水通道蛋白4与神经系统疾病☆

陈志志 张淑坤 吴世政

·综述·

水通道蛋白4与神经系统疾病☆

陈志志*张淑坤△吴世政△

水通道蛋白4 脑水肿视神经脊髓炎 癫痫抑郁症

1994年由Agre及Verkman团队分别发现脑组织内存在大量特异的水通道蛋白cDNA，进而发现其为水通道蛋白4（aquaporin4，AQP4）。随后大量研究表明AQP4在中枢神经系统(central nervous system，CNS)相关疾病中起着重要的病理生理作用。本文重点综述了AQP4在CNS疾病如脑水肿、视神经脊髓炎、癫痫、抑郁症、神经退行性病等发病机制中的研究进展。

1 AQP4的结构

AQP4在细胞膜上形成稳定的四聚体，单体大小约30kDa，每个单体都含有分隔的水孔，由6个跨膜螺旋片段及2个非跨膜螺旋片段组成。这种结构决定了其对水的高选择性。AQP4主要由两个经典亚型：M1和M23，为同一基因两个不同的转录起始点所致，M1较长，由323个氨基酸构成，M23较短，由301个氨基酸构成。Smith等[1]发现AQP4的亚型M1、M23聚集状态决定了其亚细胞分布和功能。AQP4四聚体可形成高度有序的结构称之为颗粒正交阵列（orthogonal arrays of particles，OAPs），其中M23是其主要形成因素。OAPs的作用尚不清楚，可能在NMO的病理生理中有着重要作用。

2 AQP4的分布

AQP4在多个器官均有分布，如CNS、肾脏等，尤以在CNS的分布引人注目。AQP4一般表达于CNS间质细胞，广泛分布在星形胶质细胞、嗅神经及内耳支持细胞、视网膜Muller细胞等[2]。在生理情况下，AQP4在CNS呈极性分布：①在细胞层面上，AQP4特异性的分布在星形胶质细胞的特定区域如在足突上高度聚集，这使得AQP4成为星形胶质细胞的潜在标记物。这种极性分布与其特定的锚定机制和细胞周环境有关[3]。②在脑组织整体层面，AQP4可与周边组织形成特定结构：星形胶质细胞足突与软脑膜形成胶质界膜，即CNS-CSF交界面；星形胶质细胞足突可与血管形成CNS-Blood交界面，参与血脑屏障的形成；室管膜与胶质细胞足突形成CNS-CSF交界面。这种分布模式提示AQP4可能促进水的快速流入或流出大脑。在病理情况下，AQP4可失去极性，表现为散在的分布于星形胶质细胞质膜上，这种现象称为“失调”[4]。AQP4的再分布与损伤时星形胶质细胞的功能变化密切相关。

3 AQP4的生理功能

图1 AQP4的结构[5]

图2 AQP4的分布[5]

AQP4的生理功能复杂多样，主要包括维持水电解质平衡、代谢物的排除、细胞迁移、突触可塑性、钙离子信号传导、免疫调节等[2]。以下简述最主要的3个方面：①水和代谢物的清除：AQP4作为水双向转运体，可调节水含量并参与调控细胞外容积，在生理情况下有助于维持脑容积。另有研究表明Aqp4敲除小鼠可延迟清除脑实质细胞内被注入的追踪物，包括β-淀粉样蛋白，因此AQP4功能障碍或易位可能参与神经退行性病的形成，如阿尔茨海默病[6]。②K+稳态：近来，Jin等[7]的结果提示AQP4可影响细胞外容积调节K+的摄取，且K+的摄取可能是AQP4依赖性的，AQP4与Kir4.1可能协同调节水和K+稳态，进而影响神经兴奋性。③细胞迁移：研究显示Aqp4敲除小鼠星形胶质细胞的移动更慢，并使胶质瘢痕形成受损[8]，因此提出AQP4依赖性星形胶质细胞的迁移。其机制可能为细胞内外渗透梯度的改变[8]或者AQP4依赖性的细胞体积形状的改变[9]。最近有研究认为水的通透性可驱使肿瘤细胞的迁移，而AQP可能起着重要作用[10]。

