体外循环术中水通道蛋白改变对机体重要脏器的影响

李艺萱，刘晋萍

机体内环境维持高度依赖水在全身的分布、酸碱平衡和电解质水平。 近年来，水通道蛋白（aquaporins，AQPs）在机体水平衡过程中的作用已成为一个倍受关注的领域。 AQPs 是跨细胞和跨上皮水运动起主要作用的蛋白，对水的跨膜运输和调控有重要作用。 体外循环（extracorporeal circulation， ECC）是一种非生理循环，期间由于手术创伤、管路刺激、低温、主动脉阻断、心脏停跳和复跳、输血等操作引起的机体强烈炎症反应、缺血缺氧再灌注损伤以及血流动力学改变等不良后果，很容易打破体内水平衡状态。 研究ECC 期间各系统AQPs 的变化规律，可为ECC 期间体液失衡不良反应现象提供理论依据， 指导临床更好的调节机体内环境的水稳态， 提高围术期对液体平衡的管理，达到更好的预后。

1 水通道蛋白的概述

目前哺乳动物质膜上发现13 种的AQPs 介导水跨细胞转运，它们在膜中以同型四聚体的形式聚集，四聚体中的单体包含一个水孔和六个跨膜α-螺旋结构域，能选择性允许水或部分不带电荷挥发性小分子有方向性的沿渗透梯度通过［1-3］。 目前分有三类AQPs，第一类仅进行单一水渗透称为经典AQPs，包括AQP0、AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6和AQP8；第二类转运水和小分子同源物AQPs 称为水-甘油AQPs，包括AQP3、AQP7、AQP9 和AQP10；第三类为不同于前两类的相关AQPs，仅AQP11、AQP12 两种，称“超水AQPs”或“非正统AQPs”［4］。

2 AQPs 对机体重要脏器的影响

2.1 对心血管系统的影响 已在人和小鼠的心脏基因水平上检测到AQP1、AQP4、AQP7 和AQP11。在山羊体外实验中，在缺血、缺氧和停搏液条件下导致心肌组织含水量增加，同时发现AQP1 和AQP4表达均增加，可能是由于microRNA-214 下调起作用。 心脏手术还会导致术后心肌顿抑和心肌水肿，即使在间质区域少量水分增加也会导致心肌收缩力显著降低［5］。 ECC 缺血和再灌注损伤过程中许多心脏病变，都与心脏组织中的液体增加有关。 ECC术后约2 h 心脏AQP4 基因表达增加，心肌水肿程度达到峰值［6］。 同时研究表明AQP1 和AQP4 可能对年龄相关性高血压的发展和心脏缺血的趋势有重要预测作用。 ECC 产生的刺激对新生儿和婴儿比成人更加剧烈， 液体更容易通过毛细血管膜，更易发生普遍的水肿和毛细血管微血管蛋白渗漏［7］。AQP4 的缺失在急性心肌缺血再灌注中具有保护作用，缺血再灌注后AQP4 基因缺失的KO 小鼠与野生型小鼠相比梗塞面积显著减小，该分子可能成为未来急性心肌梗死治疗以及ECC 过程中心肌保护的有效靶点［8］。 研究发现富氢溶液抑制AQP1 表达可能对各种疾病有治疗作用，二氮嗪线粒体三磷酸腺苷敏感剂的开放钾离子通道，降低了心房组织中AQP7 的表达，减少ECC 手术期间的心肌水肿［9］。

2.2 对呼吸系统的影响 气道和肺的表面广泛存在各类AQPs 促进水的选择性和快速双向运动。AQP1 主要在微血管内皮中表达，AQP4 在气道上皮中表达，AQP5 广泛在肺泡上皮表达，AQP3 在呼吸道及基底膜中表达，AQP8 和AQP9 在肺组织中也有表达，但其具体细胞定位还不清楚［10］。 机械通气的潮气量和暴露时间将会影响AQPs 的表达，高潮气量可诱发加重肺水肿，AQP1 和AQP5 均在高潮气量条件下表达降低且随着机械通气暴露时间的延长而增加［11-12］。 在ECC 条件下激活炎症细胞、加速释放的炎性因子，打破了AQPs 控制支气管扩张的释放和支气管收缩的去除液体分泌的平衡，诱导急性肺损伤出现明显的水肿［13］。 ECC 低温刺激细胞因子的释放更明显，有着更广泛的内皮损伤和内皮激活，由于上游促炎细胞因子肿瘤坏死因子-α 的信号作用，AQP5 表达在基因水平上减少了2 倍，在蛋白水平上减少了10 倍［14-15］。 敲除气管、支气管以及肺泡上皮细胞表面AQP4 及AQP5 可发现细胞外离子组成的改变，渗透压以及成分变化刺激肺对胆碱能产生过度快速气道反应［16］。 AQP1 和AQP5表达的上调明显有助于ECC 术中氧气和红细胞携氧的调控，促进氧气通过血气屏障，缓解肺部炎症，减弱油酸或脂多糖诱导的肺损伤［17］。

