心脏水通道蛋白1、4、7 参与心肌水液代谢的病理生理研究进展△

汪庆玲，谭春江

（福建中医药大学中西医结合研究院，福州 350122）

提要：水通道蛋白（aquaporins，AQPs）是顺渗透压差或浓度梯度进行跨膜水转运的小分子蛋白家族，目前在哺乳动物中发现了13 种亚型（AQP0～AQP12）。心肌水肿，是多种心脏疾病病理生理过程中常见的病理现象，研究发现心脏AQPs 参与其中。应激状态下，心脏AQPs 蛋白表达的改变，通过一系列途径影响心肌水液代谢，进一步影响心功能。目前，以肾脏和大脑组织中AQPs 研究较多，关于心脏中AQPs 的研究较少；心脏中AQP1、AQP4、AQP7 较多。因此，本文拟从心脏AQP1、AQP4、AQP7 在心肌水肿中的病理生理研究进展进行综述。

水通道蛋白（aquaporins，AQPs）作为一类广泛分布于生物体内的小分子跨膜水转运蛋白家族。在哺乳动物中，AQP 家族有13 个（AQP0～AQP12）独特成员，广泛分布于全身各个组织器官，其分布和表达存在种属、器官、组织特异性，各亚型彼此协调共同维持机体水液代谢平衡。根据AQPs 的功能特点，可分为水选择型（AQP0、AQP1，AQP2、AQP4、AQP5、AQP6、AQP8）、水甘油型（AQP3、AQP7、AQP9、AQP10）及超级皮质素型（AQP11、AQP12）。目前在人、大鼠、小鼠心脏中均检测到AQP1、AQP4、AQP7、AQP11 mRNA 和蛋白表达。

1 心肌水液代谢与水通道蛋白

在心肌组织中，水主要通过磷脂双分子层、离子通道或底物转运蛋白、AQPs 三种途径进行跨细胞转运。心肌缺血、缺血再灌注损伤、心肌炎症或其他疾病等，往往导致心肌水肿现象。根据病因不同，可分为血管性水肿和细胞毒性水肿。如体外循环、败血症、炎症级联反应等，可引起微血管渗透性病理变化，水液从毛细血管进入血管周围组织，形成血管性水肿；当组织局部缺血、缺氧时，心肌细胞主要进行无氧糖酵解，引起胞内乳酸超载、渗透压升高，水液内向性渗透导致细胞毒性水肿［1］。

AQPs 对心肌组织水液代谢具有重要作用。在生理条件下，从毛细血管进入心肌间质的水，1/3 经AQPs 转运。病理条件下，水运输主要由内皮细胞AQPs 执行。当心肌组织水代谢紊乱出现心肌水肿时，可影响细胞氧化磷酸化，进一步引起心脏的缩舒功能障碍。除了作为通道转运水及溶质之外，AQP 还可以间接地通过细胞溶质和细胞外液的离子组成变化来影响心脏电生理［2］。可见心脏AQPs 对心肌组织的水液代谢及心功能具有重要作用。

2 水通道蛋白1

AQP1 主要位于人心肌细胞膜及微血管内皮细胞中，在心肌微血管内皮细胞中表达高于心肌细胞。AQP1 除了对水具有高度选择性外，还可介导尿素、氧、氨、H2O2、一氧化氮、一氧化碳等小分子物质的转运［3］。依赖AQP1 跨膜转运的水量约占心肌AQPs 运输总水量比例的20%～30%。研究发现，心肌梗死、缺血再灌注损伤、缺血缺氧、体外循环等引起的心肌细胞水液代谢紊乱的病理生理过程中均涉及到AQP1 的上调或下调。

2.1 水通道蛋白1 上调的机制

多项研究表明，AQP1 上调会导致心肌水肿。在烫伤大鼠中，心肌的含水量与AQP1 表达成正比［4］；同时发现，在心肌梗死小鼠模型中，AQP1 表达上调具有时间依赖性特点，上调后能促进小鼠心肌水肿［5］。而与正常小鼠相比，AQP1 基因敲除小鼠体内，由心肌梗死引起的心肌水肿程度降低［6］。与假手术组和AQP1 抑制组相比，AQP1 在小鼠横向主动脉缩窄后引起的心肌水肿中表达上调［7］。同样在小鼠主动脉缩窄术后，心肌水肿与AQP1表达上调密切相关，而抑制AQP1 可减轻心肌水肿，并改善心功能［8］。此外，山羊体外循环发现心肌水肿与AQP1 mRNA、蛋白表达上调时间一致，初始AQP1 表达逐渐下调，6 h 出现最低，48 h 后达到峰值。AQP1 抑制剂组与正常组相比，心肌含水量未发现明显差异，提示心肌水肿与AQP1 表达上调有关［9］。以上可见，在动物心肌梗死、体外循环等模型中，AQP1 表达上调能引起心肌水代谢紊乱，加剧心肌水肿。