4 AQP4与中枢神经系统疾病

4.1 AQP4与脑水肿多数CNS疾病伴随着脑水肿的发生，严重时可形成脑疝危及生命。因此积极有效的治疗脑水肿具有重要意义。大量研究表明，AQP4与脑水肿的形成及清除有着复杂而密切的关系。以下主要介绍AQP4在细胞毒性和血管源性脑水肿中的作用。

4.1.1 AQP4与细胞毒性脑水肿 多项直接及间接证据表明，在以细胞毒性脑水肿为主的病理过程中，AQP4的下调可减轻脑水肿的形成。一方面，利用基因敲除方法分析，在野生型动物AQP4高表达于以细胞毒性水肿（脑梗死早期，低钠血症，全脑缺血[11]）为主要的病程中，而在Aqp4敲除动物脑水肿明显减轻。另一方面，多种物质对细胞毒性脑水肿的影响是通过对AQP4的调节发挥作用的。唐兆华等[12]发现重组人促红细胞生成素预处理可能通过降低AQP4的表达，减轻糖氧剥夺后星形胶质细胞水肿。

4.1.2 AQP4与血管源性脑水肿 研究表明，在以血管源性脑水肿为主的病理过程如脑肿瘤、蛛网膜下腔出血、癫痫持续状态，Aqp4敲除小鼠较野生型脑水肿更明显[13-14]。上述研究提示：血管源性脑水肿中水的清除是AQP4依赖性的。其机制可能为：①Papadopoulos等[15]认为静水压力促使水通过含AQP4丰富的界面排除，如通过室管膜进入脑室，软脑膜进入蛛网膜下腔，血脑屏障入血管。②Iliff等[6]认为水通过AQP4介导的跨脑实质细胞，进入静脉周围，流入颈部淋巴管，通过蛛网膜颗粒入血。但这两种理论的问题在于水的流动是由细胞内和细胞外渗透梯度决定的。因此，需要其他的研究方法或者更合理的理论解释AQP4依赖性的水清除过程。

4.2 AQP4与视神经脊髓炎Verkman等[16]对AQP4与视神经脊髓炎（Neuromyelitis Optica,NMO）的基础研究进行了详尽的描述，故以下重点简述NMO临床研究进展。在最近的基础研究中，Marcelo等[17]发现相对于其他结构区域，AQP4的信使RNA、蛋白及其超分子聚合物都高度表达于视神经和脊髓，这解释了为什么NMO的病理改变主要累及视神经和脊髓。在临床检验中，Jarius等[18]通过比较经典的AQP4-CBA与新研发的M23-DNA-based CBA，进一步证实了经典的AQP4-CBA检测方法具有高灵敏度及高特异性。在药物研发上，Tradtrantip[19]与Miyazaki[20]团队先后研制出能阻止AQP4-IgG与AQP4结合的单克隆抗体，动物实验证明其能够有效阻止NMO病损区的发展而无明显细胞毒性。总体来看，目前药物研发主要集中于两方面：阻止AQP4-IgG与AQP4结合；促使AQP4-IgG失活，前者包括水通道单克隆抗体（aquaporumab）、抗病毒药物阿比朵尔，后者包括细菌酶（EndoS及IdeS），其中尤以水通道单克隆抗体引人注目，目前正在进行多项优化选择临床前药物实验。虽然AQP4-IgG的发现使大家对NMO的认识有了彻底改变，并促进了相关药物的发展，但仍有很多问题待于解决，如AQP4-IgG如何产生并进入CNS等。

4.3 AQP4与癫痫研究表明，AQP4在癫痫的病程中可能起重要作用。Lee等[21]利用脑电图（EEG）发现Aqp4敲除小鼠自发性癫痫发作次数明显增多，而野生型小鼠在癫痫持续状态早期AQP4含量明显下降。在人体顽固性颞叶癫痫海马组织中，Das等[22]发现神经元肥大，星形胶质细胞聚集激活，AQP4明显升高而Kir4.1下调，提示K+失衡，AQP4/ Kir4.1锚定蛋白复合体功能障碍，而Bebek等[23]却发现AQP4基因表达水平无明显改变，这与之前的研究互相矛盾，需要进一步验证。为进一步了解血管周围AQP4表达变化是否先于癫痫发作，S.Alvestad等[24]发现在癫痫发作的潜伏期，近血管腔足突膜AQP4密度即明显下降，而远管腔足突膜AQP4密度基本稳定或轻度上升，提示AQP4的错位是癫痫发病过程的一部分。因此，AQP4可能协同参与提高神经元兴奋性，并在癫痫发病过程中起一定作用，故调节AQP4的表达可能有助于保持细胞外间质和K+平衡而利于控制癫痫的发作。

