P-糖蛋白在脑损伤疾病中表达变化的研究进展

王德秀，王玉良

(潍坊医学院 生理学教研室，山东 潍坊261053)

P-糖蛋白(P-glycoprotein，P-GP)是腺苷三磷酸结合盒转运蛋白家族中最早发现、研究得最为透彻的一种能量依赖性膜转运蛋白。该蛋白最初从对秋水仙碱耐药的中国仓鼠卵巢细胞中发现[1]，随后得到纯化并于1985年首次克隆了其编码基因MDR1[2]。由于P-GP 能清除进入细胞内的有害物质，因此P-GP在脑损伤疾病中的变化规律及其发挥功能的具体机制已成为当前的研究热点。

1 P-GP 编码基因与分子结构

MDR 可转录4.5 kb的mRNA，编码分子质量为170 ka的P-GP。人类的MDR 基因包括MDR1 和MDR2，在啮齿类动物中P-GP 由3个基因所编码，即mdr1a，mdr1b 和mdr2，其中，MDR1 与mdr1a 和mdr1b 编码的药物转运体大多与多药耐药有关，而MDR2和mdr2的编码产物与多药耐药无关。

P-GP的一级结构由中间的连接区以及N端和C端2个同源功能区构成，其中每个功能区均包含6个跨膜结构域和1个胞质侧的核苷酸结合结构域[3]。P-GP的二级结构由决定底物特异性有关的疏水结构域、2个物质运输通道和2个ATP 结合位点组成。整个分子连续跨细胞膜12次，于胞质内侧面形成两个亲水的环状结构。

2 P-GP的体内分布与主要功能

P-GP 广泛存在于生物体的正常组织，高表达于具有屏障和分泌功能的器官中，参与机体的分泌和解毒功能[4]。P-GP表达较多的部位是血-组织屏障，如:血脑屏障(blood brain barrier，BBB)、血睾丸屏障和血胎盘屏障[5]。生理情况下，P-GP 主要分布于肝、肾、胰腺和小肠等组织器官，在脑组织中，P-GP主要表达于BBB 毛细血管内皮细胞上，而在神经元和胶质细胞上不存在表达[6]。体外研究显示，P-GP在小胶质细胞和星形胶质细胞上也存在表达[7]。结果不同的原因可能是脑组织的固定条件不同，如在多聚甲醛固定的组织中P-GP 主要表达于星形胶质细胞，而在丙酮固定的脑组织中，P-GP则主要表达于血管内皮细胞和神经元。

不同组织中的P-GP 具有不同的功能:1)定位在肠上皮细胞上的P-GP 通过限制药物吸收而减少药物进入体内的浓度;2)分布在血-组织屏障处的P-GP 将限制药物进入一些较敏感的组织中，如大脑、睾丸和淋巴细胞;3)存在于肝细胞、胆小管上皮细胞侧膜和肾近端小管顶膜上的P-GP 将进入血液循环中的药物排泄入胆汁和尿液[8]。因此，P-GP在正常组织中的生理功能主要是将外源性物质排出至胞外，从而保护组织免受伤害。

3 P-GP在脑损伤疾病中的表达变化

3.1 癫痫损伤

癫痫状态下，P-GP 不仅在脑血管内皮细胞上表达，而且在神经元、星形胶质细胞及小胶质细胞等实质细胞中均可出现过表达的现象[9]。将脑微血管暴露在谷氨酸盐中以模拟大鼠的癫痫状态，发现在脑微血管内皮细胞上存在大量的P-GP。戊四氮点燃大鼠模型发现，P-GP在脑微血管内皮细胞以及海马CA1区、齿状回和皮质部位的神经元上存在表达。在杏仁核点燃癫痫大鼠模型中，癫痫发作1周后在海马区神经元上也出现P-GP的表达[10]。在同样模型中，可见P-GP在癫痫大鼠的皮质和海马部位表达显著增加[11]。以上结果提示，癫痫发作后，脑内P-GP表达具有明显的区域特异性和细胞特异性，主要表现在海马部位过量表达，且在内皮细胞上表达显著，在神经元、小胶质细胞以及星形胶质细胞的足突腔面也存在过表达。

