TRPV4在中枢神经系统中的作用研究进展

许 威

华中科技大学同济医学院附属协和医院胰腺外科，湖北 武汉 430022

瞬时感受器电位离子通道香草素受体4(TRPV4)，也称香草素受体，是TRP阳离子通道的瞬时受体电位(TRP)超家族的一员，是一种非选择性阳离子通道，主要对Ca2+可渗透。TRPV4最先被确定为Ca2+渗透性的非选择性阳离子通道[1-2]，但现在被认为是一种多模式的离子型受体，是对Ca2+、K+、Mg2+和Na+可渗透性的非选择性阳离子通道。TRPV4可被多种刺激激活，包括物理因素(细胞肿胀[1-7]，热刺激[7-11]和机械刺激[5，12-15])，内源性和外源性化学因子(内源性大麻素[16]，花生四烯酸及其代谢产物[16-18])，4α-佛波酯及其代谢产物[19]，GSK1016790A[20])，和酸(pH<6)[21]。TRPV4作为一个渗透压感受器[1-2，7，22]和温度感受器，可被无害性温度(27～35 ℃)激活[1-2]。TRPV4广泛的生物学功能与中枢神经系统在生理和病理条件下的多个过程密切相关。因此，本综述旨在总结TRPV4在中枢神经系统中的作用。

1 TRPV4的结构

TRPV4单体具有穿过脂质双分子层的六次跨膜α螺旋(S1-S6)，其NH 2和COOH末端位于细胞质中。TRPV4的NH2末端具有富含脯氨酸的区域，其在介导pacsin-3的作用中发挥重要作用；TRPV4的COOH末端区域维持通道蛋白折叠、成熟和运输，其COOH区域与微管相关蛋白-7相互作用，允许离子流动的孔位于S5和S6结构域之间[1]。

2 TRPV4的表达

TRPV4在人体中具有广泛的分布，在多个组织中发现了其存在，包括皮肤、肾脏、肝脏、膀胱上皮和脑[1，23-24]。在哺乳动物中，TRPV4在周围器官，椎板末端器官(OVLT)和穹窿下器官(SFO)以及其他地方都有表达[2，23]。以前的研究显示TRPV4在神经元、内皮细胞、小胶质细胞和星形胶质细胞中均有表达[25-29]。在星形胶质细胞中，TRPV4的表达可见于生理[29]和病理情况下[30]。TRPV4富含在新皮层表层和星形胶质细胞末端的星形胶质细胞血管终足，并且它在脑和脑外液体空间之间的交界处的星形胶质细胞膜中特别丰富[24]。最近，TRPV4也被发现表达于少突胶质前体细胞(OPCs)中并能促进少突胶质前体细胞的增殖[31]。随后，TRPV4被发现在包括软骨在内的几个骨骼肌肉组织中表达并与其功能相关，包括软骨[32-34]，骨[35-36]和滑膜[37-39]。此外，TRPV4在海马神经元中高表达，并在体外生理性温度下控制神经元兴奋性[25，40]。TRPV4在感觉组织如耳蜗毛细胞、Merkel 细胞和感觉神经节中检测到[2，8]。由于TRPV4的广泛表达和多种刺激激活，可能发挥多种生理作用。在TRPV4敲除小鼠上的研究表明，该通道在调节身体渗透压、机械感觉、温度感知、血管调节，可能还有听力方面发挥重要作用。

3 TRPV4 维持CNS的平衡

稳态可以简单地定义为是能帮助系统将其参数维持在正常值范围内的属性。体内平衡有利于其正常的生理功能，它对生命至关重要；体内平衡失调会导致疾病，甚至死亡。中枢神经系统通过控制和调节体温、细胞外液体的pH、渗透压和离子浓度来维持稳态。TRPV4敲除小鼠的脑细胞体积调节紊乱，导致水肿形成增加[41]。TRPV4存在于中枢神经系统的神经元和胶质细胞中，可作为中枢神经系统稳态的传感器，在维持中枢神经系统稳态的许多关键过程中发挥重要作用。

4 TRPV4 在神经元和胶质细胞中的作用

TRPV4通道已经发现在星形细胞中有表达。这些通道表达于星形胶质细胞的质膜，在选择性激动剂的作用下被激活并表现为典型的外向整流阳离子电流[29]。研究表明星形胶质细胞可以调节海马、皮质和下丘脑的神经元兴奋性，而TRPV4可能在这种兴奋中起关键作用[28，42]。在体外，可在生理性温度下激活，并通过调节静息膜电位从而控制神经元的兴奋性[25，40，43]。星形胶质细胞对水的调节对脊椎动物中枢神经系统的功能起着至关重要的作用。星形胶质细胞离子/水的稳态机制的紊乱可能导致不可逆的代谢损伤，包括水中毒、肝脏疾病、癫痫、糖尿病、中风、神经退行性疾病和机械创伤等多种脑病。在中枢神经系统中，星形胶质细胞以神经元活性依赖的方式通过将神经元活性高的部位多余的神经活性物质(如谷氨酸或K+离子)清除到细胞外空间(ECS)来维持离子和水的稳态，从而调节神经元活性和脑内稳态[44]。而这个过程与TRPV4有关。

