艾 莉，魯 宏，林治華

(1.重慶市第七人民醫(yī)院， 重慶 400054； 2.重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院， 重慶 400054)

我國每年有超過200萬的腦創(chuàng)傷患者[1]。創(chuàng)傷性腦水腫是腦創(chuàng)傷后的嚴(yán)重并發(fā)癥，它常常是導(dǎo)致患者致殘甚至死亡的主要原因[2-3]。及時(shí)、有效干預(yù)腦水腫的發(fā)生與進(jìn)程，對(duì)腦創(chuàng)傷患者的預(yù)后具有重大意義[4]。水通道蛋白-4(aquaporin 4，AQP4)是1種調(diào)節(jié)水代謝的膜蛋白，在腦水腫的發(fā)生機(jī)制中至關(guān)重要。目前為止，除了外科手術(shù)外，內(nèi)科常用甘露醇高滲脫水劑治療，具有一定療效，但也產(chǎn)生一些不良反應(yīng)。現(xiàn)就甘露醇對(duì)創(chuàng)傷性腦水腫及AQP4表達(dá)影響進(jìn)行綜述。

1 腦水腫

腦水腫是多種誘因?qū)е履X內(nèi)液體產(chǎn)生過多、異常聚積在細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外間隙的病理過程[5]，屬于繼發(fā)性病理過程。它的發(fā)生與多種因素有關(guān)，例如:血腦屏障破壞、細(xì)胞代謝功能障礙等，顱內(nèi)占位性病變、腦外傷、炎癥及其他多種全身系統(tǒng)性疾病均可引起腦水腫。AQP4、基質(zhì)金屬蛋白酶、緊密連接蛋白等參與腦水腫的形成。在腦創(chuàng)傷中，血管源性腦水腫和細(xì)胞毒性腦水腫尤為重要，兩者共存并此消彼漲。當(dāng)血腦屏障(BBB)遭到破壞時(shí)，毛細(xì)血管內(nèi)的血漿蛋白及水分大量滲出至血管外周及細(xì)胞間質(zhì)內(nèi)，形成血管源性腦水腫。細(xì)胞毒性腦水腫多為細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境發(fā)生改變，繼而發(fā)生細(xì)胞代謝異常、細(xì)胞膜功能障礙等一系列病理生理變化，最終導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外的Na+、K+及Ca2+交換發(fā)生障礙。創(chuàng)傷性腦水腫是腦組織在外力的作用下導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外間隙內(nèi)水份增多。文獻(xiàn)[6]報(bào)道，重型顱腦損傷所致的腦水腫，創(chuàng)傷早期以血管源性腦水腫為主，后期則以細(xì)胞毒性腦水腫為主。

2 AQP4

2.1 AQP4的結(jié)構(gòu)與分子亞型

AQP4由Agre于1994年于大鼠肺臟中克隆分離出，是1種具有高度選擇性的水雙向轉(zhuǎn)運(yùn)的跨膜通道，維持著大腦水平衡，并穩(wěn)定其內(nèi)環(huán)境[7]。AQP4基因位于人類染色體18q11.2與q12.1之間的銜接處，包含4個(gè)外顯子和3個(gè)內(nèi)含子，其中127、55、27及92位氨基酸序列分別由4個(gè)外顯子編碼。AQP4的蛋白單體均由8個(gè)跨膜α右手螺旋和2個(gè)不完全跨膜的螺旋構(gòu)成，分子量約30 kDa。如圖1所示，AQP4單體包含5個(gè)環(huán)，親水性A、C、E環(huán)位于細(xì)胞外，但其氨基端和羧基端均位于細(xì)胞內(nèi)，C端有5個(gè)氨基酸且對(duì)AQP4能固定在細(xì)胞膜上非常關(guān)鍵，起連接作用。疏水性B、D環(huán)則在細(xì)胞內(nèi)，均具有天冬酰氨-脯氨酸-丙氨酸基序(NPA)如圖2所示，此為AQPs家族的特征序列，在水轉(zhuǎn)運(yùn)功能上起到了決定性作用，研究發(fā)現(xiàn)B、E環(huán)結(jié)構(gòu)的改變會(huì)引起水通道的通透性發(fā)生改變。2個(gè)NPA 結(jié)構(gòu)相對(duì)折疊形成一直徑約0.38 nm的孔道，僅能通過1個(gè)水分子，此結(jié)構(gòu)即為水通道蛋白“沙漏模型”三級(jí)結(jié)構(gòu)。在功能層面上，每個(gè)亞單位均可成為一個(gè)單獨(dú)的水通道[7]。

