水通道蛋白-4与脑水肿

　　作者：谭戈，孙善全，冉建华 作者单位：400016 重庆，重庆医科大学附属第一医院神经内科

　　【摘要】 通道蛋白-4(AQP4)是水通道蛋白家族的一个亚型。大量的研究表明脑水肿后AQP4表达明显增强，提示AQP4可能参与了脑水肿的发生、发展过程，在脑水肿的形成过程中起重要作用。抑制AQP4的表达可能是防治脑水肿的一种有效途径。

　　【关键词】 水通道蛋白-4;脑水肿

　　Aquaporin- 4 and brain edema

　　TAN Ge，SUN Shan-quan，RAN Jian-hua.Department of Neurology，the First Hospital of Chongqing Medical University，Chongqing 400016，China

　　[Abstract] Aquaporin- 4(AQP4)is a subtype of Aquaporins.The previous studies showed that the increased expression of AQP4 after brain edema may participate the course of brain edema，suggesting that AQP4 plays an important role in the pathological course of brain edema，and inhibitor of AQP4 may be useful target for therapeutic intervention.

　　[Key words] brain edema;aquaporin- 4

　　脑水肿是继发于脑血管疾病、颅内感染、脑肿瘤及颅脑外伤等多种脑疾病之后出现的病理现象。它不仅可以导致脑细胞(神经元、神经胶质细胞)内环境破坏，引起神经功能障碍;而且可造成颅内高压，影响脑的血液灌流，进一步加重脑组织的水肿;脑组织的高度水肿甚至可引起脑疝的形成致病人死亡。因此，如何预防和治疗脑水肿是基础和临床亟待解决的问题。

　　长期以来，人们普遍认为细胞内、外的水分子是以简单扩散的方式透过脂质双分子膜。但后来人们发现将红细胞移入低渗溶液后，细胞很快吸水膨胀而溶血;而水生动物的卵母细胞在低渗溶液中，其体积并不膨胀。这些现象难以用水分子的简单扩散加以解释。因此，推测细胞膜上可能存在特殊的水通道以调节水分子的快速跨膜转运。直到1991年水通道蛋白(aquaporins，AQPs)的发现，证实了水的跨膜转运是由水通道蛋白介导的[1]。目前已发现，在哺乳动物体内存在的水通道蛋白家族成员共有13种，而分布于脑组织中的水通道蛋白有6种，其中AQP4在脑中的分布最广。最新研究表明，AQP4与脑水肿的发生密切相关。现就AQP4与脑水肿的关系进行简要综述。

　　1 AQP4的分子结构

　　AQP系列成员的基本结构类似，都为跨越细胞膜6次的单肽链，氨基端及羧基端均位于细胞膜内侧，呈镜相对称结构，且大多由四个单体组成四聚体镶嵌于细胞膜中，当被某些特定蛋白激酶催化发生磷酸化后，构象改变成水分子可通过的转运通道;除AQP4及AQP7外均对氯化汞敏感，水通道开放易被抑制;部分AQP对一些小分子物质如尿素、甘油等亦有一定通透性，提示AQP对维持细胞内环境稳定可能还有其他作用;不同AQP的多样性主要在羧基端，并可用相应的单克隆抗体区分[2]。

　　2 AQP4的分布

　　AQP4在脑中的含量最高，分布于：(1)脑表面的软脑膜、导水管和脑室系统的室管膜、脉络丛，与脑脊液重吸收部位一致，推测AQP4可能与脑脊液代谢有关，由定位于脉络丛顶质膜的AQP1介导所分泌的脑脊液可通过其他细胞的AQP4重吸收[3～5]。(2)星形胶质细胞，特别是靠近蛛网膜下腔、位于血管周围的星形胶质细胞表面上和星形胶质细胞的终足紧密包绕毛细血管壁形成的一层胶质界膜上表达强烈[6～8]。由于此界膜构成血脑屏障的第二道隔膜，显示这些细胞的胞膜上配有特殊的选择性水通道，在胶质细胞与充满脑脊液的间隙中以及血管之间起调节水运输的作用。(3)下丘脑视上核、室旁核和下丘脑的渴中枢[9，10]，可能参与调节血浆的渗透压和控制垂体加压素的分泌。AQP4在视上核和室旁核的发现十分重要，由于上述核团的神经大分泌细胞的牵张敏感性离子通道对细胞膨胀等容量变化十分敏感，渗透压改变1%即可发生反应，通过合成和释放抗利尿激素(AVP)调节肾脏水的排泄，推测AQP4可能是渗透压感受器或受体，通过加强对微小渗透压变化产生迅速而敏感的细胞容量改变，在下丘脑调节渗透压。(4)海马的锥体细胞层、齿状回的颗粒细胞层和多形细胞层[9]，但分布在海马的AQP4其功能仍不明确。

　　3 AQP4与脑水肿

　　脑水肿可明显促使许多神经病理方面的疾病，甚至死亡。目前对脑水肿的治疗手段包括外科手术减压、渗透性利尿剂等，而大部分减轻脑水肿的治疗手段都是在20世纪早期发明且作用有限。国外学者[11]运用免疫组化法或是特异的单克隆抗体发现AQP4在脑内表达最丰富的部位是脉络丛、室管膜细胞、海马颗粒细胞及血管周围的胶质细胞，并且已有证据提示AQP4参与许多生理、病理过程。脑中AQP4可能调节脑脊液的形成及细胞外液的容积的变化。由此提示，对于AQP4的研究可能为减轻各种脑疾病所致脑水肿提供新的治疗方法。