2.1.1 水通道蛋白1 与颈上神经节/环鸟苷酸通路 有研究发现，在山羊体外循环实验中，通过颈上神经节（superior cervical ganglion，SCG）/环 鸟苷 酸（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）信号通路，可激活AQP1 引起心肌水肿。AQP1 末端模拟了与cGMP 磷酸二酯酶结合的关键残基，这些关键残基的定点诱变使cGMP 激活阈值降低，从而使AQP1 基本不被激活响应，其中，酪氨酸tyr253 磷酸化是调节AQP1 对cGMP 敏感性的主要开关之一［10］。

2.1.2 水通道蛋白1 与缺氧诱导因子-1α 缺氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）是细胞在缺血、缺氧等条件中呈现高表达的核蛋白。在心肌梗死大鼠心肌组织中发现AQP1、HIF-1α表达较假手术组明显升高，且与心肌水肿严重程度相关［11］。同时有研究发现AQP1 基因序列与HIF-1α结合位点的共有序列相同，两者是单分子级联一部分，低氧环境诱导血管内皮细胞AQP1 mRNA 表达上调时需HIF-1α激活［12］。因此，心肌缺血缺氧时可能通过诱导HIF-1α上调，激活AQP1 转录增加从而引起心肌水液代谢紊乱。

2.1.3 其他机制 除此之外，有研究证实可能存在其他机制参与AQP1 依赖性心肌水代谢紊乱。大鼠缺血再灌注、体外循环引起的心肌损伤，以及缺氧高渗透环境下血管内皮细胞AQP1 表达上调加剧的组织水肿，可能与环腺苷酸（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）/蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）、小分子多肽EpK、P38 丝裂原活化蛋白激酶、磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/丝氨酸-苏氨酸激酶（serine-threonine kinase，Akt）信号通路等的快速激活有关［13］。AQP1大量表达于细胞膜上，可能充当着细胞膜上的压力感受器，AQP1 的存在，可赋予细胞对渗透压变化更高的敏感性，渗透压增加可使AQP1 分子结构发生扭曲，这种构象改变，翻译成细胞内信号形成信号转导通路［14］，激活下游信号分子，引起心肌水肿。也有学者发现，羊体外循环引起的心肌水肿中，心肌间隙连接蛋白（connexin43，Cx43）不同时间节点表达趋势与AQP1 表达相反。提示Cx43 可能参与AQP1 表达的调控，一起参与心肌水肿［9］。

大量研究证实，心肌损伤、缺血缺氧会引起心脏AQP1异常表达，慢性心力衰竭患者病情急性恶化刺激垂体，激活肾素-血管紧张素-醛固酮系统，抗利尿激素、精氨酸加压素释放增加，引起肾脏AQP1、AQP2 上调，水重吸收增加进一步引起水钠潴留［14］，血浆渗透压改变和心脏前后负荷增加，损伤心肌细胞，可能导致心脏AQP1 异常表达，影响心肌水液代谢。

2.2 水通道蛋白1 下调的可能机制

有研究发现，人血管内皮细胞长期处于缺血、缺氧环境中时，引起AQP1mRNA 和蛋白表达下调［15］。其原因可能是由于缺血期间供能不足，AQP1 蛋白合成减少，是机体形成的一种能量保护机制。其中包括缺氧再灌注时，不同基因（如微小RNA-214）信号通路被激活，可能作用于AQP1 的潜在结合位点，引起AQP1 下调［16］。

与健康对照组相比，脂多糖败血症患者血清中AQP1 mRNA 的表达降低，伴随脂多糖失调的炎症反应和心功能障碍，并发现长链非编码RNA H19 过表达能刺激AQP1 上调并改善心功能［17］。此外，在脾虚大鼠模型中发现，其心脏AQP1 和葡萄糖转运蛋白-1 的mRNA 及蛋白表达量较正常大鼠低，提示脾虚困湿在生物学基础上可能与AQP1表达量有关［18］。但二者具体下调机制尚不明确。考虑到不同研究的实验方法、实验操作等存在差异，因此猜测AQP1 表达趋势不同还可能受种属、模型、检测时间点、检测方法等影响。