其他研究表明，TRPV4可能与水通道蛋白4 (aquaporin-4，AQP4/TRPV4)形成复合物，在星形胶质细胞中起控制细胞体积的作用，参与调节脑间质张力，同时也参与脑水肿的形成[45]。星形胶质细胞体积调节通过渗透传感、钙离子信号传导和水转运的综合作用，由TRPV4/AQP4相互作用组成的分子系统进行微调。当分子系统过度活跃时，就会引发病理肿胀[46]。

5 TRPV4作为CNS的渗透压感受器

渗透性稳态是中枢神经系统的重要生理参数之一。控制渗透调节的主要区域是血管周围的终足、心室周围器官、内视前区和室旁核。TRPV4被渗透压激活，并在哺乳动物中枢神经系统的心室周围器官中表达[4]。TRPV4还富集于大脑与脑外液体空间交界面的星形胶质细胞膜中，参与星形胶质细胞的渗透感觉，在脑容量稳态中发挥关键作用[29]。在病理情况下，星形胶质细胞体积增大，星形胶质细胞具有调节其体积的特殊机制。这种机制被称为星形胶质细胞的调节性容积回缩(RVD)，是一个保护细胞免受病理肿胀损伤的关键过程，是由细胞体积的增加，细胞膜张力的机械刺激激活TRPV4后引起Ca2+涌入以及渗透物的流出其次是通过水通道蛋白4(AQP4)渠道的水运动，从而导致细胞体积减少。因此，星形细胞肿胀引起的Ca2+通过TRPV4通道内流被认为是星形胶质细胞调节性容积回缩的触发因素[45-46]。

与野生型的同窝鼠相比，是否使用高渗盐水，TRPV4敲除小鼠喝水更少且渗透压变得更高，同时高渗后血浆抗利尿激素水平明显降低。此外，TRPV4敲除小鼠全身低渗是通过注射抗利尿激素类似物dDAVP引起的，尽管肾对水的重吸收能力未见明显异常。也就是说，在TRPV4敲除小鼠，对高渗和低渗刺激的反应均受到了损害[4]。TRPV4敲除小鼠对渗透压[47-48]、低渗和轻度高渗[49]等伤害刺激的反应能力下降。因此，TRPV4的功能是检测渗透性和机械性刺激。

6 TRPV4作为CNS的温度感受器

发现环境的变化并作出相应的调整对动物的生存至关重要。在恒温动物中，恒定的体温对大脑的正常运作至关重要。TRPV 4通道在包括视前区(POA)在内的多个脑区表达，视前区是体温调节的关键神经部位[8]。在视前区中，TRPV4激动剂GSK1016790A的使用降低了体温(Tb)，而其拮抗剂RN1734增加了体温。说明视前区中的TRPV4在热调节中发挥重要作用[50]。温度敏感的神经元存在于中枢神经系统，尤其是下丘脑前庭，被局部升温或降温特异性激活，同时接受来自周围的热相关输入[8]。TRPV4在皮肤角质形成细胞中大量表达，有趣的是，在TRPV4 敲除小鼠中，温度引起的电生理电流在角质形成细胞中缺失[8，10]。TRPV4的激活是生理温度下神经元兴奋性和行为的一个重要决定因素[43]。目前的动物实验表明，TRPV4敲除小鼠海马神经元需要更大的去极化才能激发动作电位[25]，这表明在正常体温下，正常的神经元兴奋性需要TRPV4的基础活性。因此，通过TRPV4对大脑温度检测系统的破坏，极有可能使其失去良好的神经兴奋性，并可能导致类似精神分裂症的异常行为。

在热梯度上，与野生型同窝小鼠相比，TRPV4敲除小鼠在地板温度升高时表现出热选择行为。然而，野生型小鼠无法区分30 ℃和34 ℃地板温度的差异。此外，TRPV4 敲除小鼠对34 ℃表现出明显的偏好，并且在急性尾加热时表现出较长的撤退延迟。值得注意的是，在爪子炎症后，TRPV4敲除和野生型小鼠在热梯度上表现出类似的行为变化。在温暖的环境中，昼夜体温波动和体温调节在不同基因型之间也难以区分。因此，体内正常的热反应需要TRPV4[51]。

