由天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸组成的共有基序(NPA),组成通道孔道的主要部分。AQPs表达于多种上皮、内皮及其他组织上,能够帮助水在不同渗透梯度间的跨膜转运[7]。

存在于支气管和肺组织中的AQPs有AQP1、AQP3、AQP4和AQP5。AQP3除具有水转运能力外,还能够转运甘油[8]。啮齿类动物中,AQP1分布在肺泡、气道、脏胸膜和壁胸膜的上皮下层微血管内皮细胞和红细胞中[9]; AQP3分布在大气道和鼻咽基底内皮的基底外侧膜;在人类的小气道亦有分布;AQP4则在支气管、气管和鼻咽上皮的纤毛柱状细胞的基底外侧膜表达;AQP5在Ⅰ型肺泡上皮的顶膜和黏膜下层腺体的腺泡上皮顶膜中表达[10]。

2 ALI时AQP1、3、4和5在蛋白质水平上的表达

AQP1主要分布在血管内皮,AQP5主要分布在Ⅰ型肺泡上皮细胞。尽管AQP1和AQP5分布呈现细胞特异性,但在一个完整的气血屏障中,AQP1和AQP5共同发挥着作用,因此许多研究均围绕这二者共同展开。AQP3和AQP4分布在气道上皮细胞,而肺损伤主要以肺泡病变为主,因此在肺损伤中,对气道处的AQP3和AQP4研究较少。

2002年有关ALI的研究[5]发现:AQP1和AQP5表达下调,提示AQP1和AQP5与肺水肿的形成有关。之后的很多研究[11-13]表明:在多种因素诱导的肺损伤和其他非心源性肺水肿的发生进展中,AQP1和AQP5均发挥了重要作用。目前已知AQP1和AQP5在气血屏障中发挥的功能主要包括:出生前和成年时期肺泡液体转运,气体(CO2)交换,急性或亚急性肺损伤时肺水容量调节。

近年研究[14-15]发现,在急性胰腺炎(severe acute pancreatitis,SAP)和急性肾脏损伤(acute kidney injury, AKI)引起的肺损伤中,AQP1和AQP5的表达均下调。Jin等[16]研究发现:在LPS诱导的弥散性血管内凝血(disseminated intravascular coagulation,DIC)中,给大鼠静脉注射LPS后4～12 h AQP5表达明显下调,而DIC大鼠肺水肿的形成则发生在6～12 h,表明DIC时肺水肿的形成可能与AQP5下调有关。另外,在老年小鼠肺部,AQP1 和AQP5的表达下降50%左右[17],提示在研究ALI中AQPs的表达变化时还应考虑年龄因素。且AQP1和AQP5的表达在同样有肺水肿症状的其他疾病中与ALI有所不同:在哮喘患者肺组织中AQP1和AQP5的表达显著增高,从而引起气道黏膜下水肿加剧[9]。在肺挫裂伤的研究[18]中, AQP1的表达亦逐渐升高,引起肺水肿加剧,这些结果提示:AQPs本身并无方向性,一些因素的干预既可能使其症状加重,亦可能使其症状缓解,这点在干预研究中应当注意。

虽然以往的研究证实AQP3或AQP4的缺乏对肺部液体的清除并无显著影响,但参考2012年Dong等[19]在有关哮喘的研究中发现AQP3表达显著上调,而AQP4、AQP1 和AQP5表达下调的结论,提示AQP3可能在ALI的肺水清除中起消极作用。

AQP4在气道以外Ⅱ型肺泡上皮细胞有少量分布:在油酸诱导的ALI中,AQP4 mRNA的表达上调,而且能够被MAPK信号转导通路的抑制剂U0126所抑制[20],提示研究肺部MAPK信号通路中AQP4的作用可能对ALI有一定的价值,但具体机制尚不明确。在其他系统中AQP4在MAPK信号通路中的作用已有许多证据,可对肺部的研究提供一定的参考:星形胶质细胞上,p38抑制剂能够抑制AQP4表达[21];神经系统中,缺血再灌注样损伤能够激活MAPK信号通路,引起浆膜AQP4过表达,该表达又可被人类促红细胞生成素(erythropoietin,EPO)抑制[22]。

