水通道蛋白4 在神经认知障碍疾病中的作用机制研究进展

周晗，陈骏萍，卢波

淋巴系统负责清除组织间质中多余的液体和大分子物质，在维持细胞内稳态方面起着至关重要的作用。大脑作为机体代谢最活跃的器官之一，在过去很长一段时间内都被认为缺乏实质性的淋巴系统，直至2012 年首次报道了“胶质淋巴系统”，人们对于中枢神经系统和淋巴系统的认识都进入了一个新的阶段。glymphatic 系统又称“类淋巴系统”，是颅内的液体运输系统，连接大脑的所有区域，它促进脑脊液和间质液的交换，并起到清除大脑中代谢废物的作用。水通道蛋白4（AQP4）作为中枢神经系统中表达最丰富的水通道蛋白，在颅内起到维持水平衡作用，是glymphatic 系统的重要组成部分。本文拟探讨APQ4 与颅内淋巴系统的关系，并总结其在神经认知障碍疾病中作用和机制的研究进展，报道如下。

1 AQP4 的结构和功能

AQP4 广泛存在于人体的多种组织器官中，如肾脏（集合管）、胃（壁细胞）、气道、腺体和骨骼肌的上皮细胞中，参与尿的浓缩、脑脊液的再吸收、肺泡水肿的缓解等病理生理过程，但其在中枢神经系统中的表达最丰富[1]。研究证实AQP4 大部分表达在脑、脊髓和视神经的星形胶质细胞终足，其在脑内的分布广泛，包括大脑皮层、胼胝体、视网膜、小脑、下丘脑的大细胞核和脑干[2]，但尤其集中在与脑脊液接触的软脑膜和室管膜表面，这称为AQP4 的极化。这种定位特点使得AQP4 与血管周围空间相联系，参与脑脊液在脑实质与血管周围间隙之间的流动过程，维持中枢系统内的水平衡，成为脑内淋巴系统的重要组成部分。在此之前，已有文献提出AQP4 的极化定位似乎比AQP4 的表达量更重要[3]。最近，有研究者在老年人类脉络膜上发现了AQP4阳性细胞，并在脉络膜上皮细胞基底外侧膜上检测到OAPs[4]，这一研究结果可能成为进一步证明AQP4 在脑脊液引流中作用的证据。

2 AQP4 与glymphatic 系统

glymphatic 系统是中枢神经系统内的一种血管周围网络，由Iliff 等人于2012 年首次定义，其在脑内提供类淋巴功能，在脑脊液（CSF）与大脑间质液之间的交换、脑脊液引流、可溶性淀粉样蛋白-（A ）等代谢废物清除中起到重要的作用，也参与许多中枢神经系统疾病的病理过程，如神经退行性疾病、颅脑损伤及肿瘤等[5]。Iliff 等将glymphatic 系统分为3个功能，淋巴内流、脑脊液和脑间质（CSF-ISF）的交换及淋巴外流[6]。

除了glymphatic 系统参与的脑脊液循环过程，AQP4 在glymphatic 系统清除代谢废物的过程中同样起着重要作用。Iliff 等人假设，A 可以被glymphatic 系统通过AQP4 依赖的间质液流动从大脑中清除。在AQP4 敲除小鼠中A 清除率减半的观察证实了这一假设，这也表明了有很大一部分的A 通过glymphatic 系统途径清除[7]。Risa 等[8]发现AQP4 敲除小鼠脑脊液至颈深淋巴结的tau 蛋白引流受损，这证明了tau 蛋白在大脑中通过一种AQP4 依赖的机制清除，AQP4 缺乏会加重tau 相关的神经退行性改变。

glymphatic 系统的功能受到睡眠、昼夜节律、动脉搏动等生理因素的调节[5]。2013 年Xie 等[9]人研究证实，在自然或麻醉状态下，glymphatic 系统功能在睡眠时活跃，在清醒状态下被明显抑制。值得关注的是，Lauren 等[10]人针对glymphatic 的昼夜节律的研究中证实，AQP4 在血管周围极化存在昼夜节律，且这一节律支持脑脊液引流的昼夜节律。

3 AQP4 与神经认知障碍疾病

3.1 AQP4 和神经退行性疾病 阿尔茨海默病（AD）是当前最常见的神经认知障碍疾病，年龄变化是其发展的最大危险因素。自2013 年Iliff 等定义了glymphatic系统以来，不断有研究证明，在老年鼠大脑中血管周围空间脑脊液再循环和A 的清除受损，与血管周围AQP4 定位的丧失有关。随后通过对不同年龄、不同认知功能水平、具有不同AD 病理特征的人类大脑组织的解剖研究发现，AQP4 的表达增加和定位改变是老年脑的一个普遍特征，但这一表现在认知功能完好的老年人大脑中并不存在，由此他们推测血管周围AQP4 定位是否改变是评估认知功能的重要预测因子[11]。随后他们进一步研究证实，血管周围AQP4 定位的丧失与局部A 和tau 病理性累积增加有关，并与疾病过程早期的认知功能下降有关[12]。最近，他们进一步通过实验证明，与AQP4基因缺失相比，AQP4 定位丧失对A 斑块沉积的影响更为明显[13]。此外，Ian 等[14]发现在tau 阿尔茨海默病模型中，CSF-ISF 交换和tau 蛋白的清除受损，AQP4在星形细胞端足的极化水平降低，且在正常小鼠中通过抑制AQP4，CSF-ISF 交换和tau 蛋白清除也显著减少。由此可见，AQP4 可成为治疗AD 的药物靶点。