7 TRPV4在缺血中的作用

通过TRPV4流入的Ca2+参与了与各种神经元和神经胶质病理生理学相关的中枢神经系统疾病，如缺血。脑缺氧/缺血(H/I)后，CA1区海马星形胶质细胞中TRPV4的表达明显增强，这种表达的增加与星形胶质细胞增生的发生发展相一致[30]。在海马锥体神经元中，TRPV4的激活增加了N-甲基-d-天冬氨酸受体(NMDAR)的功能，这可能促进谷氨酸兴奋毒性，而阻断TRPV4通过阻止NMDA介导的谷氨酸兴奋毒性，对脑缺血损伤具有显著的神经保护作用[52]。在海马中，TRPV4的激活通过下调PI3K/Akt和上调p38 MAPK信号通路导致细胞凋亡，这一过程涉及脑缺血性损伤[53]。TRPV4通道在大鼠海马星形胶质细胞中强烈表达，参与氧化应激诱导的细胞损伤。Aβ40可以激活海马星形胶质细胞TRPV4通道，以Ca2+-和氧化应激-依赖性的方式导致神经元和星形胶质细胞损伤[54]。

8 TRPV4在癫痫中的作用

TRPV4在神经元中的功能和表达与癫痫密切相关。在结节性硬化症患者(TSC)的皮质中，TRPV4蛋白水平显著上调，在异常细胞(dysplastic neural，DNs)和巨细胞(giant cells，GCs)中有特殊的分布。定位于神经丝蛋白(NF200)阳性神经元和胶质纤维酸性蛋白(GFAP)阳性反应星形胶质细胞，且与谷氨酸能和GABA能神经元共定位。此外，TRPV4的重要上游分子蛋白激酶C(PKC)而非蛋白激酶A (PKA)的蛋白水平在皮层结节中明显升高[55]。在局灶性皮质发育不良(FCD)患者中，其TRPV4和PKC蛋白水平明显升高。TRPV4染色在FCD的异常增生皮质中较强，主要见于神经元微柱和畸形细胞[56]。因此，TRPV4的过表达和分布模式可能与TSC和FCD引起的难治性癫痫有关。在斑马鱼幼体前脑中，TRPV4通道拮抗剂RN-1734或NMDA谷氨酸受体拮抗剂六氢烟碱酸和NO-711阻断了电记录的癫痫发作，但GABA再摄取抑制剂MK-801和艾芬地尔阻断了电记录癫痫发作。热激活的TRPV4通道和增强的NMDA受体介导的谷氨酸传递与高热诱发的癫痫发作有关[57]。

9 TRPV4在神经源性炎症中的作用

TRPV4的激活与炎症和促炎细胞因子的增加密切相关。渗透压的改变引起的TRPV4的激活，导致促炎细胞因子IL-1β和IL-6在椎间盘细胞中的表达增加，表明增加的TRPV4导致促炎细胞因子的释放增加[58]。在体外和体内，TRPV4触发主要促炎介质的分泌，如趋化因子和生物活性脂质，以及中性粒细胞的招募[59]。TRPV4敲除减弱了酸诱发的急性肺损伤的功能、组织学和炎症特征。通过预防性使用TRPV4抑制剂GSK2193874，也获得了类似的保护。TRPV4缺乏症可阻止中性粒细胞对促炎刺激的反应，包括活性氧的形成、中性粒细胞粘附和趋化，这些可能是由于Rac活化减少所致[60]。使用TRPV4拮抗剂GSK2193874抑制了LPS诱发的促炎细胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6的增加，这表明阻断TRPV4大大减少了细胞因子在败毒症发展过程中的产生[61]。碱诱导的TRPV4活化有助于诱导纤维化和炎症。敲除TRPV4可增加促炎和单核细胞趋化蛋白-1趋化基因的表达[62]。

蛋白酶活化受体-2 (PAR2)是由4个G蛋白偶联受体(GPCRs)组成的家族成员，具有独特的活化机制。蛋白酶在par的胞外N端结构域内分裂，揭示与分裂受体结合并激活的受配体[63]。PAR2由角质形成细胞[64]和伤害感觉神经元[65]表达。中性粒细胞弹性蛋白酶裂解PAR2，导致Gαs介导的cAMP的形成、TRPV4激活、伤害感受神经细胞的致敏，炎症和疼痛[66]。组织蛋白酶S (Cat-S)裂解PAR2在独特的位点E562T57，导致Gαs介导的cAMP的积累和TRPV4依赖的炎症和疼痛[67]。在培养的胶质细胞中，敲除TRPV4能减少IL-1β、TNF-α的水平，减弱神经元凋亡，减少TRPV4介导的Ca2+流入和NF-κB核易位。通过使用各种各样的拮抗剂，结果表明钙调蛋白和蛋白激酶C信号通路参与TRPV4触发的 NF-κB激活[68]。

10 结论与展望

TRPV4最早发现于2000年，是一种Ca2+渗透性强的非选择性阳离子通道。TRPV4在不同细胞、组织和系统中的作用在过去18年中已经被逐渐发现。根据目前的发现，已知TRPV4在中枢神经系统中广泛表达，包括神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞和内皮细胞。在中枢神经系统中，它在多个稳态过程中发挥作用，包括渗透传感和热传感。然而，TRPV4的激活和上调与缺血、癫痫和神经源性炎症有关。因此，靶向TRPV4或其上游信号通路将会成为治疗这些疾病的好方法。