3 ALI中AQP1、3、4和5在基因水平上的表达

应用基因技术研究AQP1、3、4和5在ALI中的作用已有多年历史,几乎每年均有新的发现。由于迄今为止仍未发现AQPs的直接抑制剂,因此对AQPs功能特点的研究主要来源于AQPs基因敲除动物与野生型动物的对比。以往研究[4]表明:肺部AQP1基因缺失小鼠,当灌注液静水压急性升高时肺部积水会降低2倍以上。近年来有关AQP1基因缺失模型的研究[23]发现:AQP1的功能不仅局限于水的转运,亦可通过Lin-7/β-连环蛋白反应参与细胞迁移。Verkman等[24]研究证实:AQP1对水的通透性已经成为角膜细胞迁移的一种决定因素。近年对肺部AQP5基因缺失模型的研究同样有新的发现。在铜绿假单胞杆菌(PA)诱导的急性肺损伤中,AQP5基因缺陷小鼠表现出细菌血液播散程度和肺损伤程度的加重[12],肺部的黏蛋白产生减少以及PA感染后丝裂原激活蛋白激酶和NF-κB通路的活性降低[25]。这一系列变化提示从NF-κB信号通路研究AQP5也是未来的研究方向之一。与AQP1类似,AQP5也参与了细胞迁移。有研究[26]表明:RNA干涉(RNA interference,RNAi)可使49.4%AQP5基因沉默,导致细胞对水通透性降低,细胞迁移减少55.3%,肿瘤细胞侵袭能力下降28.4%。Gao等[27]用小干扰RNA(siRNA)使大鼠肺部小窝蛋白1(caveolini-1,Cav-1)基因表达沉默,引起AQP1和AQP5的表达下降超过60%,同时还直接导致了肺水肿的发生。这提示Cav-1可能参与AQP1和AQP5的上游信号通路,未来针对AQP1和AQP5的干预措施可同时参考Cav-1的变化。

AQP3基因缺失小鼠在细菌性腹膜炎模型中表现出细胞吞食功能受损,受到趋化因子刺激时迁移能力减弱,水和甘油的通透性降低,三磷酸腺苷(ATP)储存减少[28-29]。虽然有研究[29]证实AQP4确实与脑水肿关系密切,但在肺部AQP4基因敲除对水的渗透及肺泡液体清除却并无影响[]。

4 ALI时多种因素对AQP1、3、4和5表达水平的干预

ALI时AQPs的干预仍然以AQP1和AQP5为主。多种药物可以调节肺损伤过程中AQP1和AQP5的表达。地塞米松能够通过上调AQP1的表达增强肺水转运的作用,且还有很多药物具有与地塞米松类似的作用。丹参酮ⅡA可降低海水吸入性肺损伤引起的AQP1和AQP5表达升高[30];多巴胺能够通过增加AQP1和AQP5的表达增强肺水重吸收[31];丹酚酸B能够减弱LPS诱导的肺损伤中肺组织内AQP1和AQP5的下调及炎症反应[32];川穹嗪能够通过上调AQP1、AQP5和Cav-1的表达有效缓解肺损伤[33];血红素氧合酶可以增强H2O2损害的大鼠Ⅱ型肺泡上皮细胞上AQP1的表达,同时降低其凋亡率,其机制可能与HO-1抗氧化的性质有关[34];但是具体的机制尚未阐明。环氧酶-2(COX-2)催化类花生酸如前列环素等物质的生成,进而引起ALI时形成肺水肿。而COX-2抑制剂能够减弱肺损伤(大潮气量通气引起)中炎症介质的产生和AQP1下调[35]。用青天葵预处理能够促进AQP2和AQP5的表达上调[36]。而在高原暴露(HAE)引起的肺损伤中,AQP1和AQP5在蛋白质和m RNA水平均有所下降,但是可以明显地被高压氧预适应(HBO2P＋HAE)所缓解[37]。研究[38]表明:在ALI中,血管生成素Ⅱ(AngⅡ)能够直接或通过炎症介质下调肺组织中AQP1 m RNA的表达。2012年Deng等[39]揭示了该机制:LPS诱导的ALI中,AngⅡ抑制了肺泡液体清除,通过表达血管紧张素Ⅰ型受体使α上皮钠通道(α-ENaC)发生调节障碍,导致肺泡灌流以及肺水肿。可以推测AQP1与AT1受体之间可能的关系。另外,在哮喘中,各种平喘药物(地塞米松、氨溴索、特布他林)也通过上调AQP1和AQP5减轻肺水肿,由此亦可见这2 种AQPs在肺水清除中具有普遍意义[19]。