4.4 AQP4与抑郁症2013年Rajkowska等[25]利用重度抑郁症患者脑组织标本，发现灰质区星形胶质细胞足突上AQP4免疫反应性明显减少，提示AQP4的功能改变与重度抑郁症的发生相关。随后Kong等[26]进一步研究了AQP4在抑郁症中的作用，发现Aqp4敲除小鼠较野生型抑郁行为明显加重，星形胶质细胞及海马神经再生数明显减少，并且明显下调兴奋性氨基酸转运体(EAAT2)及胶质源性神经生长因子（GDNF），提示AQP4可能通过调节星形胶质细胞功能及海马神经再生而参与抑郁症的发生。因此，AQP4可能会成为治疗抑郁症的潜在靶点。

4.5 AQP4与神经退行性疾病阿尔兹海默病（Alzheimer disease，AD)是一种进行性发展的神经系统退行性疾病，以痴呆为主要临床症状。多项研究表明，AQP4在AD脑组织异常表达，提示AQP4可能参与AD的发生。Parham等[27]发现AD患者脑组织中AQP4免疫反应性明显增强，Yang等[28]利用AD动物模型发现，血管周淀粉样物质沉积区AQP4含量明显减少，而斑块周围AQP4则有所升高，提示AD的病理过程伴随着AQP4的再分布，这也意味着水与K+的失衡可能加重了AD的认知障碍。Hoshi等[29]的研究表明β-淀粉样蛋白（Aβ）的沉积改变了AQP4的表达量，而Iliff等[6]发现AQP4可能促进Aβ的清除，同年Yang[30]对Aqp4敲除小鼠的研究也进一步证实了Hoshi与Iliff的观点。最近，Igarashi等[31]利用新的分子影像技术证实了，老年斑的形成伴随着脑实质中水与脑脊液循环障碍的过程，这也验证了Aβ的清除假说。综上分析，过量Aβ的沉积可能促使AQP4的失调，导致水与K+失衡，并延缓了Aβ的清除，继而恶化AD病程。因此适度上调AQP4的表达可能有助于治疗AD。

4.6 AQP4与脑肿瘤大量研究表明，脑肿瘤细胞中AQP4异常增多，其中尤以胶质瘤的研究较多。多数研究提示，AQP4可能促进肿瘤的生长，加重病情的发展。其机制可能为：①抗凋亡，促进瘤细胞生长：Ding等[32]发现在胶质瘤细胞中，Aqp4敲除可诱导细胞凋亡，说明AQP4具有抗凋亡作用，这将促进肿瘤细胞的生长；②促进细胞迁移和侵袭：Ding等[33]利用干预RNA技术及药物抑制剂下调AQP4的表达，可减轻胶质瘤细胞的迁移，可能是通过下调MMP2所致；③其他：可能会促进血管生成及脑水肿的形成。但有少数研究提示，AQP4可能限制胶质瘤的浸润[34]因此，需要进一步了解AQP4在脑肿瘤中的作用。目前来看，适度下调AQP4的表达可能更有利于控制脑肿瘤的发生发展[35]。

5 结语

近年来，AQP4在神经科学领域的研究取得了显著进展，但由于AQP4的生理病理作用复杂，故以AQP4为药物靶点的研究既重要也困难[36]。一方面，抗AQP4-IgG候选药物正在实验中，这为NMO的治疗提供新希望。另一方面，可依据AQP4在CNS疾病中的病理作用，考虑研发AQP4调节剂，如在以细胞毒性脑水肿、脑肿瘤等疾病中运用AQP4抑制剂，而在血管源性脑水肿、抑郁症、神经退行性病等疾病中运用AQP4激动剂。总之，目前对于AQP4的生理和病理作用认识仍然不足，我们仍需加强相关基础和临床试验促使以AQP4为靶点的相关药物早日运用于临床。

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2014-04-22）

（责任编辑:李立）

10.3936/j.issn.1002-0152.2014.10.015

☆青海省自然科学基金资助项目（编号：2013-Z-921）

*青海大学研究生院（西宁 810016）

△青海省人民医院