林 鋒 吳 江

1.廣東醫(yī)學院，廣東湛江 524023；2.廣東醫(yī)學院附屬西鄉(xiāng)人民醫(yī)院，廣東深圳 518102

腦水腫見于各種內源性或外源性有害因素的刺激致腦組織損害而產生的一種非特異性反應。關于腦水腫是如何形成的，現在尚不十分明了。目前認為，其與鈉通道活性減退、興奮性氨基酸的神經毒性作用、腦細胞膜磷脂代謝障礙以及水孔蛋白有關，其中特別是水通道蛋白4（aquaporin-4，AQP4）與腦水腫形成及消退的關系是目前的研究熱點。水通道蛋白（aquaporin，AQP）是一種水的分子通道，在動植物中均有，目前在哺乳動物中已發(fā)現共13種水通道蛋白。因為有AQP，細胞才可以快速調節(jié)體內液體的分布，從水對生物的重要性而言，AQP的重要性不言而明。本文試從AQP的最新研究進展與腦水腫的關系做一綜述。

1 AQP水孔蛋白家族

人們一直認為，水在在生物體細胞是通過單純擴散來完成運輸的。1988年Denker等發(fā)現了水通道蛋白存在于細胞膜，從此證實了細胞膜上存在轉運水的特異性通道蛋白，并稱CHIP28為AQP1。以后又陸續(xù)從哺乳動物組織中鑒定出13種水通道。目前已發(fā)現在腦組織中有七種水通道蛋白（AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9、AQP11）。 AQP 與先前克隆的晶體纖維中的主要內源性蛋白（jorintrinsic protein，MIP）有20%～40%的氨基酸序列同源性，目前所發(fā)現的水通道均屬MIP家族，后經證明MIP亦有弱的水通道活性，被命名為AQP0。AQPs不僅能轉運水分子，而且還能通透其他一些小分子物質。Tsukaguchi等據此將其分為三類：Ⅰ類為選擇性水通道，如 AQP1、AQP2、AQP4、AQP5；Ⅱ類對某些中性溶質（尿素、甘油）有一定的選擇通透性，如AQP3、AQP7等；Ⅲ類有廣泛的選擇通透性（尿素、多元醇、乳酸鹽、羧基丁酸、嘌呤、嘧啶等），如AQP9，其中，后兩類又稱水甘油通道（aquaglyceroporins）?？寺〕鰜淼腁QP10對甘油和尿素沒有滲透作用，但對水和中性溶質卻具有滲透作用。此外，Wang等[1]的研究表明，NO和O2也能像通過AQP1樣通過AQP4水通道蛋白。另一種分類方法就是根據AQPs功能能否被汞抑制而將其分為汞敏感性蛋白和不敏感性蛋白。汞制劑能抑制AQPs家族的絕大多數成員對水的通透性，但不能抑制AQP4和AQP7。汞通過與AQP1殘基C189形成硫醇鍵引起AQP1構象改變從而影響水的通透性。近來研究又證實，AQP1的70～73和189殘基在水孔或其附近，水孔的寬度是可變的，而汞制劑通過影響71～73殘基改變水孔的寬度調節(jié)其對水的通透能力。目前認為，AQP4是由AQP4基因編碼的一種蛋白質，屬于控制細胞膜水通道，構成整體細胞膜蛋白質家庭中的一員。實驗表明，AQP4有轉運水的能力很快，比其他的水通道蛋白高3～4倍，因此，在大腦內其主要起調節(jié)水分子的作用。

2 AQP4的結構

AQP4的基因已經明確定位在人的第18對常染色體。AQP4的一級結構與家族中的其他蛋白相同，但四級結構卻不相同，它的四級結構是由具有活性、分子量約34 kD亞單位組成的四聚體，亞單位含有6條疏水性的跨膜α右手螺旋結構，其水孔道在每個亞單位均存在，氨基端和羧基端均位于胞內。AQP4有3個 mRNA亞型，分別是 AQP41M1、AQP41M23和AQP41M23X。AQP41M1編碼的蛋白為M1、AQP41M23和AQP41M23X編碼的蛋白為M23。M23比M1在N端少了22個氨基酸。亞型的表達存在組織和年齡的差異。AQP4 C端第276～280的5個氨基酸主要起將AQP4固定在細胞膜上的作用。AQP4的基因包含的4個外顯子，分別編碼27、55、92、127位氨基酸序列，其間有3個內含子，長度分別為0.8、0.3和5.2 kb，編碼31 kD和34 kD兩種蛋白。