3 水通道蛋白4

AQP4 主要在人心肌细胞膜及血管内皮细胞表达，其介导的水运输量为AQP1 的24 倍，已知与脑水肿的形成密切相关。根据蛋氨酸的位置不同，AQP4 可分成M1 和M23两种亚型，M1 孔隙较M23 少，渗透性低于M23。通过影响两种亚型的含量比，可以影响细胞的膜渗透性。在缺血脑组织中，主要发现AQP4-M1 亚型表达上调，而AQP4-M23 上调不明显［19］。此外，AQP4 还可进行翻译后修饰，影响其转运功能。

3.1 水通道蛋白4 上调引起心肌水肿

AQP4 参与各种因素引起的心肌水肿。缺血再灌注损伤实验中发现，AQP4 基因敲除小鼠的心肌梗死面积与对照组相比明显变小［20］，与幼龄小鼠相比较，在老年小鼠心脏中发现AQP1 和AQP4 蛋白表达显著增加，影响老年小鼠水代谢［21］。同时，在心肌梗死的小鼠模型中，发现不同缺血的时间点AQP4 mRNA 表达水平也不同，其表达水平与缺血梗死形成的水肿面积密切相关，梗死1周后，AQP4表达水平达到峰值，提示AQP4 参与了心肌水肿的病理生理过程［22］；此外，AQP4 表达水平还受血浆渗透压的影响，瞬时高渗透灌注，会促使AQP4 mRNA 和蛋白表达下调［23］；在急性心肌缺血大鼠模型中，同样发现心脏AQP4 表达上调［24］；有研究证实，心肌损伤时AQP4 表达上调，引起后续一系列病理变化最终影响心脏功能［25］。

3.2 水通道蛋白4 上调机制

3.2.1 通过介导钙离子紊乱促使心肌水肿 研究发现，AQP4 介导调控细胞体积变化可能与瞬时感受器电位离子通道4（transient receptorpotential vanilloid 4，TRPV4）有关，TRPV4 作为钙渗透敏感性通道，可与AQP4 结合，完成对钙渗透的敏感性，敲除AQP4 后，TRPV4 对钙渗透敏感功能受损，钙离子转运异常并引起细胞体积改变［26］。Cheng等［20］发现，AQP4 基因敲除小鼠的促炎因子ETA、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶、磷酸化蛋白激酶∈（phosphorylated protein kinase ∈，pPKA∈）表达上调，Cx43 降低，引起钙调控蛋白FKBP506 结合蛋白12.6（FKBP506 binding protein 12.6，FKBP12.6）、肌浆网钙泵（sarco-endoplasmic reticulum ATPase 2a，SERCA2a）、储钙蛋白2（calsequestrin 2，CASQ2）表达下调，导致钙离子泄露，心肌细胞内游离钙超载，引起心肌细胞死亡；异丙肾上腺素诱导的小鼠心肌损伤实验中，与野生型小鼠相比，AQP4 敲除鼠左心室质量指数增加、心肌炎症更显著，伴随着氧化应激生物标志物、炎症因子上调和钙处理蛋白紊乱［27］，以上提示AQP4表达调节与促炎因子、钙调蛋白和Cx43关系密切。

3.2.2 其他机制 He 等［25］发现，抑制HIF-1α，可下调大鼠心脏AQP4 的表达，减少心肺复苏心功能的损伤，提示HIF-1α与AQP4 表达存在关联。

采用富氢水体外循环，可依赖PI3K/Akt 通路降低大鼠乳酸脱氢酶，肌酸激酶同工酶MB，白细胞介素（interleukin，IL）-1β，IL-6，肿瘤坏死因子-α，丙二醛和髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）的浓度，增强超氧化物歧化酶的释放，抑制心脏AQP4 上调，改善心肌水肿［13］，从而减轻体外循环造成的心肌损伤。这些结果表明，AQP4 蛋白表达上调，可能与PI3K/Akt 通路有关。