表达时间上，在戊四氮点燃大鼠模型中，4 h后在海马区、齿状回以及皮质部位神经元上出现P-GP的表达高峰。红藻氨酸致痫大鼠模型中，大鼠癫痫2 h后，海马锥体细胞和丘脑的神经元上开始出现P-GP的阳性表达，6和24 h后，海马锥体细胞P-GP表达最强烈，3 d后基本消失。海仁酸致痫大鼠24 h后，P-GP 主要在海马CA3区、齿状回、嗅周皮层以及杏仁核复合体上表达增加，而且主要定位在脑血管内皮细胞、少部分胶质细胞以及神经元上[12]。提示癫痫发作24 h P-GP表达最强烈，这可能是癫痫发作24 h时，大脑缺血缺氧激活MDR 基因，使P-GP大量表达，发挥将细胞内的毒性物质排出胞外的作用[13]。

3.2 脑缺血/再灌注损伤

目前P-GP在脑内表达的研究主要集中在生理状态下，脑缺血后P-GP的表达部位和表达水平研究报道不多。大脑中动脉永久闭塞模型(MCAO)大鼠脑缺血30 min后，皮层BBB 处微血管上即可出现P-GP表达，6 h后表达仍增加[14]。缺血1 d后，缺血周围区的皮质及纹状体内大量血管出现P-GP阳性表达，并随时间延长而增加，3 d 达高峰[4]。在缺血15 d后，海马CA1区微血管内皮细胞P-GP的表达水平降低，一直持续到30 d[15]。可见，在MCAO 永久闭塞模型的脑缺血早期(3 d 内)，皮质BBB 处的血管内皮细胞上最早出现P-GP的表达，继而在缺血周围区的皮质及纹状体的血管上表达，这可能是早期脑缺血导致代谢废物含量增多，使P-GP表达在短时间表现为升高;而在后期(15～30 d)，由于脑组织血管再生(建立侧枝循环)以及大脑本身的自我修复，细胞内的代谢废物含量已经下降，P-GP表达随着这些伤害刺激减小而降低。

MCAO 缺血再灌注模型大鼠再灌注后2 h，可见BBB 处血管内皮细胞上的P-GP表达升高且持续到22 h[16]，在缺血损伤侧皮质、纹状体的血管内皮细胞和神经元上也出现了P-GP的阳性表达，6 h 达到高峰，之后降低至24 h表达消失。采用短暂结扎双侧颈总动脉5min 建立脑缺血再灌注损伤模型，再灌注7 d 可见海马区血管及胶质细胞上大量P-GP的阳性表达。本实验室在双侧颈总动脉反复夹闭再通复制的血管性痴呆模型发现，缺血再灌后15 d，海马CA1区神经元上出现P-GP的表达，30 d时表达明显增多。这些结果提示缺血再灌注模型大鼠，再灌注早期在BBB 处血管内皮细胞、缺血损伤侧皮质、纹状体的血管内皮细胞和神经元上都有P-GP的一过性表达;而再灌注后期(7 d 或更长时间)，可能由于继发性缺血损伤对脑组织的损伤，导致海马区神经元上P-GP的大量表达。

在自发性高血压大鼠中，远端中脑和同侧颈总动脉串联闭塞，基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析显示，缺血1 h后大脑缺血半影区的P-GP表达下降[17]。同样，大鼠脑缺血2 h 分别再灌15、30和60 min后，Western blot显示缺血半球区的P-GP表达也显著降低[18]，以上结果中P-GP表达水平差异的原因不清楚，可能是由于实验采用的动物模型、研究方法、所观察区域和抗体不同所致，而且这些结果多采用短期实验，而对模拟血管性痴呆等慢性疾病的动物模型，脑内P-GP表达及相关指标的长期动态变化还需要进一步研究。

3.3 其他疾病脑损伤

研究发现，不同疾病条件下，BBB 上P-GP的表达是不同的，甚至是截然相反的。如在化疗药耐药、癫痫(前面已论述)、精神病等情况下，患者脑内P-GP的表达较高，而在认知功能障碍、神经系统变性病患者脑内P-GP的表达则明显减少[19]。糖尿病大鼠BBB 上P-GP的表达量低，BBB的功能下降，大脑的内环境紊乱，这表明P-GP 可能与大鼠生存能力下降、智力减退有某种关系。还有实验发现，体内的P-GP 活性随年龄增长呈下降趋势，这可能与变性病的发生有某种关系[20]。

4 展望

P-GP在体内广泛表达，主要分布在脑内BBB的毛细血管内皮细胞、神经元和胶质细胞上。作为膜上的转运蛋白，P-GP 主要负责将细胞内的代谢废物及外来的化学物质排出胞外，维持脑组织微环境的稳态。近年来，由于脑肿瘤和脑血管疾病等中枢神经系统疾病的发病率不断增加，P-GP的外排功能和作用机制研究越来越受重视，然而P-GP 发挥转运功能的具体机制、不同疾病状态下的表达情况以及与其他转运蛋白和某些因子的相互作用尚未清楚，值得深入研究，这对于认识中枢神经疾病的发病机制和新药开发等具有重要意义。

[1]Juliano RL，Ling V.A surface glycoprotein modulating drug permeability in Chinese hamster ovary cell mutants[J].Biochim Biophys Acta，1976，455:152-162.

