任 煒 趙自剛 牛春雨 (河北北方學院微循環(huán)研究所，河北 張家口 075000)

水通道蛋白在急性肺損傷中的作用機制

任 煒1趙自剛 牛春雨 (河北北方學院微循環(huán)研究所，河北 張家口 075000)

水通道蛋白;急性肺損傷

急性肺損傷(ALI)常導致急性呼吸衰竭，目前尚未完全闡明其發(fā)病機制。由于急性肺水腫是其主要病理學特點，故水在肺組織細胞內(nèi)外、肺泡膜內(nèi)外轉運能力的強弱則成為ALI形成的關鍵。水轉運機制主要有兩種，一種是通過脂質(zhì)雙分子層的簡單擴散，另一種是通過細胞膜蛋白質(zhì)的選擇性轉運作用，大量證據(jù)表明這種細胞膜蛋白質(zhì)的選擇性轉運作用是由水通道蛋白(AQPs)介導的，AQPs是肺內(nèi)水轉運的一個重要途徑，與ALI時水的代謝和轉運障礙密切相關〔1〕。本文重點對AQPs及其在ALI發(fā)病機制中的作用進行綜述。

1 AQPs的分子結構及其在肺組織的表達與功能

1.1 AQPs的分子結構 AQPs主要介導自由水分子跨生物膜的轉運〔2〕。AQPs是一種糖蛋白，相對分子質(zhì)量約為28 000，由250～300個氨基酸殘基組成;包含6個跨膜分布的右旋α-螺旋和5個螺旋間環(huán)區(qū)(A-E)，其氨基和羧基末端位于細胞膜的內(nèi)表面，并且序列高度相似;疏水性的螺旋間環(huán)區(qū)B和E包含高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸序列，相互重疊的插在脂質(zhì)雙分子層中，形成立體的“沙漏”樣結構〔3〕，中央是水分子進出的通道。完整的AQPs以四聚體形式存在，每一個AQP分子有其特異性的多肽序列，形成不同大小尺寸的膜孔，形成獨立的水通道。

1.2 AQPs在肺組織的表達 迄今為止，至少發(fā)現(xiàn)四種AQPs在肺和呼吸道內(nèi)表達〔1，4〕:AQP1表達于整個肺和呼吸道的微血管內(nèi)皮細胞中;AQP3表達于大氣道的上皮細胞;AQP4表達于整個氣道上皮細胞;AQP5主要表達于Ⅰ型肺泡上皮細胞和黏膜下腺細胞內(nèi)。這些AQPs在出生時會顯著增加，并受生長因子、炎癥因子、激素及滲透應力的調(diào)節(jié)。

1.3 肺AQPs的功能 肺內(nèi)跨肺泡-呼吸膜的液體轉運從新生兒期就開始了〔5〕，對整個肺及肺內(nèi)單個細胞的生物物理檢測表明，跨肺泡上皮細胞和肺血管內(nèi)皮細胞對水通透性非常高;在高通透性的環(huán)境中，肺內(nèi)AQP1和AQP5是滲透梯度驅(qū)動水轉運的主要通道，AQPs對于維持肺的功能具有非常重要的意義。隨著AQPs基因敲除小鼠的出現(xiàn)，可以清晰地認識AQPs在肺和呼吸道生理和病理生理狀態(tài)下的作用〔6〕。研究表明〔7，8〕，肺泡腔和毛細血管內(nèi)滲透性水通透的驅(qū)動力在AQP1或AQP5敲除小鼠降低了10倍;AQP1基因敲除小鼠表現(xiàn)出顯著的跨肺泡呼吸膜滲透梯度驅(qū)動水轉運能力的降低，但對肺內(nèi)水的浸潤影響并不大，這一過程可能更大程度上取決于細胞旁通路水的轉運;AQP1聯(lián)合AQP4或AQP1聯(lián)合AQP5基因敲除后通透性的驅(qū)動力進一步降低;氣道內(nèi)AQP3和AQP4參與水的轉運，但AQP敲除并沒有影響氣道的水合作用、表面液體層的調(diào)節(jié)作用及等滲液的吸收;AQP5敲除后，上呼吸道黏膜下腺分泌減少，但分泌液的蛋白含量顯著增加。盡管AQPs在肺內(nèi)滲透性驅(qū)動的水轉運中扮演關鍵角色，但AQPs基因敲除并沒有對肺的主要功能產(chǎn)生顯著性的影響，比如肺泡液的清除能力、肺損傷后水腫液的積聚?？紤]此作用可能在生理情況下，水的轉運依賴于滲透壓的作用可能更為主要;但在病理情況下，AQPs則發(fā)揮更為主要的作用。

