李解,黃國付

腰椎間盤退行性疾病是臨床引起腰腿痛的常見疾病,嚴(yán)重危害人類健康,目前認(rèn)為其發(fā)病機(jī)制主要包括分子生物學(xué)因素、遺傳學(xué)因素、生物力學(xué)因素、營養(yǎng)因素等[1-4]。椎間盤退變時出現(xiàn)的一個特征性改變是椎間盤含水量的下降[5]。以前多認(rèn)為營養(yǎng)物質(zhì)和水分是通過滲透作用進(jìn)出椎間盤,但自從水通道蛋白(aquaporins,AQPs)被發(fā)現(xiàn)后,外界認(rèn)為水的跨膜轉(zhuǎn)運有2種基本形式,一種是簡單擴(kuò)散,另一種是AQPs的水轉(zhuǎn)運,且后者為主要轉(zhuǎn)運方式[6]。目前認(rèn)為軟骨終板途徑營養(yǎng)供應(yīng)減少是椎間盤退變過程的始動因素[7],因此研究AQPs的作用機(jī)制以及如何調(diào)控其表達(dá)對于防治椎間盤退變疾病具有十分重要的意義。

1 AQPs的發(fā)現(xiàn)與分類

1987年美國血液學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種蛋白物并最終在2003年證實該蛋白為專一性AQPs,并將其重新命名為Aquaporin1,簡稱AQP1[8]。迄今為止人們共發(fā)現(xiàn)200余種AQPs,在哺乳類動物體內(nèi)共發(fā)現(xiàn)13種,即AQP0～AQP12,外界將其分為3大類:①AQPs亞類,包括AQP0、1、2、4、6和8,此類AQPs只對水具有通透性;②水和甘油通道蛋白亞類，包括AQP3、7、9和10,此亞類不僅對水有通透性,而且對甘油、尿素及一些單羧酸也有通透性;③超AQPs亞類由AQP11和12組成,存在于細(xì)胞質(zhì)中,其通透性可能與細(xì)胞內(nèi)的水運輸、內(nèi)囊體水平衡和細(xì)胞器體積的調(diào)節(jié)有關(guān)[9-10]。

2 AQPs與椎間盤退變

研究表明,椎間盤主要有AQP1及AQP3表達(dá),AQP1僅轉(zhuǎn)運水分子,AQP3為水與甘油的雙通道，椎間盤中AQP1和AQP3的減少會使椎間盤含水量減少,營養(yǎng)物質(zhì)滲透率降低,從而影響椎間盤營養(yǎng)供應(yīng),進(jìn)而影響細(xì)胞功能直至細(xì)胞凋亡,導(dǎo)致椎間盤退變[11]。AQP2在椎間盤的表達(dá)仍有待進(jìn)一步研究。尚未在椎間盤內(nèi)發(fā)現(xiàn)其他類型AQPs的表達(dá)。

2.1 AQP1 AQP1是一種相對分子質(zhì)量約28000 的糖蛋白,以四聚體的形式存在,定位于人染色體7p15-p14,其基因序列包括4個外顯子和3 個內(nèi)含子[12]。Musa-Aziz等[13]研究發(fā)現(xiàn)AQP1還具有氧氣通透性,可以增加組織氧氣利用[14]，提示AQP1可能改善椎間盤代謝環(huán)境，延緩椎間盤退變。相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)AQP1與骨骼退行性改變有密切關(guān)系：任軍等[15]研究發(fā)現(xiàn)AQP1與原發(fā)性骨質(zhì)疏松退變有密切關(guān)系，在原發(fā)性骨質(zhì)疏松患者血清中AQP1高表達(dá)；高航飛等[16]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)AQP1本身可能影響脊柱骨骼的退變，導(dǎo)致椎體生物力學(xué)的改變從而影響椎間盤的退變。相關(guān)實驗研究也表明隨著椎間盤退變程度不斷的增加AQP1含量不斷降低[17-18]。

2.2 AQP3 AQP3是相對分子質(zhì)量約為29000的糖蛋白,其基因定位于9p21-p12[19]。研究表明AQP3為水與甘油的雙重通道, 其主要分布于椎間盤髓核細(xì)胞，AQP3的存在為髓核細(xì)胞提供甘油和水,使其完成無氧酵解,對于沒有直接血供的椎間盤組織特別重要，同時能夠通過軟骨終板途徑幫助排除代謝產(chǎn)物,改善細(xì)胞外環(huán)境,并維持適度酸性環(huán)境。AQP3表達(dá)異常時,椎間盤軟骨終板滲透作用異常進(jìn)而會導(dǎo)致髓核細(xì)胞代謝產(chǎn)物的堆積,破壞椎間盤髓核細(xì)胞的代謝環(huán)境，從而加速髓核細(xì)胞的凋亡,最終導(dǎo)致椎間盤退變的發(fā)生。曹國永等[20]研究發(fā)現(xiàn)AQP3在椎間盤終板軟骨細(xì)胞上有表達(dá)并且通過實驗證明,在椎間盤退變過程中AQP3的表達(dá)呈進(jìn)行性下降。程加峰等[21]研究發(fā)現(xiàn)調(diào)控關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中AQP3表達(dá)可能會改善關(guān)節(jié)軟骨的退變，也可能為臨床防治腰椎間盤退變疾病提供新思路。

