水通道蛋白在急性肺损伤中的作用机制

任 炜 赵自刚 牛春雨 (河北北方学院微循环研究所，河北 张家口 075000)

水通道蛋白在急性肺损伤中的作用机制

任 炜1赵自刚 牛春雨 (河北北方学院微循环研究所，河北 张家口 075000)

水通道蛋白;急性肺损伤

急性肺损伤(ALI)常导致急性呼吸衰竭，目前尚未完全阐明其发病机制。由于急性肺水肿是其主要病理学特点，故水在肺组织细胞内外、肺泡膜内外转运能力的强弱则成为ALI形成的关键。水转运机制主要有两种，一种是通过脂质双分子层的简单扩散，另一种是通过细胞膜蛋白质的选择性转运作用，大量证据表明这种细胞膜蛋白质的选择性转运作用是由水通道蛋白(AQPs)介导的，AQPs是肺内水转运的一个重要途径，与ALI时水的代谢和转运障碍密切相关〔1〕。本文重点对AQPs及其在ALI发病机制中的作用进行综述。

1 AQPs的分子结构及其在肺组织的表达与功能

1.1 AQPs的分子结构 AQPs主要介导自由水分子跨生物膜的转运〔2〕。AQPs是一种糖蛋白，相对分子质量约为28 000，由250～300个氨基酸残基组成;包含6个跨膜分布的右旋α-螺旋和5个螺旋间环区(A-E)，其氨基和羧基末端位于细胞膜的内表面，并且序列高度相似;疏水性的螺旋间环区B和E包含高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸序列，相互重叠的插在脂质双分子层中，形成立体的“沙漏”样结构〔3〕，中央是水分子进出的通道。完整的AQPs以四聚体形式存在，每一个AQP分子有其特异性的多肽序列，形成不同大小尺寸的膜孔，形成独立的水通道。

1.2 AQPs在肺组织的表达 迄今为止，至少发现四种AQPs在肺和呼吸道内表达〔1，4〕:AQP1表达于整个肺和呼吸道的微血管内皮细胞中;AQP3表达于大气道的上皮细胞;AQP4表达于整个气道上皮细胞;AQP5主要表达于Ⅰ型肺泡上皮细胞和黏膜下腺细胞内。这些AQPs在出生时会显著增加，并受生长因子、炎症因子、激素及渗透应力的调节。

1.3 肺AQPs的功能 肺内跨肺泡-呼吸膜的液体转运从新生儿期就开始了〔5〕，对整个肺及肺内单个细胞的生物物理检测表明，跨肺泡上皮细胞和肺血管内皮细胞对水通透性非常高;在高通透性的环境中，肺内AQP1和AQP5是渗透梯度驱动水转运的主要通道，AQPs对于维持肺的功能具有非常重要的意义。随着AQPs基因敲除小鼠的出现，可以清晰地认识AQPs在肺和呼吸道生理和病理生理状态下的作用〔6〕。研究表明〔7，8〕，肺泡腔和毛细血管内渗透性水通透的驱动力在AQP1或AQP5敲除小鼠降低了10倍;AQP1基因敲除小鼠表现出显著的跨肺泡呼吸膜渗透梯度驱动水转运能力的降低，但对肺内水的浸润影响并不大，这一过程可能更大程度上取决于细胞旁通路水的转运;AQP1联合AQP4或AQP1联合AQP5基因敲除后通透性的驱动力进一步降低;气道内AQP3和AQP4参与水的转运，但AQP敲除并没有影响气道的水合作用、表面液体层的调节作用及等渗液的吸收;AQP5敲除后，上呼吸道黏膜下腺分泌减少，但分泌液的蛋白含量显著增加。尽管AQPs在肺内渗透性驱动的水转运中扮演关键角色，但AQPs基因敲除并没有对肺的主要功能产生显著性的影响，比如肺泡液的清除能力、肺损伤后水肿液的积聚。考虑此作用可能在生理情况下，水的转运依赖于渗透压的作用可能更为主要;但在病理情况下，AQPs则发挥更为主要的作用。

2 AQPs在ALI发病机制中的作用

2.1 AQPs在内毒素性ALI中的作用 李波等〔9〕通过静脉注射脂多糖(LPS)建立内毒素性ALI模型，发现在给予LPS出现ALI后，正常表达于气道和肺泡周围毛细血管内皮细胞内的AQP1明显减少，正常Ⅰ型肺泡上皮细胞阳性表达的AQP5也显著降低;AQP3和AQP4在整个实验过程中与对照组比较未见任何差异;同样的结果应用实时定量PCR技术和蛋白印迹得到了进一步证实。钟佰强〔10〕实验也发现内毒素性肺损伤后AQP1和AQP5的表达水平下降;静脉给予糖皮质激素地塞米松后，ALI改善的同时，AQP1和AQP5也明显提高。Jiao等〔11〕报道，注射LPS后4～48 h，损伤肺内AQP1和AQP5表达显著下降，而给予类固醇激素后可部分使AQP1水平上升，但对AQP5无影响。由于AQP1主要表达于肺内微血管内皮细胞，血源性带来的损伤首先作用于内皮细胞，导致了AQP1的表达降低，进而引起跨血管壁水转运能力的降低。而AQP5表达下调表明肺泡上皮细胞受损及功能障碍，对肺泡腔内液体的清除能力的降低。可见，AQP1和AQP5在脓毒血症相关的ALI中可能扮演更重要的角色;鉴于类固醇激素或糖皮质激素的作用，推测:机体应激性的肾上腺皮质激素分泌增多及过度活化的炎症反应可能是AQPs在ALI时表达改变的关键因素。但是，AQP1和AQP5表达降低的具体机制与相关信号转导的作用还不清楚，AQP1和AQP5表达降低的后续事件也值得探讨。