5 胸膜的水通道蛋白

虽然ALI是以肺水形成为主要特征,但ALI时也常有胸膜腔积液发生,而胸水的形成和清除与AQP1有一定的关系。液体被不断地分泌入胸膜间隙,同时又不断地被清除,正常情况下二者维持在平衡状态。当发生阻塞性心力衰竭、ALI和肺水肿时,分泌速率大于清除速率,胸膜间隙内的液体就会积聚,形成胸水[40]。在胸膜的血管间皮细胞上有AQP1表达,同时有钠离子通道存在于胸膜表面,这二者在胸水的形成与清除过程中关系密切。有研究[41-42]表明:AQP1主要影响胸膜间隙重量渗透浓度,而钠离子通道主要影响等渗液体浓度。但有关ALI时胸水的形成与清除的研究少见报道。

6 展 望

目前针对AQPs在呼吸系统功能的研究均是通过基因敲除或过表达的动物模型或基因缺陷的人类来确定的。因此,如果未来能够发现AQPs抑制剂则在很大程度上可简化研究方法。肺损伤中,AQP1、AQP5与AQP4的表达变化恰好相反,但其中的机制仍不清楚。当前并没有研究阐明ALI时AQPs作用的完整通路,但已发现一些相关证据: ALI中有多种因素如Cav-1、β2受体和COX-2等均与AQPs表达的变化存在时间上的先后关系;多种药物同时干预AQPs与其他因素,如:AngⅡ作用于AQP1和α-ENaC,多巴胺作用于AQPs和β受体等。一些相关研究[20,22]提示:AQPs很有可能参与NF-κB这一经典通路。近年的芯片技术(CHIP)研究提示:AQPs的表达变化可能是上游的一个活化步骤,能够通过影响其他物质的活化和其他反应而影响肺水转运。但目前并无针对AQPs的较为完整的深入研究。虽然基因敲除等研究[13,41,43]表明:AQPs在全身的作用主要就是转运水以及甘油等物质,但并非代表AQPs仅仅在水的转运上发挥作用。目前已经发现AQP1和AQP5对细胞迁移有作用,其他可能的作用也可成为未来研究中需要关注的重点。多种药物对AQPs表达的调节在未来可能成为治疗肺水肿乃至其他水盐平衡紊乱疾病的方法,比如无毒性抑制剂的使用,或采用适当剂量的干预药物。但这些仅仅停留在动物水平,仍需要更广泛的实验和临床性研究。

[1]Guo WA,Knight PR,Raghavendran K.The receptor for advanced glycation end products and acute lung injury/acute respiratory distress syndrome[J].Intensive Care Med,2012, 38(10):1588-1598.

[2]Beasley MB.The pathologist’s approach to acute lung injury[J].Arch Pathol Lab Med,2010,134(5):719-727.

[3]Ma T,Fukuda N,Song Y,et al.Lung fluid transport in aquaporin-5 knockout mice[J].J Clin Invest,2000,105(1): 93-100.

[4]Bai C,Fukuda N,Song Y,et al.Lung fluid transport in aquaporin-1 and aquaporin-4 knockout mice[J].J Clin Invest, 1999,103(4):555-561.

[5]Jiao G,Li E,Yu R.Decreased expression of AQP1 and AQP5 in acute injured lungs in rats[J].Chin Med J,2002,115(7): 963-967.

[6]Benga G.Foreword to the special issue on water channel proteins(aquaporins and relatives)in health and disease: 25 years after the discovery of the first water channel protein, later called aquaporin 1[J].Mol Aspects Med,2012, 33(5/6):511-513.

[7]Gonen T,Walz T.The structure of aquaporins[J].Quarterly Rev Biophysics,2006,39(4):361-396.

[8]Ishibashi K,Hara S,Kondo S.Aquaporin water channels in mammals[J].Clin Exp Nephrol,2009,13(2):107-117.