2.3 AQP2 AQP2是相對分子質(zhì)量約為30000的糖蛋白,定位在染色體12q13,其中包含4個外顯子和3個內(nèi)含子,其在腎臟中大量分布[22]。研究表明,在椎間盤組織中用免疫組織化學(xué)方法已證實,AQP2存在人類及大鼠髓核細(xì)胞膜上,纖維環(huán)上也有相同蛋白表達(dá),但是其表達(dá)量相對較低[23],近期Gajghate等[24]的實驗結(jié)果表明,AQP2也存在于人和大鼠椎間盤中,證實了相同結(jié)論。但是曹國永等[11]用免疫組織化學(xué)染色法觀察AQPs的表達(dá)與分布發(fā)現(xiàn),AQP1在椎間盤三個組成部分中皆有表達(dá), 在軟骨終板關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)中表達(dá)強(qiáng)烈, 大部分纖維環(huán)細(xì)胞都明顯的表達(dá);AQP3的表達(dá)主要分布于軟內(nèi)終板, 在纖維環(huán)及髓核亦有表達(dá);AQP2未見表達(dá)。并且Richardson等[25]采用免疫組化方法研究AQP-1,2,3在椎間盤的表達(dá),結(jié)果表明, AQP1和AQP3表達(dá)在髓核和纖維環(huán); AQP3在外纖維環(huán)低表達(dá),缺乏AQP1表達(dá); 3種組織均未見AQP2表達(dá)。因此對于AQP2在椎間盤的表達(dá)仍有待進(jìn)一步研究證實。

2.4 AQP4 目前研究表明AQP4不在椎間盤表達(dá),但是AQP4主要分布于脊髓組織中。尹忠民等[26]通過實驗證實脊髓損傷后,大鼠 AQP4陽性表達(dá)呈明顯上升趨勢,提示AQP4可能參與了局部組織水腫形成過程,是脊髓組織發(fā)生水腫的重要因素。研究證實AQP4基因缺陷能夠降低小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞的水通透性，敲除AQP4基因能夠明顯緩解小鼠創(chuàng)傷性腦水腫[27]。因此，AQP4可能與椎間盤退變過程中局部炎性水腫有密切關(guān)系。

3 AQPs表達(dá)的調(diào)控

有研究報道乙酰唑胺能夠特異性地與AQP1、AQP3和AQP4結(jié)合并抑制其功能[28]，并且能選擇性下調(diào)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎成纖維細(xì)胞樣滑膜細(xì)胞中AQP1的表達(dá)，但對AQP3的表達(dá)無明顯影響[29]。目前相關(guān)實驗證實某些中藥也可以調(diào)控不同組織中AQPs的表達(dá),例如于林等[30]通過實驗證實葛根素可以增加大鼠椎間盤AQP1的表達(dá)。張慧慧等[31]通過實驗發(fā)現(xiàn)平胃散可以上調(diào)胃粘膜細(xì)胞的AQP2、AQP9的表達(dá)。張琦等[32]也通過實驗證實溫陽消飲法的代表方苓桂術(shù)甘湯合葶藶大棗瀉肺湯可以分別上調(diào)臟層胸膜間皮細(xì)胞AQP1表達(dá)和下調(diào)壁層胸膜間皮細(xì)胞AQP1表達(dá)。Patil等[33]報道AQP1可能通過環(huán)腺苷酸(Cyclic adenosine monophosphate，cAMP)介導(dǎo)的信號途徑在一定程度上受抗利尿激素(Antidiuretic hormone,ADH)影響,但Yang等[34]報道AQP1不受精氨酸血管加壓素(Arginine vaso pressin,AVP)的調(diào)節(jié)。黃繼華等[35]通過實驗證實AVP可刺激腎臟AQP2的表達(dá),并推測血漿中AVP含量升高后與受體V2結(jié)合,通過胞漿中第二信使cAMP介導(dǎo)的信號途徑促進(jìn)腎臟AQP2的表達(dá)。目前加壓素對AQP2調(diào)節(jié)這一途徑也已經(jīng)比較清楚: 當(dāng)加壓素與受體結(jié)合后,通過G蛋白途徑激活cAMP依賴性蛋白激酶A(PKA)通路,使得AQP2蛋白C末端第256 位的絲氨酸(serine-256)磷酸化,帶有磷酸化AQP2的胞內(nèi)小泡能夠向細(xì)胞膜定向運輸。目前對于AQPs表達(dá)調(diào)控的研究依然十分有限,多數(shù)是利用藥物及化學(xué)因素來研究。上述研究表明,AQPs對椎間盤退變的重要意義,相關(guān)AQPs表達(dá)的調(diào)控依然會是腰椎間盤退行性病變防治研究的重點。

4 小結(jié)

腰椎間盤退行性改變是一個多種因素共同作用的復(fù)雜過程,其退變機(jī)制尚未完全明確,綜上所述,對AQPs在椎間盤退變過程中作用的研究發(fā)現(xiàn): 水是椎間盤的主要營養(yǎng)成分之一,而軟骨終板途徑營養(yǎng)供應(yīng)減少被認(rèn)為是椎間盤退變始動因素。AQPs介導(dǎo)的水轉(zhuǎn)運是水跨膜轉(zhuǎn)運的主要途徑,也是椎間盤多數(shù)營養(yǎng)物質(zhì)的主要轉(zhuǎn)運方式。目前已經(jīng)證實椎間盤主要有AQP1和AQP3的表達(dá),而且某些藥物能夠上調(diào)其表達(dá),可能為以后椎間盤病變靶向防治提供新方法和新思路。

目前對于AQP2在椎間盤的表達(dá)有待進(jìn)一步研究,對于AQP1和AQP3的表達(dá)調(diào)控仍將是椎間盤退變防治研究的重點,同時也應(yīng)該進(jìn)一步研究其它AQPs與椎間盤退變的聯(lián)系。探討更多因素對于相關(guān)AQPs表達(dá)的影響,也許能為椎間盤病變提供更多更有效的靶向治療方法。

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