此外，还发现AQP4 在T 淋巴细胞上表达，小分子抑制剂AER-270 阻断AQP4 后，可部分通过减少T 细胞的激活、增殖和转移，减少供体反应性T 细胞应答，提高小鼠心脏移植存活率［28-29］，提示AQP4 可能通过调节T 细胞活化和功能影响心肌细胞的凋亡。

4 水通道蛋白7

人心肌组织是AQP7 分布第二大组织（脂肪组织最多），AQP7 在心脏中的表达量低于AQP1 和AQP4，其亚细胞定位尚存在争议。AQP7 的主要功能是参与细胞的能量代谢，运动和高蛋白饮食会引起其上调［30］。同时也作为水、尿素、甘油、嘌呤等分子的转运通道，但对水的渗透性低于AQP1。AQP7 是人心肌中唯一的甘油通道，为心脏活动提供三磷酸腺苷能量底物［31］。AQP7 表达下调，提示心肌能量不足，代谢降低。

4.1 水通道蛋白7 上调引起心肌水肿

在烫伤大鼠中发现，水肿的心肌组织AQP7 mRNA 和蛋白表达上调［4］；与正常心肌细胞相比，在缺氧诱导的人心肌细胞中发现，AQP1、AQP4、AQP7 基因和蛋白表达均出现明显上调，下调AQPs 可提高缺氧复氧心肌细胞耐受性和存活率［32］；冠状动脉旁路移植术引发的心肌水肿中同样发现AQP7 表达上调。此外，小鼠心脏缺血再灌注模型中心脏AQP7 表达也出现上调［33-34］。因此有学者认为AQP7 可作为心肌组织水肿和损伤的替代标志物。

4.2 水通道蛋白7 上调机制

能量匮乏在心力衰竭形成过程中具有重要影响，心肌能量不足易出现水液代谢失衡，形成心肌水肿。水肿的心肌细胞引起氧扩散障碍，能量代谢减慢，而AQP7 的上调，可能是代偿性作用以增加甘油转运，提高能量供应；另一方面，上调的AQP7 可能增加水渗透性，进一步加重心肌水肿。二氮嗪（线粒体KATP-通道开放剂）可通过打开KATP-通道改善冠状动脉旁路移植术后患者的心肌水肿，同时下调其高表达的AQP7，提示AQP7 表达量可能受心肌水渗透影响，与水肿严重程度相关［34］。小鼠缺血再灌注损伤模型中发现心脏AQP7 表达上调，使微小RNA（microRNA-292-5p）下调可激活核激素受体——过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs），并通过PPAR-α/PPAR-γ信号通路保护缺血再灌注心肌损伤，同时下调AQP7 的表达。因此，推测PPAR-α/PPAR-γ信号通路可能与AQP7 表达之间存在关联［33］。

5 水通道蛋白亚型相互关系

生理状态下，心脏中AQP1、AQP4、AQP7 的相对表达量因动物种属差异而出现不同，共同维持着心肌水液代谢平衡；大量研究发现，心肌水肿时AQP1、AQP4、AQP7 均出现表达异常，以响应各种因素引起的机体应激状态下的水液代谢。在AQP 基因敲除动物模型中发现，AQP1 敲除小鼠心脏中伴随着AQP4、AQP7 及主动脉中AQP7 的代偿性上调［35］。此外有研究发现，与正常组相比，AQP7 敲除小鼠脂肪组织毛细血管中AQP1 表达无明显差异，而长期饥饿会引起AQP7 敲除鼠中的AQP1 表达量较正常鼠显著上调［36］。以上提示机体需要不同AQP 亚型的相互作用以保持生理病理状态下适当的水动态平衡。

6 展 望

AQP1、AQP4、AQP7 是存在于心脏心肌细胞和血管内皮细胞中的跨膜转运蛋白，共同协调参与心脏的生理病理水液代谢。目前，关于心脏AQPs 与水代谢关系的研究，主要集中于病理状态下的心肌水转运与AQPs 表达之间的关系。大量研究结果表明，心肌水肿时，心脏AQP1、AQP4、AQP7 均出现不同程度的表达上调，其中AQP1 的表达情况随实验动物模型、实验方法不同而结果不同，其原因目前尚无定论。由于相关研究有限，且主要集中于动物实验，关于心脏AQP1、AQP4、AQP7 的表达与心肌水代谢的关系，各亚型之间的相互影响，以及AQPs 上调的病理生理机制还有待进一步探究。随着对心脏AQPs 研究的深入，相信可为针对AQPs 干预的新药研发提供新方向。