[9]Ablimit A,Hasan B,Lu W,et al.Changes in water channel aquaporin 1 and aquaporin 5 in the small airways and the alveoli in a rat asthma model[J].Micron,2013,45(1):68-73.

[10]Borok Z,Verkman AS.Lung edema clearance:20 years of progress:invited review:role of aquaporin water channels in fluid transport in lung and airways[J].J Appl Physiol,2002, 93(6):2199-2206.

[11]Shen Y,Wang Y,Chen Z,et al.Role of aquaporin 5 in antigen-induced airway inflammation and mucous hyperproduction in mice[J].J Cell Mol Med,2011,15(6): 1355-1363.

[12]Zhang ZQ,Song YL,Chen ZH,et al.Deletion of aquaporin5 aggravates acute lung injury induced by Pseudomonas aeruginosa[J].J Trauma,2011,71(5):1305-1311.

[13]Zhang D,Vetrivel L,Verkman AS.Aquaporin deletion in mice reduces intraocular pressure and aqueous fluid production[J].J General Physiol,2002,119(6):561-569.

[14]Wang F,Huang H,Lu F,et al.Acute lung injury and change in expression of aquaporins 1 and 5 in a rat model of acute pancreatitis[J].Hepato-gastroenterology,2010, 57(104):1553-1562.

[15]Ma T,Liu Z.Functions of aquaporin 1 and alpha-epithelial Na＋channel in rat acute lung injury induced by acute ischemic kidney injury[J].Int Urol Nephrol,2013,45(4):1187-1196.

[16]Jin Y,Yu G,Peng P,et al.Down-regulated expression of AQP5 on lung in rat DIC model induced by LPS and its effect on the development of pulmonary edema[J].Pulmonary Pharmacol Therap,2013,26(6):661-665.

[17]Zhang YW,Bi LT,Hou SP,et al.Reduced lung water transport rate associated with downregulation of aquaporin-1 and aquaporin-5 in aged mice[J].Clin Exp Pharmacol Physiol, 2009,36(7):734-738.

[18]Yuan J,Chen Y,Cheng LB.Changes of aquaporins 1 expression in the contused lung of rats[J].Fayi Xue Za Zhi, 2009,25(2):85-87.

[19]Dong C,Wang G,Li B,et al.Anti-asthmatic agents alleviate pulmonary edema by upregulating AQP1 and AQP5 expression in the lungs of mice with OVA-induced asthma[J].Respir Physiol Neurobiol,2012,181(1):21-28.

[20]Chen CL,Li TP,Zhu LH.Effect of MAPK signal transduction pathway inhibitor U0126 on aquaporin 4 expression in alveolar typeⅡcells in rats with oleic acid-induced acute lung injury[J].J Southern Med Univ,2009,29(8):1525-1528.

[21]Yang M,Gao F,Liu H,et al.Hyperosmotic induction of aquaporin expression in rat astrocytes through a different MAPK pathway[J].J Cell Biochem,2013,114(1):111-119.

[22]Tang Z,Sun X,Huo G,et al.Protective effects of erythropoietin on astrocytic swelling after oxygen-glucose deprivation and reoxygenation:mediation through AQP4 expression and MAPK pathway[J].Neuropharmacology, 2013,67(1):8-15.

[23]Monzani E,Bazzotti R,Perego C,et al.AQP1 is not only a water channel:it contributes to cell migration through Lin7/ beta-catenin[J].PLoS One,2009,4(7):e6167.

[24]Ruiz-Ederra J,Verkman AS.Aquaporin-1-facilitated keratocyte migration in cell culture and in vivo corneal wound healing models[J].Exp Eye Res,2009,89(2):159-165.

[25]Musa-Aziz R,Chen LM,Pelletier MF,et al.Relative CO2/ NH3selectivities of AQP1,AQP4,AQP5,Amt B,and Rh AG[J].Proceed National Acad Sci U S A,2009, 106(13):5406-5411.

[26]Chen Z,Zhang Z,Gu Y,et al.Impaired migration and cell volume regulation in aquaporin 5-deficient SPC-A1 cells[J].Respir Physiol Neurobiol,2011,176(3):110-117.