3 AQP4的分布與功能

AQP蛋白作為一種水的分子通道，在動植物中均有，目前在哺乳動物中已發(fā)現共有13種水通道蛋白。迄今在腦內已發(fā)現 7 種 AQP， 分別是 AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9、AQP11。AQP1主要與腦脊液生成有關。AQP9主要存在于室管膜細胞以及下丘腦內側基底部的室管膜細胞，可能調節(jié)中樞神經系統(tǒng)細胞外間隙與體循環(huán)之間的信號傳遞。AQP4是腦內表達最多的水通道蛋白，主要表達于神經膠質細胞和室管膜，此外還表達于下丘腦的視上核、室旁核和下丘腦的口渴中樞。盡管如此，但是剔除AQP4基因的老鼠并沒有表現下丘腦的功能紊亂。有研究認為，AQP4基因缺失的老鼠表現為尿濃縮功能障礙，可能是AQP的刪除影響了細胞上皮水通道轉運的功能[2]。目前AQP4被認為是腦內最主要的水通道蛋白。AQP4基因由4個外顯子組成，有研究表明，4個外顯子的功能與腦水腫的關系不大，其他外顯子的功能目前不是十分清楚，值得大力研究。AQP4在機體的其他組織分布很廣泛，在呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)以及在眼球中均有分布。另外，AQP4蛋白在新生幼畜表達較少，未成熟的血腦、血腦脊液屏障和顱內的空間較大，因此，腦水腫的形成機制和消退過程可能和成年的動物不同?？傊捎谒ǖ赖鞍椎拇嬖?，水才可以在細胞內外快速交換從而為生物體的新陳代謝提供需要。

4 AQP4的表達和調節(jié)機制

AQP4的表達調節(jié)機制目前并不十分清楚，但其對腦內水平衡的調節(jié)是十分重要的。研究發(fā)現，蛋白激酶C可以通過可逆性磷酸化調節(jié)AQP4的水滲透性。此外還有腦內AQP4在血管周圍的定位需要α-Syntrophin的存在，在缺乏α-Syntrophin星形細胞足突質膜處，AQP4的表達明顯減少，而其他地方則未見減少，甚至增多。蛋白激酶C主要通過AQP4的B環(huán)上含有蛋白激酶A的磷酸化調節(jié)AQP4的功能。此外，蛋白激酶C可在轉錄水平對AQP4 mRNA進行調節(jié)。

5 腦水腫

腦水腫是腦組織中過多的水積聚所致。目前認為，腦水腫的發(fā)生與損傷血腦屏障、腦微循環(huán)功能障礙、細胞代謝障礙、氧自由基堆積等多種綜合作用有關，多種病因均可引起腦水腫，如腦外傷、腦腫瘤、腦血管意外，一些全身性因素也可引起腦水腫，如肝腎器官損害、膿毒癥、甲狀腺功能減低。正常成年人腦組織水平衡主要與腦脊液、腦血液、腦細胞內及腦實質空隙內液體有關。顱內的水隨滲透壓和靜水壓的不同而改變，因為顱腦是封閉在顱骨中的，所以腦腫脹可以引起顱內壓力增高，高顱壓可以引起腦灌注降低導致腦缺血，當顱內壓增高到臨界點導致調節(jié)功能喪失可迅速出現顱內高壓危象或腦疝，危及生命。腦水腫的形成目前認為與與細胞膜鈉泵失調、興奮性氨基酸的神經毒作用、腦細胞膜磷脂代謝障礙、自由基堆積、AQP4蛋白有關。目前，腦水腫在國際上多按發(fā)病機制分為四種病理類型：細胞毒性腦水腫、血管源性腦水腫、間質性腦水腫和缺血性腦水腫。細胞毒性腦水腫為腦實質內水分增加，主要與組織損傷和細胞滲透壓調節(jié)障礙引起的滲透壓梯度有關，主要發(fā)生在低滲和腦血管缺血早期。細胞內的水主要為細胞Na-K-ATP酶功能失調，細胞不能調節(jié)細胞容積所致水鈉儲留，導致細胞間隙和血液的水分進入細胞內。膠質細胞是該類腦水腫的主要類型，而AQP4是腦內膠質細胞表達的主要類型，膠質細胞的腫脹可能是導致大腦更進一步損害的重要因素。血管源性腦水腫為血管內皮損傷，致血管通透性增高，水和血漿漏入周圍腦組織引起的水腫，主要見于腦腫瘤和腦膿腫，與血腦屏障的破壞有關。來自于血液的等滲液體和血清蛋白進入腦組織空間，其主要是細胞間質空間的擴張，腦白質的水腫比灰質嚴重。腦積水性腦水腫又叫間質性腦水腫，主要見于梗阻性腦積水，當腦室積水時，腦室的壓力大于周圍腦組織的壓力，產生壓力梯度，腦脊液通過室管膜滲入腦室周圍白質中，引起腦水腫。在臨床中，一般是混合性的腦水腫，如創(chuàng)傷性腦水腫一般既有血管源性又有細胞毒性腦水腫。腦水腫一般通過血腦屏障進入血液、進入腦脊液系統(tǒng)等方式消除。血管源性腦水腫主要通過膠質界膜進入腦脊液，細胞毒性水腫可能也主要通過膠質界膜進入腦室系統(tǒng)腦脊液循環(huán)，缺血性腦水腫屬混合性水腫。缺血區(qū)毛細血管內皮細胞及其周圍的膠質細胞開始腫脹，持續(xù)引起血腦屏障破壞，毛細血管通透性增加，此時即由細胞毒性水腫過渡到血管源性水腫。由于膠質細胞和神經細胞受到破壞，壞死后的分解產物又可引起缺血區(qū)滲透性增高，使腦水腫進一步加重。目前腦水腫的治療方法主要包括糾正全身因素、限制水鈉攝入、脫水劑的應用以及外科手術減壓等。