圖1 AQP4單體結(jié)構(gòu)圖

圖2 NPA結(jié)構(gòu)圖

AQP4的功能亞型有M1、M23和MZ 3種。M1含有323個(gè)氨基酸殘基，它的水通透性最高；M23含有301個(gè)氨基酸殘基，是腦組織中最常見的一種亞型，其含量亦最豐富，且可形成正交列陣結(jié)構(gòu)(orthogonal arrays of particles，OAPs)，它們是質(zhì)膜中類似晶體的超分子組件，OAP可能由共同表達(dá)的M1-M23 AQP4雜四聚體組成[9]。OAP為AQP4的特有結(jié)構(gòu)，不僅能使水分子通透性增強(qiáng)，促進(jìn)AQP4在星形膠質(zhì)細(xì)胞的極化，還可輔助AQP4定位于細(xì)胞膜上[10]。Alikina等[11]研究結(jié)果顯示，M1 mRNA編碼AQP4-M1，M23 mRNA及M23 X mRNA共同編碼AQP4-M23。正常情況下，AQP4-M1與AQP4-M23的比例相對(duì)穩(wěn)定，但在某些因素的作用下此比例將發(fā)生改變，從而使質(zhì)膜的通透性隨之改變[12]。Mubariz F等[13]研究表明，雖然M1和M23的通透性相似，但兩者的表達(dá)水平不同，前者要低于后者。因此，M23亞型的單位水滲透率低于M1亞型。

2.2 AQP4的分布與功能

AQP4在顱腦內(nèi)主要位于支持細(xì)胞中，介導(dǎo)自由水跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，參與腦脊液形成與重吸收。正常情況下，AQP4在血腦屏障的血管基底膜、星形膠質(zhì)細(xì)胞足突(P)上的表達(dá)水平與其在細(xì)胞膜(M)上的表達(dá)水平的標(biāo)準(zhǔn)比(P/M)為12∶3，呈極性分布態(tài)勢(shì)[15]。腦創(chuàng)傷時(shí)，AQP4的極性分布反轉(zhuǎn)，在損傷區(qū)星形膠質(zhì)細(xì)胞上的表達(dá)水平顯著升高，腦水腫的類型及輕重程度隨之發(fā)生變化，證明這種極性分布與其在腦內(nèi)水平衡中發(fā)揮重要作用有關(guān)[14-16]。AQP4還可存在于海馬體、胼胝體、下丘腦等組織中，尤其是在下丘腦視上核和室旁核，AQP4高度表達(dá)，滲透壓變化1%便可引起抗利尿激素釋放，推測(cè)AQP4可能作為滲透壓感受器或受體，參與全身的水平衡[17]。AQP4被證實(shí)是一種黏附分子，對(duì)細(xì)胞的遷移和神經(jīng)興奮、突觸可塑性等生理功能起作用[18]。除此之外，研究證實(shí)AQP4還參與代謝物的排除、鈣離子信號(hào)傳導(dǎo)、免疫調(diào)節(jié)、谷氨酸鹽穩(wěn)態(tài)和鐵傳遞等，如表1所示。

表1 AQP4在腦內(nèi)的主要分布與功能

3 甘露醇

甘露醇屬于糖醇類的單糖大分子物質(zhì)，提制于褐藻細(xì)胞。甘露醇不能被人體代謝，且腎小管對(duì)其重吸收極少，因此大量以原形的形式通過腎臟排出體外。甘露醇通過升高血管內(nèi)的滲透壓，促使水分從組織內(nèi)進(jìn)入血管，起到脫水降壓的作用。甘露醇還可經(jīng)增加血容量、提升腦組織供氧的途徑，降低顱內(nèi)壓。除此之外，推測(cè)甘露醇可能對(duì)腦脊液的分泌和再吸收有影響。甘露醇有良好的利尿、降顱壓、減輕腦水腫作用，兼之擁有起效快，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在臨床中廣泛用于降顱壓，防止腦疝形成[19-20]，臨床較常用20%的甘露醇。甘露醇的副作用也較多，水和電解質(zhì)紊亂是最常見的不良反應(yīng)之一，這是因?yàn)槎虝r(shí)間內(nèi)快速靜滴大量甘露醇，致使體內(nèi)甘露醇的量迅速增加，血容量隨之迅捷擴(kuò)充，誘發(fā)心力衰竭、低鈉血癥等多種嚴(yán)重并發(fā)癥。一般情況下，甘露醇進(jìn)入體內(nèi)后，可不經(jīng)BBB而快速進(jìn)入細(xì)胞外液，但當(dāng)血液中甘露醇含量較高或酸中毒或BBB受損時(shí)，甘露醇則可透過BBB導(dǎo)致顱內(nèi)壓升高的“反跳”現(xiàn)象。甘露醇還可導(dǎo)致腎功能損害，這是其較嚴(yán)重的不良反應(yīng)。有17.3%～34.3%的患者(年齡<60歲)使用甘露醇后出現(xiàn)腎損害，老年人及有并發(fā)癥的人群出現(xiàn)腎損害的比例更高[21-23]。