2.2 AQPs在药物性ALI中的作用 Gabazza等〔12〕研究发现，气管内滴注或皮下注射博来霉素诱导的两种肺损伤的动物模型上Ⅰ型肺泡上皮细胞内AQP5的表达显著下降;AQP5基因敲除小鼠表现为肺泡壁变厚，细胞外Ⅰ型胶原沉积。Jang等〔13〕研究发现，博来霉素引起ALI时，AQP1的表达从第4天开始显著降低，而AQP5的表达在第4、7和11天时明显上升。这些结果表明，AQPs参与了药物性ALI的发生，但在药物性ALI发展过程中的确切作用还不清楚。

2.3 AQPs在病毒感染致ALI中的作用 气管内腺病毒感染往往会出现肺内炎症和水肿的产生。AQPs是水在肺内远端肺泡-呼吸膜屏障两侧转运的关键通道。因此，病毒感染后肺内水处理异常状态下AQPs的变化值得关注。Towne等〔14〕报道，AQP1和AQP5的转录和蛋白表达在腺病毒注射后的第7、14天均显著降低;免疫组织化学染色分析表明，AQP1和AQP5的表达降低并没有仅仅局限在感染局部，而是全部肺内的一种表现。因此推测，AQP1和AQP5参与了病毒性感染后水肿液渗出的过程，但其具体过程有待进一步探讨。此外，Northern印迹分析发现，病毒性损伤不单使肺AQPs表达下调，上皮钠通道(ENaC)也受到显著抑制〔15～17〕。肺泡Ⅱ型上皮细胞对钠离子的摄取主要通过位于顶端膜上的ENaC完成，随后被位于基底膜上的Na+-K+-ATP酶泵入组织间隙，ENaC在钠离子跨肺泡上皮转运过程中扮演重要作用;Towne等〔14〕实验表明，腺病毒感染的第7、14天，肺内ENaC的表达显著降低;ENaC表达下降可引起钠离子跨肺泡Ⅱ型上皮细胞转移进入肺泡间隙减少，渗透梯度的破坏导致肺泡腔内的液体不能通过AQPs进入组织间隙，因此，病毒性ALI肺水肿的形成除与AQPs有关外，还可能与ENaC表达下降有关。

2.4 AQPs在高氧性ALI中的作用 高氧性ALI晚期往往出现间质、肺泡甚至整个肺纤维化病变〔18〕。研究表明，在高氧性ALI发展过程中 AQPs功能障碍扮演重要作用〔19，20〕。岳冬梅等〔21〕对高氧性ALI动物模型的研究发现，AQP1在高氧暴露的第3天开始下降，第5、7天显著降低，但在第14天开始其表达有所回升;且AQP1下降最显著的时间段正是肺内炎性水肿发生的高峰期;高氧暴露的第14天随着AQP1蛋白表达回升，水肿液也开始逐渐消散。谭利平等〔22〕报道，高氧暴露后AQP5在肺泡Ⅰ型上皮细胞和气道分泌上皮的表达逐渐减弱，并且其表达趋势也与肺损伤的严重程度相平行，给予糖皮质激素虽然可以改善肺损伤的程度，但并不能改变AQPs的表达。这些结果强烈支持AQPs参与了高氧性ALI的发生，但具体的相关事件还有待进一步探究。

2.5 AQPs在失血性休克ALI中的作用 失血性休克状态下大约有40%会出现 ALI〔23，24〕，AQPs是否也参与失血性休克后ALI的发生，值得探讨。招伟贤等〔25〕在失血性休克联合LPS二次打击大鼠模型上发现，损伤肺内AQP1和AQP5的表达显著降低，6%羟乙基淀粉复苏后，AQP1和AQP5的表达能够得以维持;AQP1和AQP5的表达与肺内水的含量、损伤程度密切相关;结果表明，AQP1和AQP5对于维持失血性休克后肺内水的平衡具有重要意义，AQP1和AQP5表达紊乱是失血性休克引起肺水肿的主要机制之一。前期研究发现，肠淋巴管结扎减少休克后肠淋巴液回流，可减少失血-LPS二次打击、失血性休克后的 ALI〔26，27〕，但阻断休克肠淋巴液回流减少 ALI的机制是否与AQPs有关，值得进一步关注。

3 展望

尽管有大量的学者和研究关注于AQPs，但仍有许多问题有待阐明。比如，AQPs在ALI时表达变化的生物学效应是什么，AQPs表达的变化究竟是一种损伤性表现，还是一种抗损伤的代偿，AQPs在生理与病理生理条件下在肺内的分布、表达与调控的深入研究，将为以AQPs为靶点防治ALI的研究打开新视野，也可为临床ALI的治疗提供新思路。

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A

1005-9202(2015)09-2554-03;

10.3969/j.issn.1005-9202.2015.09.122

国家自然科学基金资助项目(30370561);河北省高校百名创新人才支持计划(BR2-105)

1 张家口学院

赵自刚(1974-)，男，硕士，教授，硕士生导师，主要从事创伤休克研究。

任 炜(1975-)，女，硕士，副教授，主要从事创伤休克研究。

〔2013-12-06修回〕

(编辑 杜 娟/张 慧)