6 AQP4與腦水腫關系及進展

AQP4與腦水腫有關的證據最早表現為剔除了AQP4基因的老鼠細胞毒性腦水腫比普通老鼠出現的晚且輕，預后較好，可能跟減少血腦屏障的滲透性和減緩水流進實質細胞有關，且剔除AQP4基因的老鼠在腦感染和缺血的早期也表現出了保護作用[3]。因此，人們認為抑制AQP4蛋白可預防和治療腦水腫[4]。但隨后隨著血管源性腦水腫試驗的開展，剔除AQP4基因的老鼠卻表現出比普通老鼠更嚴重的腦水腫，且腦水腫的消退過程較慢。在腦積水性腦水腫中，AQP4基因剔除的老鼠在實驗動物腦室擴展比普通型更快，可能是缺乏AQP4致使水分子通過屏障進入蛛網膜下腔所致[5]。此外，AQP4可能與細胞遷移和神經興奮有關。一些實驗表明，剔除AQP4的老鼠星形細胞的遷移速度變慢和神經興奮性降低[6-7]。Guo等[8]的研究認為，與采用孕酮治療的腦創(chuàng)傷組相比，對照組可顯著減少腦組織的含水量，在該實驗中，腦水腫24 h時腦組織的AQP4表達變化不大，而72 h時AQP4蛋白在創(chuàng)傷的腦組織中顯著的減少。此外有學者研究發(fā)現，AQP4蛋白可能與星形細胞的形態(tài)、生長、功能有關[9-10]。Sun等[11]的研究認為，在創(chuàng)傷性顱腦損傷導致的腦水腫中，AQP4蛋白上調可能是引起損傷區(qū)腦水腫的主要途徑和原因。已有研究發(fā)現，腦水腫在24 h達高峰，雙側大腦半球AQP4蛋白表達均降低，但傷后48 h創(chuàng)傷側大腦半球降低更明顯。研究還發(fā)現，基因敲除鼠模型的腦水腫明顯減輕。有研究發(fā)現，降鈣素相關基因肽能抑制AQP4蛋白和其信使核糖核酸，減輕腦水腫[12]。此外，最近Liu等[13]Shin等[14]的研究表明，在一定程度上通過雌激素受體調整AQP4的保持水平，對缺血性腦水腫起居中調停作用。Ding等[15]的研究表明，AQP 4與腦膠質母細胞瘤的轉移和侵襲有關。Lukaszewicz等[16]研究表明，水通道蛋白激動劑或拮抗劑的缺乏并不能有助于腦水腫的消退。Sun等[11]的研究表明，AQP4的上調是引起損傷區(qū)腦水腫的主要途徑和原因。Manley等[17]在大鼠水中毒和腦缺血模型兩個實驗中研究表明，AQP4基因剔除大鼠腦水腫程度減輕。也有相反的說法，如Oliva等[18]研究表明，抑制AQP4并不能阻止創(chuàng)傷后腦水腫的發(fā)展。AQP4敲除可改變雌激素對單胺類遞質水平的調節(jié)作用，對紋狀體內DA水平的影響尤為顯著。有研究者通過研究認為，AQP4蛋白有減輕或防止NMDA誘導腦損傷的作用[19-20]。這表明水通道蛋白可能有雙重作用，在早期與可能參與腦水腫的形成，中晚期則參與腦水腫的消退。以上這些研究表明，AQP4在腦組織水的調節(jié)代謝中起非常重要的功能，但目前對其功能和作用還有一些爭議，其在腦水腫的作用已見上述，對其進一步的研究會揭示其真正的功能，而AQP4的研究可能為治療腦水腫找到另一種嶄新的途徑。