4 AQP4、創(chuàng)傷性腦水腫及甘露醇之間的關(guān)系

4.1 AQP4與創(chuàng)傷性腦水腫

創(chuàng)傷性腦水腫的類型可隨腦創(chuàng)傷后時(shí)間的推移而出現(xiàn)多種水腫類型的混合，常常為血管源性腦水腫與細(xì)胞毒性腦水腫并存[6]。AQP4與腦水腫形成和消退密切相關(guān)，AQP4的調(diào)節(jié)失衡是創(chuàng)傷后腦水腫形成與發(fā)展的主要因素。AQP4在創(chuàng)傷性腦水腫的不同時(shí)期、不同類型中有著不同的作用[24]，具有雙重性。多數(shù)研究表明，當(dāng)AQP4表達(dá)上調(diào)時(shí)，能緩解血管源性腦水腫，加劇細(xì)胞毒性腦水腫，反之亦然。但少數(shù)研究[25]發(fā)現(xiàn)，AQP4的表達(dá)在細(xì)胞毒性腦水腫時(shí)下降，而在血管源性腦水腫時(shí)上升，認(rèn)為這是機(jī)體對(duì)抗腦水腫的一種自身保護(hù)機(jī)制，也推測(cè)可能是細(xì)胞毒性腦水腫與血管源性腦水腫同時(shí)存在時(shí)，兩者之間的中和作用所致。目前AQP4調(diào)節(jié)腦水腫的確切機(jī)制依然不明確。國外研究顯示[26]，AQP4表達(dá)的早期升高與離子性腦水腫和星形膠質(zhì)細(xì)胞腫脹的形成和發(fā)展密切相關(guān)，AQP4可以與其他跨膜結(jié)構(gòu)共同表達(dá)一個(gè)內(nèi)向整流K+通道-KIR4.1，通過K+形成的滲透梯度驅(qū)動(dòng)水分子經(jīng)AQP4的跨膜運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響水穩(wěn)態(tài)?；酋ｋ孱愂荏w1(sulfonyurea receptor 1，SUR1)是一種ATP結(jié)合盒式轉(zhuǎn)運(yùn)體，調(diào)節(jié)成孔亞基。成孔亞基瞬時(shí)受體電位通道4(transient receptor potential melastatin 4，TRPM4)是由細(xì)胞內(nèi)Ca2+激活的非選擇性一價(jià)陽離子通道。SUR1與TRPM4具有協(xié)同作用，能增加Ca2+的敏感性，兩者形成的復(fù)合物SUR1-TRPM4與腦水腫形成有關(guān)。腦創(chuàng)傷時(shí)，AQP4與SUR1-TRPM4聚集在一起形成異多聚水/離子通道復(fù)合體，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+的升高，SUR1-TRPM4通道被激活，Na+內(nèi)流，局部滲透壓升高，驅(qū)動(dòng)水分子經(jīng)AQP4流入膜內(nèi)，從而介導(dǎo)跨膜水通量和星形膠質(zhì)細(xì)胞腫脹[27]。在上述機(jī)制中，AQP4可能通過釋放ATP后嘌呤能受體的激活參與細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)傳遞。以上研究均表明，創(chuàng)傷性腦水腫形成過程中，細(xì)胞內(nèi)外離子濃度差是水跨膜流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，而AQP4則以不同的角色參與其中。