帕金森病（PD）也是一种年龄相关的神经退行性疾病，大脑中-突触核蛋白（ -syn）的产生和清除不平衡，导致-syn在脑内过量累积，这一过程在PD的发病和发展中起到至关重要的作用。通过对AQP4基因缺失（AQP4-/-）小鼠和野生型（WT）小鼠脑实质内注射外源性可溶性重组人-syn，对比小鼠黑质（SN）中-syn 的残留情况，证明了AQP4 对脑内-syn 的清除具有促进作用。在WT 小鼠SN 中存在AQP4 血管周围定位，而A35T 小鼠（纯合子A53T小鼠-syn cDNA含量比对照组高2倍以上）的AQP4异常定位于SN 实质，进一步实验发现AQP4 紧密包绕-syn 阳性神经元，这说明AQP4 的去极化与-syn的蓄积具有一定的相关性[15]。由此推测，改善PD患者脑内APQ4 的表达和极化水平，或许能减轻-syn 在脑内的蓄积。

3.2 AQP4 和颅脑损伤

3.2.1 创伤性脑损伤（TBI） TBI 是许多痴呆早期发展的危险因素，创伤后大脑经常表现出tau蛋白蓄积。脑外伤后glymphatic 通路功能的慢性损伤可能是导致脑外伤后易发生tau 蛋白聚集和神经退行性变的关键因素。Iliff 等在中度TBI 模型的研究中发现，颅脑损伤后血管周围AQP4 极化的丧失削弱了间质溶质的清除，这包括glymphatic通路中的tau蛋白。间质中的清除过程障碍加剧了细胞内tau 蛋白的聚集和神经退行性变，进一步加剧了TBI 后的神经认知功能障碍[16]。在最近的研究中，Lu 等[17]发现二甲胺四环素通过降低TBI后小鼠AQP4 的表达水平，保护血脑屏障完整性和星形胶质细胞功能来改善TBI后的神经功能障碍，由此研究结果推测AQP4很可能是二甲胺四环素治疗TBI 的重要治疗靶点，对于TBI 的治疗有重要意义。

3.2.2 脑水肿 脑积水主要表现为脑脊液流量受损、脑室扩大、脑室破坏、反应性星形胶质细胞增生等，可能发生在创伤、感染、肿瘤或血供受阻之后。AQP4 在动脉和静脉周围空间的星形胶质细胞末端大量表达，在维持中枢神经系统的淋巴功能中起到不可或缺的重要作用。AQP4 的高通透性使得脑脊液从动脉周围间隙进入间质，以及从间质进入静脉周围间隙过程的阻力大大降低[7]。AQP4 主要与脑水肿和脑实质血流的重吸收有关[18]。

对于缺血性脑水肿，Takashi等[19]分别使用-Syn-/-小鼠（该种类小鼠血管周围的AQP4 明显缺失）和WT 小鼠，通过闭塞脑膜中动脉建立脑缺血模型，电镜下对比观察小鼠大脑发现，-Syn -/-小鼠血管周围星形胶质末端足突明显肿胀，而WT 小鼠的大脑梗死面积和大脑半球扩大程度都更加明显，这些发现说明了水通过脑-血界面的阻力主要来源于在星形胶质末端足突，而不是在毛细血管内皮，在血管周围星形胶质末端足突的AQP4 可能是急性脑水肿发作时水分子快速流入脑实质的途径。之后研究表明，AQP4 在中枢神经系统水肿的发生和消退过程中具有不同的作用，在损伤后早期，AQP4 对水分子的高通透性推动细胞毒性水肿的发展，但之后对血管源性水肿起到抑制、消除作用。另外，在对于肿瘤所致的脑水肿研究中，利用放射诱导星形胶质细胞足突肿胀的24 h 内，研究人员发现细胞内AQP4 的表达明显上调，短期使用药物减轻星形胶质细胞足突肿胀程度后，同时也阻止了脑组织含水量的增加[20]。

由此可见，在脑水肿急性期抑制AQP4 的表达与作用，可以起到预防脑水肿的作用。研究人员进一步实验发现，急性缺氧会导致初级皮质星形胶质细胞表面的AQP4 重新定位，并伴随着细胞膜对水的通透性提高。这种AQP4 在细胞表面的重新定位具有钙调蛋白（CaM）依赖性，CaM与AQP4 直接作用引起特定构象变化，驱动AQP4 细胞表面定位。抑制CaM可抑制AQP4 在血脊髓屏障上的定位，减轻中枢神经系统水肿[21]。Mootaz 等[22]也证明了AQP4 的定位也在亚细胞水平上动态调节，会影响膜对水分子的通透性。