7 展望

AQP4蛋白對各種腦水腫的作用都非常重要，但目前人們對AQP4蛋白的作用還有一些爭論，對部分腦水腫可以通過抑制和增強AQP4的表達來預防和治療腦水腫，但由于人們對AQP4的表達和調節(jié)并沒有完全了解，同時關于抑制和提高AQP4蛋白會引起細胞形態(tài)功能遠期變化的研究也還較少，如何抑制和增強AQP4蛋白的表達及其與其他蛋白的相互作用等也需要進一步研究。另外，AQP4蛋白在水腫期是否是一種適應性表達、甘露醇、高滲鹽水、白蛋白、糖皮質激素等脫水劑藥物對腦內水平衡的影響因素與AQP4的關系如何、AQP4蛋白是否還有其他的功能等問題都需要進一步研究。

總之，AQP4蛋白方面的研究可能會對預防和治療腦水腫及腦水腫形成機制和變化的研究提供另一條有效的途徑，同時可能會帶來腦內其他研究的變革，如膠質瘤的遷移、浸潤與AQP4的變化關系等，因此，對AQP4蛋白的研究還有很長的路要走。

[1]Wang Y，Tajkhorshid E.Nitric Oxide Conduction by the Brain Aquaporin AQP4[J].Proteins，2010，78（3）： 661-670.

[2]Verkman.Roles of aquaporins in kidney revealed by transgenic mice[J].Semin Nephrol，2006，26：200-208.

[3]Manley GT，Fujimura M，Ma T，et al.Aquaporin-4 deletion in micereduces brain edema after acute water intoxication and ischemic stroke[J].Nat Med，2000，6：159-163.

[4]Marios C，Geoffrey T，Manley，et al.Aquaporin-4 facilitates reabsorption of excess fluid in vasogenic brain edema[J].FASEB Journal，2004，18：1291-1293.

[5]Bloch O，Manley GT，Verkman.Accelerated progressionof kaolin-induced hydrocephalus in aquaporin-4 deficientmice [J].Cereb Blood Flow Metab，2004，26：1527-1537.

[6]Binder DK，Oshio K，Ma T，et al.Increased seizure threshold in mice lacking aquaporin-4 waterchannels[J].Neuroreport，2004，15：259-262.

[7]Binder DK，Yao X，Sick TJ，et al.Increased seizure duration and slowed potassium kinetics in mice lacking aquaporin-4 water channels[J].Glia，2006，53：631-636

[8]Guo QM，Iqbal S，Lon MB，et al.Progesterone administration modulates AQP4 expression and edema after traumatic brain injury in male rats[J].Experimental Neurology，2006，198（2）：469-478.

[9]Grazia PN，Antonio F.Inhibition of aquaporin-4 expression in astrocytes by RNAi determines alteration in cell morphology， growth， and water transport and induces changes in ischemia-related genes [J].The FASEB Journal，2003，17：1508-1510.

[10]周德生，陳艷，鐘捷，等.水通道蛋白4與腦出血后腦水腫[J].醫(yī)學綜述，2010,16（12）：1767-1769.

[11]Sun MC，Honey CR，Berk，et al.regulation of aquaporin-4 in a traumia brain injury model in rats[J].Neurosurg，2003，98（3）：565-569.

[12]Strand L，Moe SE，Solbu TT，et al.Roles of aquaporin-4 isoforms and amino acids in square array assembly[J].Biochemistry，2009，48（25）：5785-5793.

[13]Liu Z，Liu Q，Cai H，et al.Calcitonin gene-related peptide prevents blood-brain barrier injury and brain edema induced by focal cerebral ischemia reperfusion[J].Regul Pept，2011，171（1-3）：19-25.

[14]Shin JA，Choi JH，Choi YH，et al.Conserved aquaporin 4 levels associated with reduction of brain edema are mediated by estrogen in the ischemic brain after experimental stroke [J].Biochim Biophys Acta，2011，1812（9）：1154-1163.

[15]Ding T， Ma YJ，Li WL，et al.Role of aquaporin-4 in the regulation of migration and invasion of human glioma cells[J].Int J Oncol，2011，38（6）：1521-1531.

[16]Lukaszewicz AC，Oyer B.Sodium and water balance and the injured brain[J].Curr Opin Anaesthesiol，201，24（2）：138-143.

[17]Manley GT，Miki F，Tonghui M，et al.Aquaporin-4 deletion in m ice reduces bra in edema after acute water intoxication and ischemic stroke[J].Nature Medicine，2000， 6（2）：159-163.

[18]Oliva AA，Kang Y，Truettner JS，et al.Fluid-percussion brain injury induces changes in aquaporin channel expression [J].Neuroscience，2011，28（180）：272-279.

[19]Shi WZ，Zhao CZ，Huang XQ，et al.Deficiency of water channel AQP4 aggravates NMDA-induced brain injury in mice [J].Zhejiang Da Xue Xue Bao：Yi Xue Ban，2011，40（2）：145-149.

[20]耿藝，劉榮耀.AQP-4與創(chuàng)傷性腦水腫[J].醫(yī)學綜述，2009,15（15）：2261-2264.