杜 名 辛 軍 趙周社 郭啟勇

水通道蛋白理論在疾病診斷中的應用

杜 名 辛 軍*趙周社 郭啟勇

水通道蛋白（AQPs）廣泛分布于細胞，介導水分子的跨膜轉(zhuǎn)運。AQPs與人類正常生理活動及多種疾病的發(fā)生發(fā)展有著密切的聯(lián)系。以水通道蛋白理論為基礎的診斷醫(yī)學具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，采用正電子核素標記示蹤劑PET成像和MR水分子擴散加權成像采用多b值、高b值能夠顯示AQPs分布和表達水平。AQPs分子成像技術對于疾病早期診斷和指導個體化治療均具有重要的價值。

水通道蛋白；磁共振成像；擴散加權成像；分子成像；分子治療

自Agre等在1992年發(fā)現(xiàn)了水通道蛋白，即水孔蛋白（aquaporins，AQPs）后徹底改變了傳統(tǒng)觀念上水在細胞膜擴散（被動轉(zhuǎn)運）觀念，創(chuàng)立了水在細胞膜主動轉(zhuǎn)運全新理論基礎，迄今在哺乳動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)至少存在13種水通道蛋白（AQP 0～AQP12）分子[1-3]。本文對AQPs研究的最新進展予以介紹。

1 水通道蛋白分類及分布

根據(jù)水通道蛋白家族成員的滲透特性可以將其分成兩類，一類對水的轉(zhuǎn)運具有高度選擇性，包括AQP1、2、4、5和8，其專門轉(zhuǎn)運水，含有水通道蛋白的細胞膜上水的滲透率要高于無水通道蛋白的50倍；另一類對水的轉(zhuǎn)運具有相對選擇性，即水甘油通道蛋白，包括AQP3、7、9和10，除可轉(zhuǎn)運水之外，還可以轉(zhuǎn)運小分子氨基酸及糖類，尤其是甘油以及體內(nèi)代謝的中間產(chǎn)物。一些研究者認為有些水通道蛋白還可以轉(zhuǎn)運多種氣體，包括二氧化碳、氨氣、一氧化氮和過氧化氫，但存在爭議[3]。

在人體內(nèi)，水通道蛋白存在于很多部位，包括大腦、眼睛、肝及腎等；其分布與作用如表1所示。AQP10-12作為新興的水通道蛋白，目前研究尚少。

2 水通道蛋白理論的應用

2.1 水通道蛋白理論在診斷中的應用 研究已證實AQP1可促進腫瘤血管生成和血管內(nèi)皮細胞遷移，最新研究發(fā)現(xiàn)在肝硬化過程中，AQP1可增強水的滲透率，加速了成纖維細胞生長因子誘導的肝竇內(nèi)皮細胞膜的皺縮，從而促使病理性血管生成[4]；韓等[5]在水通道蛋白理論及基礎上，構建大鼠肝纖維化模型，進行13NH3-H2O的PET/CT成像，建立三室模型，從而證實大鼠肝纖維化過程中，13NH3-H2O從組織間隙到血管內(nèi)皮細胞轉(zhuǎn)運的過程與AQP1數(shù)量及分布有密切關系。也有相關文獻報道，AQP1在乳腺癌、神經(jīng)母細胞瘤以及骨髓瘤等多種腫瘤內(nèi)高表達[1]。在非腫瘤疾病方面，AQP1在類風濕關節(jié)炎滑膜細胞膜的表達增加所引起的水代謝及轉(zhuǎn)運機制障礙可能是滑膜炎癥和關節(jié)腔積液形成的機制之一[6]；另外，Gao等[7]在大鼠實驗中證實AQP1的高表達與肺損傷和肺纖維化有密切關系。

AQP2是抗利尿激素調(diào)控的水通道蛋白，與腎源性尿崩癥存在一定關系。當AQP2表達異常時，抗利尿激素不再受AQP2調(diào)控，失去與腎臟的抗利尿激素受體的相互作用，以致腎小管不能濃縮尿液。