2.3 对泌尿系统的影响 大量的研究表明AQPs

对尿浓度和体液稳态很重要，AQP1 在近端小管、降细支和降直血管细胞中表达，有助于近端小管的水重吸收和肾渗透梯度的形成。 AQP2 主要在集合管主细胞的顶膜和胞内小泡中表达，AQP2 的顶膜表达受抗利尿激素精氨酸加压素调节［18］。 而ECC 过程中微环境改变例如渗透压、酸碱度和流体剪切力等因素也影响AQPs 对肾脏的水转运。 大量的胶体预充后，血浆胶体渗透压过高还降低肾脏的有效滤过率，不利于水的排出，如出现高钠血症和低血容量血症的情况，血管加压素通过血管加压素Ⅱ型受体从胞内转移到肾集合管的顶膜诱导AQP2 表达［19］。当体液环境处于极端酸碱平衡失调时，AQP6 表达会在长期碳酸氢盐碱性溶液环境培养的大鼠体内显著上调，AQP6 透水性被迅速激活并伴有选择性的氯化物作用［20］。 酸性pH 下，代谢性酸中毒大鼠尿AQP2 排泄量减少，而肾脏AQP2 基因和蛋白表达增加，血管加压素与受体的结合亲和力降低。 此外，尿碱化与尿外体AQP2 排泄量增加有关，而尿外体排泄量增加与血管加压素刺激无关［21］。 ECC 过程中的血流控制和血液保护最大限度的保持红细胞的稳定，除了分子氧外，一氧化氮通常也会与血红蛋白结合并起反应，血液中一氧化氮是动静脉血液中由一氧化氮合酶介导生成的内皮衍生松弛因子，调节血管紧张度和体液稳态，在肾脏中影响内皮细胞和球旁器官，保护局部血流并减少近曲小管中的液体和钠重吸收，防止缺血-再灌注损伤［22］。 在体外实验中，一氧化氮和心钠素都增加了集合管中的降钙素基因相关肽而刺激主细胞的AQP2 易位，这一过程是通过蛋白激酶体外AQP2 丝氨酸256 残基磷酸化实现的［23-24］。

2.4 对神经系统的影响 AQP4 在面向脑血管和软脑膜的星形胶质细胞末端大量表达，其表达水平和亚细胞定位显著影响脑水转运。 AQP4 被认为与早期脑水肿形成过程中脑血流量减少有关，在磁共振图像上的信号强度以及区域变化中观察到AQP4 参与脑缺氧缺血早期的细胞肿胀和脑水肿。 研究发现短时间的ECC 大脑左右两侧受干扰程度基本相同，结束后逐渐恢复正常，ECC 以及主动脉阻断时间越长，导致水肿程度越大，也愈加发展成为不可逆水肿，并且这种反应还取决于大脑的成熟程度［25］。AQP4 在血管源性水肿的脑水清除中起有益作用，但在细胞毒性水肿和加剧细胞肿胀中起有害作用［26］。 对敲除脑AQP4 的小鼠发生水中毒和局灶性脑缺血的观察表明，在血管源性水肿中，水独立于AQP4 进入脑实质，但通过AQP4 离开脑，阻断AQP4 功能可降低水肿形成率并提高存活率，同时增加AQP4 的功能可以加快水肿消除［27］。 AQPs 表达上调剂的使用将增强细胞外水肿液体的吸收，与皮质类固醇联合使用，能够更快地解决与肿瘤或是ECC 期间感染和炎症相关的水肿。 但是在乳酸导致培养的大鼠星形胶质细胞肿胀模型中发现，AQP4的表达在星形胶质细胞细胞膜上增加，AQP9 的通透性也增加［28］。 CPB 后期过程中由于炎症反应的活跃致使AQP4 在脑水肿的发展产生不利作用。 有研究发现，例如缺氧诱导因子-1α 等炎性因子会通过涉及AQP4 和基质金属蛋白酶-9 的分子途径级联在脑水肿形成和血脑屏障破坏中起作用，抑制缺氧诱导因子-α 或基质金属蛋白酶-9 后血脑屏障通透性显著改善［29］。 在缺血缺氧再灌注的星形胶质细胞中，敲除定位于星形胶质细胞的血管周围末端的AQP4 后细胞体积明显少于AQP4 高表达的星形胶质细胞；在复氧后，表达AQP4 的细胞体积在第7天逐渐减少恢复至对照水平，AQP4 在缺氧缺血和复氧过程中的不同作用表明，敲除AQP4 可以防止缺氧缺血期间星形胶质细胞肿胀过程中的水流入，但是也延迟水清除过程中星形胶质细胞肿胀的消退［30-32］。

3 结 语

AQPs 作为一种机体水运输调控的一种方式，具有独特的机制和生化特征，近年来一些研究也在不断探索和完善水通道的作用机制。 AQPs 参与多种器官的液体稳态维持，调控AQPs 可以作为器官水肿或脱水治疗的新靶点和新思路。 然而，AQPs在ECC 过程中引起病理性液体失衡疾病的作用机制以及抑制或激活ECC 过程中AQPs 对器官保护作用还未见更深的研究报道，这一具体过程仍有待进一步的研究。