丙泊酚对水通道蛋白家族影响的相关研究

李春雷，宋春雨



·综述·

丙泊酚对水通道蛋白家族影响的相关研究

李春雷，宋春雨*

颅内占位性病变、颅脑损伤、脑血管疾病和脑代谢功能障碍等均可引起脑水肿，而水通道蛋白(AQP)是控制脑水肿的重要蛋白。丙泊酚能够通过多种途径影响水通道蛋白，从而控制脑水肿，本文对丙泊酚对AQP的影响进行综述。

丙泊酚；水通道蛋白；脑水肿

0 引言

脑水肿是指由于各种原因导致颅脑组织水分增加、颅内容积增加的病理状态，是脑组织对各种致病因素的反应，脑水肿进一步发展可增加颅内压，进而损伤脑组织。目前临床上治疗脑水肿主要是应用各种脱水药物，如滤过性利尿剂、渗透性脱水剂、袢利尿剂、噻嗪类利尿剂及高张液体等，但脑水肿的发生率依然很高，当脑水肿进一步发展时可危及患者生命。丙泊酚作为一种临床上常用的静脉麻醉药，起效迅速、作用时间短、苏醒快而安全、不良反应少。随着对丙泊酚药理特性的深入了解，丙泊酚的脑保护作用得到证实，被广泛用于神经外科手术的麻醉及颅脑损伤患者的镇静[1]。有研究证明，丙泊酚可以通过调节脑组织水通道蛋白的表达[2]，从而减轻脑水肿的发生。

1 脑水肿与AQPs

1.1 脑水肿的原因和机制 脑水肿的常见原因有脑挫裂伤、颅内占位性病变、脑血管疾病和脑代谢功能障碍等。脑水肿是由于中枢神经系统血管损伤导致细胞外和细胞内水含量异常增加[3]。脑水肿的病理生理学机制可以分为两类：细胞毒性脑水肿和血管源性脑水肿。细胞毒性脑水肿多是由于脑缺血和中毒引起的。血管源性脑水肿主要由各种原因造成血脑屏障破坏，导致毛细血管通透性增加，细胞完整性破坏，水分渗出增多而积存在细胞间隙和血管周围所致。脑水肿的发生机制非常复杂，血脑屏障的破坏、脑缺血缺氧、脑内自由基增加、水通道蛋白过度表达以及神经细胞的钙超载等均可引起脑水肿的发生。

1.2 水通道蛋白家族的分类 通过作用于水通道蛋白治疗脑水肿成为近年来研究热点。水通道蛋白家族(AQPs)是一种允许水分子及一些小分子物质通过的特异性蛋白家族，人类细胞中有13种此类蛋白，而在人脑组织中主要有AQP-1 和AQP-4、AQP-9三种水通道蛋白。在中枢神经系统中，AQP-1主要表达于脉络丛上皮细胞，可能与脑脊液的形成有关，并参与调节水和离子平衡[4]。Endo等[5]在大鼠和小鼠颅内植入肿瘤细胞的实验性研究中发现，正常上皮细胞膜中没有AQP-1的表达,然而在肿瘤上皮细胞中AQP-1的表达增加。并且AQP-1在肿瘤细胞及其血管结构上是异常表达的，说明其表达水平不仅决定于特定的肿瘤细胞原点，而且决定于肿瘤在宿主动物的部位。AQP-4主要存在中枢神经系统的星形胶质细胞膜、蛛网膜下隙、血管周围的胶质细胞、室管膜细胞、脉络丛及下丘脑渗透压感受区器官[6],对颅内细胞内外水的代谢、分布和调节具有重要作用。目前研究表明，AQP-4在脑内水分代谢平衡的调节及脑水肿的病理生理中发挥着重要作用。最近，Lee等[7]在鼠中发现，AQP-4的表达受纹状体内腺苷信号的影响；AQP-4的转录调控与活化的T细胞核因子5也有关[8]。AQP-9存在于星形胶质细胞、第三脑室的脑室膜细胞、软膜下血管的内皮细胞和神经元[9]、松果体的胶质细胞。AQP-9的作用和AQP-4类似，在细胞内外水的调节和脑水肿形成中起重要作用。但是AQP-9能够清除细胞间隙堆积的乳酸，从而减轻神经胶质瘤引起的酸中毒。王东等[10]的研究也表明，AQP-9与脑水肿的形成密切相关。冉建华等[11]在对红景天苷对AQP-4在大鼠缺血性脑组织研究中发现，缺血3 h后，AQP-9在海马区、脉络丛、视上核、室旁核、大脑皮质等部位表达增加，并且随着缺血时间的延长，表达增加，脑组织水的含量在72 h达到峰值，说明AQP-9可能与脑水肿的形成有关。在病理状态下，人脑胶质瘤中AQP-1和AQP-4的高表达与脑水肿的发生发展密不可分，可能促进了水肿液的流动并参与脑水肿的形成。