表1 水通道蛋白在體內(nèi)分布和發(fā)揮的作用

AQP3屬于水甘油通道蛋白，其表達引起的甘油轉(zhuǎn)運是一些細胞增殖的關鍵因素。缺失AQP3的小鼠表現(xiàn)為皮膚干燥，結腸上皮細胞再生和角膜的修復延遲。這是因為AQP3的缺失影響了甘油的代謝和生物合成，使得三磷酸腺苷（ATP）減少，并且阻礙了促分裂素原活化蛋白激酶 （mitogen-activated protein kinases,MAPK）的信號傳導[8]。

AQP4在大腦和脊髓中廣泛表達，特別是參與形成血-腦屏障的星形膠質(zhì)細胞周足處以及室管膜和軟腦膜上皮[1]。AQP4與癲間有著密切的關系：缺乏AQP4的轉(zhuǎn)基因小鼠癲間發(fā)作時間顯著延長，這可能與細胞外K+間隙和間隙連接耦合的改變有關。癲間的組織中發(fā)現(xiàn)K+在體內(nèi)平衡紊亂、上調(diào)，并且AQP4亞細胞分布發(fā)生改變[9]。同時，AQP4在視網(wǎng)膜、內(nèi)耳和嗅覺器官上皮組織中也有表達。AQP4參與大鼠的神經(jīng)興奮性活動，會造成視覺、聽覺和嗅覺障礙，比如視神經(jīng)脊髓炎，并且隨著AQP4數(shù)量的增加，開始發(fā)作的閾值減低，發(fā)作的時間和強度增加[10]。對于小鼠因急性水中毒和缺血性腦卒中發(fā)生的腦水腫 （以細胞毒性腦水腫為主），AQP4的缺失則可以減低發(fā)病程度，降低死亡率，但AQP4的缺失會阻礙血管性腦水腫的恢復[1，11]。

AQP5主要分布于肺的Ⅰ型細胞、上氣道的分泌上皮細胞，其功能的異常與部分肺疾病相關。肺水腫時，肺毛細血管壁通透性增加，血管內(nèi)液體首先在支氣管周圍聚集，進而滲入肺間質(zhì)及肺泡內(nèi)。在氧中毒性肺水腫模型大鼠的研究組發(fā)現(xiàn)，大鼠肺內(nèi)AQP1和AQP5都出現(xiàn)不同程度的下調(diào)，因而認為當急性肺損傷時，在水的清除過程中AQP1和AQP5起到了調(diào)節(jié)作用。然而它們的作用過程并不完全一致：在清除支氣管和脈管周圍組織的水分環(huán)節(jié)中，AQP1作用更突出，而AQP5則主要清除肺泡腔內(nèi)的水分。AQP5在腺體細胞也有表達。食管癌病人的免疫組化染色顯示AQP5的表達與腫瘤大小、組織學類型和腫瘤復發(fā)有關[12]。與正常組織比較，AQP5在胃癌組織中也有高表達[13]。乳腺癌發(fā)展過程中，AQP5的高表達與乳腺導管上皮細胞極性的喪失有很大的關系[14]。

AQP6存在于腎集合管具有H+-ATP酶的細胞囊泡中，可能參與了胃酸的分泌。在pH值較低時，AQP6獨特的陰離子滲透性被激活，在大鼠實驗中證實慢性中毒與水負荷增加時，AQP6的表達顯著增加[15]。

AQP7主要定位于毛細血管內(nèi)皮細胞內(nèi)脂肪組織，參與甘油調(diào)節(jié)，近3～5年未有突破性研究發(fā)現(xiàn)。

AQP8主要分布于消化系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)，具有維持體液和電解質(zhì)平衡的作用。研究表明AQP3和AQP8在腸道炎癥和損傷時表達增加[16]。AQP8雖然在大腦中分布少，但在人腦低級別星形細胞瘤的細胞質(zhì)中表達增加，在高級別星形細胞瘤中表達進一步增加，尤其是惡性膠質(zhì)瘤[17]。因此推測AQP8可能有助于人腦星形細胞瘤的增殖。在特發(fā)性羊水過多的胎盤與胎膜上，AQP8也有著高表達[18]，這說明AQP8在羊水量的調(diào)節(jié)上有著重要作用。