2 AQPs在ALI發(fā)病機制中的作用

2.1 AQPs在內(nèi)毒素性ALI中的作用 李波等〔9〕通過靜脈注射脂多糖(LPS)建立內(nèi)毒素性ALI模型，發(fā)現(xiàn)在給予LPS出現(xiàn)ALI后，正常表達于氣道和肺泡周圍毛細血管內(nèi)皮細胞內(nèi)的AQP1明顯減少，正常Ⅰ型肺泡上皮細胞陽性表達的AQP5也顯著降低;AQP3和AQP4在整個實驗過程中與對照組比較未見任何差異;同樣的結果應用實時定量PCR技術和蛋白印跡得到了進一步證實。鐘佰強〔10〕實驗也發(fā)現(xiàn)內(nèi)毒素性肺損傷后AQP1和AQP5的表達水平下降;靜脈給予糖皮質(zhì)激素地塞米松后，ALI改善的同時，AQP1和AQP5也明顯提高。Jiao等〔11〕報道，注射LPS后4～48 h，損傷肺內(nèi)AQP1和AQP5表達顯著下降，而給予類固醇激素后可部分使AQP1水平上升，但對AQP5無影響。由于AQP1主要表達于肺內(nèi)微血管內(nèi)皮細胞，血源性帶來的損傷首先作用于內(nèi)皮細胞，導致了AQP1的表達降低，進而引起跨血管壁水轉運能力的降低。而AQP5表達下調(diào)表明肺泡上皮細胞受損及功能障礙，對肺泡腔內(nèi)液體的清除能力的降低?？梢?，AQP1和AQP5在膿毒血癥相關的ALI中可能扮演更重要的角色;鑒于類固醇激素或糖皮質(zhì)激素的作用，推測:機體應激性的腎上腺皮質(zhì)激素分泌增多及過度活化的炎癥反應可能是AQPs在ALI時表達改變的關鍵因素。但是，AQP1和AQP5表達降低的具體機制與相關信號轉導的作用還不清楚，AQP1和AQP5表達降低的后續(xù)事件也值得探討。

2.2 AQPs在藥物性ALI中的作用 Gabazza等〔12〕研究發(fā)現(xiàn)，氣管內(nèi)滴注或皮下注射博來霉素誘導的兩種肺損傷的動物模型上Ⅰ型肺泡上皮細胞內(nèi)AQP5的表達顯著下降;AQP5基因敲除小鼠表現(xiàn)為肺泡壁變厚，細胞外Ⅰ型膠原沉積。Jang等〔13〕研究發(fā)現(xiàn)，博來霉素引起ALI時，AQP1的表達從第4天開始顯著降低，而AQP5的表達在第4、7和11天時明顯上升。這些結果表明，AQPs參與了藥物性ALI的發(fā)生，但在藥物性ALI發(fā)展過程中的確切作用還不清楚。