李燕华等[12]用立体定向注射胶原酶的方法制作大鼠脑出血模型发现，AQP-4的表达和脑含水量的变化一致，在出血后72 h达到高峰，说明AQP-4与脑水肿的形成密切相关。

1.3 水通道蛋白家族的调节机制 AQPs的调节可以分为2种：一种是通过改变细胞上AQPs的含量，另一种是调节AQPs的活性。糖皮质激素可以使细胞膜上的AQPs含量增加，而表皮生长因子(Kertinocyte growth factor，KGF)和肿瘤坏死因子α可以从基因上控制水通道表达，降低细胞上AQP的含量。King等[13]发现，类固醇可在大鼠胎肺转录水平上诱导AQP-1的表达，皮质类固醇使胎肺AQP-1 mRNA表达增加6倍，在AQP-1启动子中存在糖皮质激素反应条件，提示内分泌激素可能参与AQP-1的表达。有研究表明，AQPs活性可通过磷酸化来调节，而AQP的磷酸化依赖cAMP。在某些因素作用下，细胞内cAMP增加，通过活化蛋白激酶A(PKA)或蛋白激酶C(PKC)途径催化水通道蛋白上的丝氨酸磷酸化，增加AQPs的活性，从而增加膜对水的通透性，促进肿瘤细胞的浸润[14]。

2 丙泊酚对AQPs表达的影响

丙泊酚能够降低脑代谢率，收缩脑血管，具有抗氧化、抑制炎性反应、抑制兴奋性氨基酸释放等诸多脑保护作用，因此被用于神经外科手术的麻醉。多项研究证明，丙泊酚通过调节AQPs的表达影响脑水肿，尤其影响AQP-4。Ding等[15]的实验证实了这一观点，丙泊酚可以明显降低大鼠TBI时损伤区脑组织AQP-4 mRNA和蛋白的表达，从而减轻脑水肿。脑缺血再灌注损伤时，血脑屏障破坏和通透性增加，脑水含量增加，导致脑水肿及神经行为功能受损。纪风涛等[16]研究发现，丙泊酚可以抑制大鼠局灶性脑缺血再灌注损伤时脑内AQP-4的表达，AQP-4表达下调可以减轻脑水肿的发生，有助于神经功能恢复，起到脑保护作用。

2.1 丙泊酚可以通过p38信号通路调节AQPs 实验动物腹腔内注射甘露醇，可使大脑皮质AQP-4表达上调，而腹腔内注射p38 MAPK抑制剂，可使甘露醇诱导的AQP-4表达下调，细胞外信号调节激酶(Extracellular signal-regulated kinase，ERK)抑制剂和c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)抑制剂则对AQP-4 mRNA和蛋白的表达无影响[17]。AQP-1结构中包含高渗反应元件，在高渗环境中，增加AQP-1的合成和减少AQP-1的降解，可以使外周组织的AQP-1表达增加。有研究发现，高渗条件对AQP-1的调节是通过对AQP-1活性的调节来实现的，由丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路的活化来介导AQPs[18]。体外研究也表明，高渗环境诱导的大鼠星形胶质细胞AQP-4表达上调能被p38 MAPK抑制剂所抑制，而EKR和JNK抑制剂则不能，提示MAPK在渗透性应激下上调AQP4表达是通过p38通路实现的。丙泊酚预处理可以抑制p38的磷酸化，使AQP-4表达下调，星形胶质细胞肿胀程度明显减轻，说明丙泊酚可以抑制AQP-4蛋白表达，减轻星形胶质细胞水肿，并且与p38信号通路有关。