AQP9屬于水甘油通道蛋白，敲除AQP9的大鼠，明顯患有高甘油血癥和高甘油三脂血癥，這說明AQP9可能參與肝臟甘油的攝取和葡萄糖的代謝[19]。AQP9也存在于神經(jīng)節(jié)細胞，研究發(fā)現(xiàn)眼壓升高時，嚙齒類動物的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞死亡增加，此時AQP9表達減少[20]，這一結果可能是因為AQP9表達的缺失影響視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞存活。

目前關于AQP10～12的研究較少，AQP10僅僅表達于脂肪細胞，甚至在有些動物中發(fā)現(xiàn)其是假基因；部分研究者認為AQP10的缺失可能與人類腸結核有一定關系[21-22]。AQP11～12是水通道蛋白家族新亞型，也叫超級水通道蛋白，AQP11與細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)聯(lián)系緊密，并且在腎小管上皮細胞高表達。實驗發(fā)現(xiàn)，在敲除了AQP11的小鼠中發(fā)現(xiàn)了新生的、致命的多囊腎[23]。AQP12是新近發(fā)現(xiàn)的哺乳動物水通道蛋白家族的成員，在胰腺腺泡細胞特異表達。AQP12定位在細胞內(nèi)的細胞器，在快速和強烈的刺激下控制胰液的適當分泌[24]。

2.2 水通道蛋白理論在醫(yī)學成像技術中的應用

2.2.1 擴散加權成像技術 MR擴散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）能夠為活體水分子的分布及運動等特征提供重要信息，并已經(jīng)成為對腦、肝和前列腺等行MRI檢查的常規(guī)方法。測量組織細胞間隙水分子擴散信號，其減弱的程度與水分子運動速度相關，用擴散敏感度b表示。根據(jù)不同的b值獲得的影像所測量的信號值就可以用表觀擴散系數(shù)（ADC）表示，總結歸納ADC值的變化與組織內(nèi)水分子變化之間的聯(lián)系，再以病理為基礎，進而研究疾病與AQPs之間的關系。目前利用此技術的研究較多，且獲得初步結論。

有動物實驗結果表明AQP4基因表達與局部ADC值呈較強的負相關，而在急性腦梗死時局部ADC值與DWI上信號的高低亦呈負相關[25-26]。以乳豬為模型，動態(tài)觀察研究乳豬腦缺血和再灌注后組織ADC值與AQP4之間關系，兩者呈正相關（r＝0.875），并發(fā)現(xiàn)在乳豬腦缺血和再灌注6 h后ADC值達到最低[27]。研究表明鼠腦積水時，出現(xiàn)AQP4高表達現(xiàn)象，ADC值與AQP4之間具有很好的相關性[28]。動物實驗和臨床研究結果表明ADC值與肝硬化程度呈負相關[29-31]。隨著b值提高，良性病灶信號迅速降低，而惡性病灶仍然保持相對高信號，當b值為600 s/mm2時，其可鑒別肝臟病灶的良惡性，并已獲得滿意的臨床結果[32]。

2.2.2 分子成像技術 PET/CT是將CT解剖影像與 PET功能、代謝和分子成像影像相融合，可從分子水平無創(chuàng)、定量測定人體內(nèi)代謝變化。Nakmura等[33]利用11C標記 2－（煙酰胺）－1，3，4－噻二唑[2－（nicotinamide）－1，3，4－thiadiazole，TGN－020]作為AQP顯像劑，結果發(fā)現(xiàn)其能夠與AQP4和AQP1結合，進而證明AQP4和AQP1在小鼠組織內(nèi)分布。韓等[5]以13NH3-H2O為顯像劑，乙酰唑胺為抑制劑，通過PET/CT成像，獲得肝纖維化大鼠血流在肝臟內(nèi)的灌注、擴散及代謝的三室模型，通過不同時間點SUV值的測定，證實AQP1與肝纖維化的不同分期有密切關系。