2.3 AQPs在病毒感染致ALI中的作用 氣管內(nèi)腺病毒感染往往會出現(xiàn)肺內(nèi)炎癥和水腫的產(chǎn)生。AQPs是水在肺內(nèi)遠端肺泡-呼吸膜屏障兩側轉運的關鍵通道。因此，病毒感染后肺內(nèi)水處理異常狀態(tài)下AQPs的變化值得關注。Towne等〔14〕報道，AQP1和AQP5的轉錄和蛋白表達在腺病毒注射后的第7、14天均顯著降低;免疫組織化學染色分析表明，AQP1和AQP5的表達降低并沒有僅僅局限在感染局部，而是全部肺內(nèi)的一種表現(xiàn)。因此推測，AQP1和AQP5參與了病毒性感染后水腫液滲出的過程，但其具體過程有待進一步探討。此外，Northern印跡分析發(fā)現(xiàn)，病毒性損傷不單使肺AQPs表達下調(diào)，上皮鈉通道(ENaC)也受到顯著抑制〔15～17〕。肺泡Ⅱ型上皮細胞對鈉離子的攝取主要通過位于頂端膜上的ENaC完成，隨后被位于基底膜上的Na+-K+-ATP酶泵入組織間隙，ENaC在鈉離子跨肺泡上皮轉運過程中扮演重要作用;Towne等〔14〕實驗表明，腺病毒感染的第7、14天，肺內(nèi)ENaC的表達顯著降低;ENaC表達下降可引起鈉離子跨肺泡Ⅱ型上皮細胞轉移進入肺泡間隙減少，滲透梯度的破壞導致肺泡腔內(nèi)的液體不能通過AQPs進入組織間隙，因此，病毒性ALI肺水腫的形成除與AQPs有關外，還可能與ENaC表達下降有關。

2.4 AQPs在高氧性ALI中的作用 高氧性ALI晚期往往出現(xiàn)間質(zhì)、肺泡甚至整個肺纖維化病變〔18〕。研究表明，在高氧性ALI發(fā)展過程中 AQPs功能障礙扮演重要作用〔19，20〕。岳冬梅等〔21〕對高氧性ALI動物模型的研究發(fā)現(xiàn)，AQP1在高氧暴露的第3天開始下降，第5、7天顯著降低，但在第14天開始其表達有所回升;且AQP1下降最顯著的時間段正是肺內(nèi)炎性水腫發(fā)生的高峰期;高氧暴露的第14天隨著AQP1蛋白表達回升，水腫液也開始逐漸消散。譚利平等〔22〕報道，高氧暴露后AQP5在肺泡Ⅰ型上皮細胞和氣道分泌上皮的表達逐漸減弱，并且其表達趨勢也與肺損傷的嚴重程度相平行，給予糖皮質(zhì)激素雖然可以改善肺損傷的程度，但并不能改變AQPs的表達。這些結果強烈支持AQPs參與了高氧性ALI的發(fā)生，但具體的相關事件還有待進一步探究。

2.5 AQPs在失血性休克ALI中的作用 失血性休克狀態(tài)下大約有40%會出現(xiàn) ALI〔23，24〕，AQPs是否也參與失血性休克后ALI的發(fā)生，值得探討。招偉賢等〔25〕在失血性休克聯(lián)合LPS二次打擊大鼠模型上發(fā)現(xiàn)，損傷肺內(nèi)AQP1和AQP5的表達顯著降低，6%羥乙基淀粉復蘇后，AQP1和AQP5的表達能夠得以維持;AQP1和AQP5的表達與肺內(nèi)水的含量、損傷程度密切相關;結果表明，AQP1和AQP5對于維持失血性休克后肺內(nèi)水的平衡具有重要意義，AQP1和AQP5表達紊亂是失血性休克引起肺水腫的主要機制之一。前期研究發(fā)現(xiàn)，腸淋巴管結扎減少休克后腸淋巴液回流，可減少失血-LPS二次打擊、失血性休克后的 ALI〔26，27〕，但阻斷休克腸淋巴液回流減少 ALI的機制是否與AQPs有關，值得進一步關注。

3 展望

盡管有大量的學者和研究關注于AQPs，但仍有許多問題有待闡明。比如，AQPs在ALI時表達變化的生物學效應是什么，AQPs表達的變化究竟是一種損傷性表現(xiàn)，還是一種抗損傷的代償，AQPs在生理與病理生理條件下在肺內(nèi)的分布、表達與調(diào)控的深入研究，將為以AQPs為靶點防治ALI的研究打開新視野，也可為臨床ALI的治療提供新思路。

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A

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10.3969/j.issn.1005-9202.2015.09.122

國家自然科學基金資助項目(30370561);河北省高校百名創(chuàng)新人才支持計劃(BR2-105)

1 張家口學院

趙自剛(1974-)，男，碩士，教授，碩士生導師，主要從事創(chuàng)傷休克研究。

任 煒(1975-)，女，碩士，副教授，主要從事創(chuàng)傷休克研究。

〔2013-12-06修回〕

(編輯 杜 娟/張 慧)