[27]Gao C,Li R,Huan J,et al.Caveolin-1 siRNA increases the pulmonary microvascular and alveolar epithelial permeability in rats[J].J Trauma,2011,70(1):210-219.

[28]Zhu N,Feng X,He C,et al.Defective macrophage function in aquaporin-3 deficiency[J].FASEB J,2011,25(12):4233-4239.

[29]Strohschein S,Huttmann K,Gabriel S,et al.Impact of aquaporin-4 channels on K＋buffering and gap junction coupling in the hippocampus[J].Glia,2011,59(6):973-980.

[30]Li J,Xu M,Fan Q,et al.TanshinoneⅡA ameliorates seawater exposure-induced lung injury by inhibiting aquaporins (AQP)1 and AQP5 expression in lung[J].Respir Physiol Neurobiol,2011,176(1/2):39-49.

[31]Wu XM,Wang HY,Li GF,et al.Dobutamine enhances alveolar fluid clearance in a rat model of acute lung injury[J].Lung,2009,187(4):225-231.

[32]Lin F,Liu YY,Xu B,et al.Salvianolic acid B protects from pulmonary microcirculation disturbance induced by lipopolysaccharide in rat[J].Shock,2013,39(3):317-325.

[33]Wang G,Chen HL,Ren F,et al.Expression of Cav-1, AQP1 and AQP5 in lung of acute pancreatitis-associated lung injury rats and the therapeutic role of Qingyitang[J].Zhonghua Yi Xue Za Zhi,2010,90(36):2564-2569.

[34]Wang YH,Chen M,Wu Y,et al.The effect of heme oxygenase-1 on apoptosis and aquaporin-1 expression in typeⅡprimary alveolar epithelial cells in rat[J].Zhonghua Wei Zhong Bing Ji Jiu Yi Xue,2013,25(6):351-355.

[35]Jin LD,Wang LR,Wu LQ,et al.Effects of COX-2 inhibitor on ventilator-induced lung injury in rats[J].Int Immunopharmacol,2013,16(2):288-295.

[36]Xu YJ,Chen YB,Wang LL.Effect of Nervilla fordii on lung aquaporin 1 and 5 expression in endotoxin-induced acute lung injury rat[J].Chin J Integrated Traditional Western Med, 2010,30(8):861-866.

[37]Li Z,Gao C,Wang Y,et al.Reducing pulmonary injury by hyperbaric oxygen preconditioning during simulated high altitude exposure in rats[J].Trauma,2011,71(3):673-679.

[38]Cao CS,Yin Q,Huang L,et al.Effect of angiotensinⅡon the expression of aquaporin 1 in lung of rats following acute lung injury[J].Chin Critical Care Med,2010,22(7):426-429.

[39]Deng J,Wang DX,Deng W,et al.The effect of endogenous angiotensinⅡon alveolar fluid clearance in rats with acute lung injury[J].Canadian Respir J,2012,19(5):311-318.

[40]Verkman AS.Aquaporins in endothelia[J].Kidney Int, 2006,69(7):1120-1123.

[41]Jiang JJ,Bai CX,Hong QY,et al.Effect of aquaporin-1 deletion on pleural fluid transport[J].Acta Pharmacol Sinica, 2003,24(4):301-305.

[42]Jiang J,Hu J,Bai C.Role of aquaporin and sodium channel in pleural water movement[J].Respir Physiol Neurobiol,2003, 139(1):83-88.

[43]Verkman AS.Role of aquaporins in lung liquid physiology[J].Respir Physiol Neurobiol,2007,159(3):324-330.

R563

A

2013-09-30

国家自然科学基金资助课题(81100030);吉林省科技厅科技发展计划项目资助课题(20130522022JH);吉林省中医药管理局项目资助课题(2012-135);吉林大学科学前沿与交叉学科创新项目资助课题(450060491515);吉林大学创新训练项目资助课题(2012A71198,2012C71312)

刘笑玎(1992－),女,吉林省长春市人,在读医学硕士,主要从事呼吸病学方面的研究。

李 波(Tel:0431-85619466,E-mail:lbo＠jlu.edu.cn);董春玲(Tel:0431-88796820,E-mail:dongchunling＠gmail.com)

1671-587Ⅹ(2014)05-1119-04

10.13481/j.1671-587x.20140541