　　最新研究表明，AQP4与脑水肿的发生密切相关。李燕华等[12]发现AQP4在脑内广泛表达，选择性高表达在星形细胞上，特别是靠近蛛网膜下腔血管周围的星形细胞表面及星形胶质细胞终足紧密包绕毛细血管形成的一层胶质界膜上[13]。AQP4不仅参与脑组织水代谢的生理和病理过程，而且可能调节脑脊液的形成及细胞外液容积的变化。并认为其在中枢神经系统作为渗透压感受器介导和调节水的运输和平衡[14]。

　　鲁宏等[15]通过磁共振技术发现缺血性脑水肿过程中存在AQP4的高表达。通过大鼠大脑中动脉栓塞实验结果显示正常组和假手术组大脑实质微量AQP4表达，以脉络丛、室管膜细胞及血管周围的胶质细胞表达明显。手术组自15 min开始增加，一直持续到24 h，在1 h内增加幅度最快，几乎呈直线关系，3 h后呈缓慢增加趋势，主要在水肿区胶质细胞、脉络丛、室管膜细胞及海马等部位表达增强。进一步实验揭示，AQP4可能通过下列途径导致细胞内水肿：缺血、缺氧所致Na+-K+泵活性下降，使细胞内外渗透压失衡，激活了细胞膜外的渗透压感受器(或AQP4)，通过目前尚不明了的信号转导机制使AQP4基因表达增强，AQP4蛋白合成增多，水通道开放，大量水分子流入细胞内形成细胞内水肿。

　　目前虽然已经通过一系列手段可以对AQP4在脑中的分布位置及大致的作用机制有所了解，但对于其信号转导机制及调节机制仍不清楚。脑水肿形成的病理机制是一个十分复杂的过程，至今仍未完全阐明。AQP4的研究有助于在分子水平研究脑组织水的运输和平衡。然而目前对AQP4的研究和认识仅处于起步阶段，对AQP4结构与功能的关系，导致AQP4开关的信号及其活性调节还知之甚少，因此要真正揭开脑水肿的分子机制还十分困难。

　　【参考文献】

　　1 Preston GM，Agre P.Isolation of the cDNA for erythrocyte integral membrane protein of 28 kilodaltons:member of an ancient channel family.Proc Natl Acad Sci USA，1991，88:11110-11114.

　　2 陈彗星，顾承鳞.水通道蛋白-4研究进展.中国基层医药，2004，11(12):1521-1522.

　　3 Umenishi F，Verkman AS，Gropper MA.Quantitative analysis of aquaporin mRNA expression in rat tissues by Rnase protection assay.DNA Cell Biol，1996，15(6):475-478.

　　4 Zelenin S，Gunnarson E，Alikina T，et al.Identification of a new form of AQP4 mRNA that is developmentally expressed in mouse brain.Pediatr-Res.2000，48(3):335-339.

　　5 Neely JD，Nielsen S，Agre P，et al.Heterotetrameric composition of aquaporin-4 water channels.Biochemistry，1999，38(34):11156-11163.

　　6 Rash JE，Yasumara T，hudson CS，et al.Direct immunogold labeling of aquaporin-4 square arrays of astrocyte and ependymocyte plasma membranes in rat brain and spinal cord.Pioc Natl Acad Sci USA，1998，95(20):11981-11985.

　　7 Wen H，Nagelhus EA，Nielsen S，et al.Ontogeny of water transport in rat brain:postnatal expression of the aquaporin-4 water channel.Eur J Neurosci，1999，11(3):935-945.

　　8 Badaut J，Verbavatz JM，Freund-Mercier MJ，et al.Presence of aquaporin-4 and muscarinic receptors in astrocytes and ependymal cells in rat brain:a clue to a common function? Neurosci Lett，2000，292(2):75-78.

　　9 Venero JL，Vizuere ML.Detailed localization of aquaporin-4 messenger RNA in the CNS:preferential expression in periventricular organs.Neuroscience，1999，94(1):239-250.

　　10 Nielsen S，Nagelhus EA，Amiry Moghaddam M，et al.Specialized membrane domains for water transport in glial cells:high-resolution immunogold cytochemistry of aquaporin-4 in rat brain.J Neurosci，1997，17(1):171-180.

　　11 Saadoun S，Papadopoulos MC，Daries DC，et al.Aquaporin-4 expression is increased in oedematous human brain tumours.J Neuro Neurosurg Psych，2002，72(2):262-265.

　　12 李燕华，孙善全.水通道蛋白-4在脑出血大鼠脑组织的分布.临床神经病学杂志，2004，17(2):108-110.

　　13 Yamamoto N，Yoneda K，Asai K，et al.Alterations in the expression of the AQP family in cultured rat astrocytes during hypoxia and reoxygenation.Brain Res Mol Brain Res，2001，90:26.

　　14 李燕华，孙善全.低渗液对星形胶质细胞水通道蛋白-4表达的影响.中华医学杂志，2004，8(6):496-501.

　　15 鲁宏，孙善全.缺血性脑水肿的AQP4表达与磁共振成像的相关性研究.中国医学影像杂志，2003，19(8):957-960.