4.2 甘露醇與創(chuàng)傷性腦水腫及AQP4

甘露醇為高滲透壓脫水劑，是臨床用于顱腦創(chuàng)傷后降顱壓的標(biāo)準(zhǔn)藥物[28]，其作用機(jī)制是快速升高血漿滲透壓，使血管內(nèi)處于高滲狀態(tài)，后者驅(qū)使水分子自腦組織轉(zhuǎn)向血管內(nèi)，導(dǎo)致腦組織水分減少[29]。研究證實(shí)，甘露醇導(dǎo)致顱內(nèi)壓反跳是因?yàn)樗谀X脊液和血清中的排出速度不同，前者慢于后者，使得腦脊液的滲透壓升高。腦創(chuàng)傷主要病理改變?yōu)檠茉葱阅X水腫，并在創(chuàng)傷早期就出現(xiàn)，后期以血管性腦水腫為主的混合性水腫[30]。腦創(chuàng)傷早期BBB被破壞，甘露醇通過BBB在腦創(chuàng)傷區(qū)不斷積聚，局部形成高滲狀態(tài)，促使血管源性腦水腫加重[31]。同時(shí)，在甘露醇所致的高滲條件下，甘露醇通過激活p38 MAPK途徑，誘導(dǎo)AQP4 mRNA的表達(dá)，進(jìn)而促使AQP4表達(dá)上調(diào)，如圖3所示，促使細(xì)胞毒性腦水腫加重[32-34]。然而，具體詳細(xì)的作用機(jī)制仍不清楚，僅發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)高滲調(diào)節(jié)的關(guān)鍵順式作用元件位于AQP4外顯子0的5’端旁側(cè)的-345與-428之間[32]。Sunmc等[34]發(fā)現(xiàn)，在小鼠重型顱腦損傷模型中，創(chuàng)傷8 h后腦組織嚴(yán)重水腫，AQP4表達(dá)明顯上升，且其表達(dá)水平與腦水腫輕重呈正相關(guān)；而創(chuàng)傷后立即使用甘露醇治療，發(fā)現(xiàn)腦水腫得到減輕，AQP4表達(dá)亦下調(diào)。李冬梅等[35]研究亦證實(shí)，創(chuàng)傷6 h首次使用甘露醇能抑制AQP4的表達(dá)及減輕腦細(xì)胞水腫，AQP4表達(dá)減少可能與顱內(nèi)壓降低及腦灌注增加有關(guān)。但少數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，甘露醇不僅能提前腦水腫高峰時(shí)間，還會(huì)延長(zhǎng)腦水腫持續(xù)時(shí)間，并且不同濃度甘露醇均可引起創(chuàng)傷區(qū)腦水腫的加重及AQP4表達(dá)上調(diào)[36]。2種觀點(diǎn)不一致，推測(cè)與腦創(chuàng)傷時(shí)間及腦水腫類型有關(guān)，但兩者均提示甘露醇對(duì)AQP4的表達(dá)有影響。通過上述資料可得出，在腦創(chuàng)傷早期以血管源性腦水腫為主時(shí)，快速、短期、適量應(yīng)用甘露醇可下調(diào)AQP4的表達(dá)，減輕腦水腫；長(zhǎng)期獨(dú)立使用或大劑量使用甘露醇治療腦水腫則可能因?yàn)楦事洞嫉拇罅糠e聚上調(diào)AQP4的表達(dá)，加重腦水腫，并產(chǎn)生一系列毒副作用，尤其是可能引起腎功能衰竭，其發(fā)生率與使用劑量及給藥速度呈正相關(guān)[37-40]。因此，甘露醇在治療創(chuàng)傷性腦水腫時(shí)是一把“雙刃劍”，進(jìn)一步研究甘露醇對(duì)AQP4的調(diào)節(jié)作用機(jī)制，有利于在創(chuàng)傷后不同時(shí)間，根據(jù)腦水腫不同類型，選擇甘露醇的使用時(shí)間及劑量；同時(shí)，阻斷甘露醇對(duì)p38 MAPK途徑的激活或抑制p38 MAPK對(duì)下游信號(hào)的調(diào)節(jié)，從而影響AQP4的表達(dá)，或可成為提高甘露醇療效并減輕其毒副作用的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

圖3 甘露醇誘導(dǎo)AQP4表達(dá)的信號(hào)通路圖

5 結(jié)論

AQP4與創(chuàng)傷性腦水腫緊密相關(guān)。甘露醇可通過p38 MAPK途徑誘導(dǎo)AQP4表達(dá)的變化，但p38 MAPK信號(hào)通路中有哪些下游因子參與了對(duì)AQP4的調(diào)控、AQP4的具體作用位點(diǎn)位于何處等都不明確；除了p38 MAPK通路外，甘露醇是否還可通過其他路徑影響AQP4的表達(dá)，這些都需進(jìn)一步深入研究。臨床治療創(chuàng)傷性腦水腫時(shí)，正確選擇甘露醇的應(yīng)用時(shí)間和劑量，最大限度規(guī)避其不良反應(yīng)，擴(kuò)大其治療作用[41-42]，是臨床醫(yī)生一直探討的焦點(diǎn)。探討甘露醇對(duì)AQP4表達(dá)影響的分子機(jī)制，有利于甘露醇治療創(chuàng)傷性腦水腫的效果達(dá)到最優(yōu)化，也有望為分子靶向治療腦水腫提供依據(jù)。