2.2.3 CT灌注及超聲造影技術 目前也有關于CT灌注成像及超聲造影評價肝纖維化及肝硬化的研究，其都是從宏觀上對肝臟血管的改變進行評價。研究發(fā)現(xiàn)在肝硬化的過程中，病理性血管生成與AQP1有著密切關系，因此結合分子免疫可能在水通道蛋白的研究中有所發(fā)現(xiàn)，然而臨床中要考慮到CT灌注及超聲造影對病人存在的損傷性。

2.3 水通道蛋白理論在治療學中的應用 目前關于水通道蛋白與疾病的研究越來越多，并且發(fā)現(xiàn)他們之間存在聯(lián)系，這為臨床診斷奠定了基礎，同時也為疾病治療提供了新的思路。目前存在兩種分子治療方法，一是利用小分子單克隆抗體，但進展緩慢；另一種為利用AQPs抑制劑。然而關于AQP抑制劑的報道很少，并且意見不一。雖然許多水通道蛋白被巰基反應水銀劑（如汞、汞金）所抑制，但由于這些金屬離子對AQPs的抑制是非選擇性的，并且本身存在很強的毒性，因此不宜應用于臨床。關于AQP1的抑制劑有很多報道，包括四乙胺、乙酰唑胺和二甲基亞砜。然而部分研究者在使用敏感的測量方法評估四乙胺和乙酰唑胺的抑制作用效果后，發(fā)現(xiàn)其抑制作用很小甚至沒有；二甲基亞砜產(chǎn)生的抑制作用也尚不明確[34-37]；而岳等[6]在實驗組證實乙酰唑胺對AQP1的表達有很好的抑制作用，近期李等[38]通過體外實驗初步得出乙酰唑胺對紅細胞上AQP的最低有效抑制濃度。韓等[5]在13NH3-H2O實驗中也證實乙酰唑胺對AQP1有很好的抑制作用。

3 展望

隨著對AQPs的認識和了解，研究者們越來越多地發(fā)現(xiàn)這一家族與人類健康密不可分。作為疾病研究的新方向以及疾病的特殊標志物，相關AQPs的研究必將有更大的突破。AQPs抑制劑的研究為疾病的治療提供了新的思路，盡管目前還處于初級階段，但隨著研究的深入，其將在人類疾病的治療上開創(chuàng)新的里程碑。

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（收稿2014－06－09）

The application of water channel protein theory in disease diagnosis

DU Ming,XIN Jun,ZHAO Zhoushe,GUO Qiyong.Department of PET-CT,Shengjing Hospital of China Medical University,Shenyang 110004,China

The aquaporins(AQPs)are widely distributed in the cells,mediating the transport of water molecules on different types of cell membrane.They are closely related to human normal physiological activities and disease.With the theory of water channel protein in the disease diagnosis,medicine has huge development potential.PET imaging with positron nuclide labeling tracer and MR water molecules diffusion-weighted with different and high b values can show distribution and the expression level of AQPs.AQP molecular imaging technique is of important value not only for the early disease diagnosis but also for the individualized treatment.

Aquaporin;Magnetic resonance imaging;Diffusion weighted imaging;Molecular imaging;Molecular therapy

10.3874/j.issn.1674-1897.2015.01.Z0113

110004沈陽，中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院核醫(yī)學科（杜名，辛軍，郭啟勇）；通用電氣（中國）醫(yī)療系統(tǒng)集團（趙周社）

*審校者

國家自然科學基金（81471718，81271566），遼寧省自然科學基金（2014021088）