2.2 丙泊酚通过PKC通路调节AQP-4 有研究显示，AQP-4表达可以通过可逆的蛋白磷酸化来调节，PKC就是其中一个短期调节蛋白[19]，水分子的渗透性可以通过PKC磷酸化而发生变化。丙泊酚可以减少培养基中肿胀细胞及死亡细胞的数量，并且PKC激活剂联合使用丙泊酚组比单纯使用丙泊酚组AQP-4的表达明显降低[20]，说明丙泊酚可能是通过介导PKC通路下调AQP-4的表达，使细胞水肿程度降低。Yamamoto等[21]研究发现，蛋白激酶可以影响AQP-9的表达，PKC激活减少AQP-9表达，PKA激活增加AQP-9表达。

2.3 丙泊酚通过高价金属离子调节AQP-4 高价金属离子(如Zn2+)可以影响AQP-4对水的渗透性[22]。丙泊酚可以在Zn2+的参与下增加脂质双分子层的流动性，通过脂质膜流动调节AQP-4集团重构，抑制AQP-4蛋白体发挥作用，阻止水分子的横向扩散[23]。

2.4 丙泊酚可以通过核转录因子κB (Nuclear factors κB，NF-κB)通路影响AQP-4的表达 NF-κB是一类具有多向调节能力的核转录因子，主要参与炎症反应、免疫反应、肿瘤的形成和转移等多种病理生理反应。TNF-α等炎性因子能够诱导AQP-4表达，同时AQP-4的表达也受NF-κB的调控。AQP-4 mRNA和蛋白水平在加入NF-κB抑制剂的培养基中下降，星形胶质细胞水肿减轻[24]。有研究发现，丙泊酚能够干扰NF-κB通路的激活，减轻AQP-4的表达，从而减轻脑水肿。Shi等[25]研究发现，丙泊酚后处理可减轻局灶性脑缺血大鼠脑组织TNF-α和NF-κB的表达，使AQP-4表达下调，减轻脑水肿，进而起到脑保护作用。

2.5 丙泊酚通过低氧诱发因子-1α (Low oxygen induced factors-1α，HIF-1α)调节AQP-4 HIF-1是诱导低氧基因和修复细胞缺氧内环境的核心调节因子，在各种低氧诱发的基因表达中起关键作用。HIF-1α可以调节脑缺血损伤时AQP-4的表达，与脑水肿的发生发展密切相关[26]。Jae等[27]研究表明，丙泊酚可以通过HIF-1α抑制AQP-4的表达，减轻脑水肿的发生，发挥脑保护作用。神经胶质瘤细胞培养过程中，AQP-1表达增加。低氧可能对水通道蛋白有影响，在低氧条件下AQP-1可能被诱导。Ding等[28]研究发现，闭合性脑损伤可引起AQP-9表达上调，并且可能与HIF-1α的大量释放有关，当药物控制HIF-1α时，AQP-9表达减少，大脑内HIF-1α诱发AQP-9的调节比体外培养星形胶质细胞缺氧下调AQP-9的表达复杂的多。

综上所述，AQPs在脑中广泛分布，能够调节细胞内外水的转运，对脑组织水分子运动的调节有重要影响。丙泊酚影响AQPs的表达，减轻脑水肿的机制目前尚不明确。进一步探索AQP家族在脑水肿表达的调控机制，有可能为脑水肿的治疗提供的新的分子靶点和方法，从而有效降低脑血管疾病的病死率和残疾率。

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Researches on the effect of propofol on aquaporins

LI Chun-lei,SONG Chun-yu*

(Department of Anesthesiology,the Second Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Harbin 150086,China)

Intracranial space-occupying lesion,brain injury,cerebrovascular disease and cerebral metabolic dysfunction can cause cerebral edema,and aquoporins (AQP) is an important protein in controlling the cerebral edema.Propofol can affect AQP through various channels and thus control brain edema.The paper reviews the effect of propofol on aquoporin pathway.

Propofol;Aquaporins;Brain edema

2016-05-02

哈尔滨医科大学附属第二医院麻醉科，黑龙江省麻醉与危重病学研究重点实验室，黑龙江省普通高等学校麻醉基础理论与应用研究重点实验室，哈尔滨 150086

国家自然科学基金青年项目(81301668)

10.14053/j.cnki.ppcr.201610025

*通信作者