此外，Huanru 等[23]针对病毒感染中枢神经系统所引起的脑水肿研究中发现，肠病毒71（EV71）感染会诱导小鼠大脑AQP4 去极化，通过药物抑制AQP4 稳定因子营养不良蛋白-营养不良聚糖复合物（DDC）的衰减，可保护AQP4 的极化定位，减轻脑水肿。这进一步探究了AQP4 在不同病因病因的脑水肿所在不同阶段起到的作用。而病毒感染一直以来都被怀疑是神经认知障碍性疾病的致病因素，这一研究为这两者之间的关系提供了重要线索。

3.2.3 蛛网膜下腔出血（SAH） 研究表明，SAH 明显损害了glymphatic 系统的灌注[24]。Peng 等[25]进一步探究了AQP4 在发生SAH 后glymphatic 系统受损中的作用机制，发现SAH后大脑脑脊液流入和间质液清除均明显减少，而AQP4 的缺失会进一步加重SAH 后glmphatic 系统功能的损伤。SAH 的进展与AQP4 的表达和极化相互影响，两者之间的这一紧密联系，为治疗和预防SAH进一步进展指明了新的研究方向。

3.3 AQP4 和肝性脑病 肝衰竭与星形胶质细胞肿胀导致的进行性细胞毒性脑水肿密切相关，而后者是肝性脑病（HE）发生的基础，但其发病机制尚不完全清楚。Anna 等[26]在对慢性肝病动物模型（胆管结扎/BDL 模型）的研究中，通过动态增强MRI 首次证明了BDL 大鼠额叶脑区对比剂的脑脊液渗透和实质清除过程受损，这说明慢性肝病和HE 动物模型中的glymphatic 系统功能出现明显障碍，同时BDL大鼠额叶脑区的AQP4 表达显著降低，但BDL 大鼠的颅内压（ICP）与对照组没有差异。在此之前也有相关研究通过不同方式诱导的多种大鼠肝病模型横向对比研究，发现仅在BDL 模型中表现出AQP4 表达增加和低级脑水肿，其余多种模型大鼠的脑渗透压没有差异，血脑屏障的结构功能也相对完整。上述结果均说明肝衰竭所引起的脑水肿表现出glmphatic系统功能障碍、AQP4 表达改变，但AQP4 在与肝衰竭相关的脑水肿的发病机制中并不是起到核心作用。

3.4 AQP4 和酒精中毒 研究人员在对于酒精中毒的研究中发现，酒精会损伤glymphatic系统的功能，但急性酒精中毒和慢性酒精中毒引起glymphatic系统功能损害的机制并不相同。

在急性酒精中毒的动物脑内，-内啡肽的释放升高，脑血管搏动减弱，但不伴有GFAP 和AQP4 的表达改变及AQP4 极化的变化。而在慢性酒精中毒的动物大脑中，研究人员发现GFAP 的表达明显增加，血管周围AQP4 极化广泛丧失，但-内啡肽的释放、心率、血压、脑血管搏动等方面与对照组不接触酒精的动物相比没有明显差异。由此推断，血管周围AQP4 极化的丧失可能是引起慢性酒精中毒动物CSF-ISF 交换功能受损的原因之一[27]。由上述可见，由长期过量饮酒导致机体功能异常引发中枢神经系统持续性严重损伤的慢性酒精中毒性脑病（CAE），它的发生发展与AQP4 的表达和极化相互影响。

3.5 AQP4 和药物成瘾性脑病 有研究人员对反复进行可卡因接触或戒断的小鼠大脑进行研究，发现可卡因接触小鼠的脑血流量（CBF）明显减少，脑内动静脉搏动降低，而整个大脑皮层广泛的星形胶质细胞增生，血管周围AQP4 极性丧失，导致血管旁功能和CSF-ISF 交换功能损害。这些结果表明，可卡因通过多种机制损害glymphatic 功能。另外，在对阿片类药物成瘾的研究中，AQP4-/-小鼠纹状体中表现出多巴胺转运蛋白的上调，小鼠吗啡和海洛因诱导的多动减少，与正常小鼠相比阿片类药物诱导的药物寻求和服用行为显著降低[28]。在此之前，已有研究证明AQP4介导双向的血管旁脑脊液交换，参与药物的成瘾过程。由此可见AQP4 的功能与在药物成瘾成瘾性脑病相互影响，这可能有助于药物成瘾患者神经认知障碍的发展。

4 展望

AQP4 作为glymphatic系统的重要一环，是许多神经疾病发生发展的重要环节，是多种神经认知疾病预防和治疗的有效靶点。然而在这一领域还有诸多未解决的问题，使得我们对glymphatic 系统和AQP4 在上述疾病中的作用机制理解尚不完全，仍需进一步加深对神经系统中AQP4 的认识和理解，以利于研发以AQP4 为靶点的干预手段。

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