[2]Riordan JR，Deuchars K，Kartner N，et al.Amplification of P-glycoprotein genes in multidrug-resistant mammalian cell lines[J].Nature，1985，316:817-819.

[3]Loo TW，Bartlett MC，Clarke DM.Human P-glycoprotein contains a greasy ball-and-socket joint at the second transmission interface [J].J Biol Chem， 2013， 288:20326-20333.

[4]杨力，闫航，杨蕾，等.P-糖蛋白在永久性脑缺血大鼠脑内的表达[J].神经解剖学杂志，2013，29:228-232.

[5]Cascorbi I.P-glycoprotein:tissue distribution，substrates，and functional consequences of genetic variations[J].Handb Exp Pharmacol，2011，261-283.

[6]Bankstahl JP，Bankstahl M，Kuntner C，et al.A novel positron emission tomography imaging protocol identifies seizure-induced regional overactivity of P-glycoprotein at the blood-brain barrier [J].J Neurosci， 2011， 31:8803-8811.

[7]Kumar A，Tripathi D，Paliwal VK，et al.Role of P-glycoprotein in refractoriness of seizures to antiepileptic drugs in lennox-gastaut syndrome[J].J Child Neurol，2015，30:223-227.

[8]董玲玲，郭荔，戴小华，等.P-糖蛋白在健康猪肝脏、肾脏和肠组织中的分布及其mRNA 相对转录水平[J].畜牧兽医学报，2013，44:1454-1461.

[9]Aronica E，Sisodiya SM，Gorter JA.Cerebral expression of drug transporters in epilepsy[J].Adv Deliv Rev，2012，64:919-929.

[10]毛诗贤，冯亚梅，楚兰，等.杏仁核点燃癫痫大鼠P-糖蛋白及苔藓纤维出芽变化的研究[J].中华神经医学杂志，2013，2:657-660.

[11]Ma A，Wang C，Chen Y，et al.P-glycoprotein alters blood-brain barrier penetration of antiepileptic drugs in rats with medically intractable epilepsy[J].Drug Des Devel Ther，2013，7:1447-1454.

[12]余年，狄晴，胡勇，等.核因子-κB 对癫痫大鼠脑P-糖蛋白表达的调控作用[J].中国神经免疫学和神经病学杂志，2011，18:5-9.

[13]Li Y，Chen J，Zeng T，et al.Expression of HIF-1α and MDR1/P-glycoprotein in refractory mesial temporal lobe epilepsy patients and pharmacoresistant temporal lobe epilepsy rat model kindled by coriaria lactone [J].Neurol Sci，2014，35:1203-1208.

[14]Cen J，Liu L，Li MS，et al.Alteration in P-glycoprotein at the blood-brain barrier in the early period of MCAO in rats[J].J Pharm Pharmacol，2013，65:665-672.

[15]刘红，宋修涛，卢岩，等.电针对MCAO 模型大鼠海马CA1区P-GP表达的影响[J].山东中医药大学学报，2010，34:260-262.

[16]Fang W，Lv P，Geng X，et al.Penetration of verapamil across blood brain barrier following cerebral ischemia depending on both paracellular pathway and P-glycoprotein transportation[J].Neurochem Int，2012，62:23-30.

[17]Yano K，Takimoto S，Motegi T，et al.Role of P-glycoprotein in regulating cilnidipine distribution to intact and ischemic brain[J].Drug Metab Pharmacokinet，2014，9:254-258.

[18]Chong Y，Wang T，Wang W，et al.Down-regulation of Pglycoprotein expression contributes to an increase in Danshensu accumulation in the cerebral ischemia/reperfusion brain[J].Mol Med Rep，2012，5:812-816.

[19]Lee CA，Cook JA，Reyner EL，et al.P-glycoprotein related drug interactions:clinical importance and a consideration of disease states[J].Expert Opin Drug Metab Toxicol，2010，6:603-619.

[20]Guo M，Bughio S，Sun Y，et al.Age-related P-glycoprotein expression in the intestine and affecting the pharmacokinetics of orally administered enrofloxacin in broilers[J].PLoS One，2013，8:e74150.doi:10.1371/journal.pone.0074150.