NKCC1和AQP4在缺血性脑水肿中的作用机制

蔡鸣综述，武衡审校

（南华大学附属第一医院神经内科，湖南衡阳421001）

NKCC1和AQP4在缺血性脑水肿中的作用机制

蔡鸣综述，武衡审校

（南华大学附属第一医院神经内科，湖南衡阳421001）

水孔蛋白质类；钠氯同向转运体；脑/生理学；脑水肿；脑缺血；布美他尼；综述

脑水肿是指水在脑组织细胞内外的异常蓄积，常分为细胞毒性脑水肿、离子性脑水肿及血管源性脑水肿。细胞毒性脑水肿多是由于早期组织缺血缺氧引起细胞能量代谢障碍而引起水钠潴留，血管源性脑水肿是由于血-脑屏障（BBB）破坏所致，脑水肿是脑缺血损伤后常见的并发症之一，其病理生理机制是致残及致死的重要原因。脑水肿的机制尚未完全清楚，离子通道、转运蛋白、交换蛋白可能均参与了脑水肿的形成，因此，目前脑水肿的治疗主要依靠医生经验，弄清其特定参与的交换蛋白及离子通道将可能为其提供特异性的理论基础。大脑的BBB、脉络丛上皮细胞、神经胶质细胞等通过精确调节溶质和水在其主要细胞屏障的转运达到细胞内外液体的动态平衡，当发生各种损伤时，这种平衡遭到破坏，脑水肿的发生机制是复杂而逐步的过程，在很大程度上受星形胶质细胞的影响。目前，关于存在于星形胶质细胞上的钠钾氯同向转运蛋白1（NKCC1）和水通道蛋白4（AQP4）的研究已经很多，但二者相关性的研究却甚少。本文将重点从NKCC1及AQP4 2个方面对缺血性脑水肿的分子机制作一综述。

1 AQP4 机制

AQP是近年发现的与水通透性有关的细胞膜双向转运蛋白，对水的跨膜转运和细胞内外环境平衡有重要作用，因而认为其参与了脑水肿的发生[1]。AQPs家族在机体广泛分布，大多由于执行着各部位水分重吸收、液体分泌和细胞内外水平衡功能，所以一般在与体液吸收或者分泌相关的上皮细胞及跨膜途径的内皮细胞中选择性分布。中枢神经系统分布的AQP主要是AQP1及AQP4，更主要的是AQP4[2]，其主要分布在室管膜、脉络膜，与脑脊液的分泌和重吸收部位一致，因为AQP4的表达在大脑-脑脊液的血-脑接口，AQP介导的反式室管膜CSF的吸收从而减少脑积水，对脑水肿起调节作用。大量研究表明，APQ4在脑水肿表达是上调的。Yoneda等[3]发现，AQP4 mRNA很少表达于神经元、少突胶质细胞、小胶质细胞及脑膜成纤维细胞，其主要表达与星形胶质细胞内。有研究发现，予以AQP4特异性的抑制剂2-（烟酰胺）-1，3，4-噻二唑作用后，脑组织发生缺血性损伤时脑水肿程度明显减轻[4]。Manley等[4]通过研究证实，APQ4基因敲除后，小鼠水中毒后脑水肿程度及血管周围星形胶质细胞足突肿胀明显下降，脑水肿相对于普通老鼠程度轻且更晚，预后较好，提示APQ4的存在可能加速脑水肿的发展及形成。Strand等[5]也通过降钙素相关基因肽抑制APQ4的表达后，发现脑水肿减轻。以上通过基因敲除及APQ4抑制剂后均可证实APQ4在脑水肿的形成过程中表达上调，通过基因敲除或者抑制剂后脑水肿程度均减轻，进一步证明了脑水肿的形成、发展与APQ4密切相关。张茂彬等[6]通过大脑中动脉栓塞后的脑缺血模型发现，在大鼠局灶性脑缺血后AQP4的表达与脑组织含水量成正相关。另有研究证明，与正常对照组比较，建立大脑中动脉栓塞模型后，梗死灶周围AQP4表达增加，同时脑水肿加重，并伴随神经元凋亡[7]。野生型大鼠在大脑中动脉栓塞后24 h内的病死率及神经功能损害程度均明显高于基因敲除组[8]。在星形胶质细胞培养时发现，氧浓度低时，AQP4和AQP9 mRNA的表达会下调，而当氧浓度增加时，AQP4水平相应增加，在脑缺血模型上得到证实，梗死灶周围的AQP4和AQP9 mRNA表达增加[9]。然而，在关于APQ4与脑水肿的研究有着不同的结果，目前普遍认为，APQ4在细胞毒性脑水肿中起促进作用，而在血管源性脑水肿中具有抑制作用。缺血性脑卒中早期细胞毒性脑水肿占主导地位，水分子的跨膜转运主要依赖于APQ4，其跨膜转运的动力来源于细胞内外渗透压不平衡产生的渗透压梯度。目前的研究认为，细胞内渗透压的维持主要靠Na+-K+-ATP酶的主动转运作用。

2 NKCC1机制

NKCC是一种离子转运体，分为NKCC1和NKCC2 2种异构体，广泛分布于全身，其中在中枢神经系统唯一存在的是NKCC1，主要表达在微血管的内皮细胞、星形胶质细胞和神经元的细胞膜上，对维持BBB、选择性离子通透性、保持星形胶质细胞和神经元细胞内正常离子浓度及细胞容积的结构基础起着重要作用[10]。NKCC1是SLC12基因家族的阳离子氯化物共转运体，为存在细胞质膜转运Na+、K+及Cl-的膜蛋白。NKCC1表达于分泌上皮细胞的基底膜，在BBB的微血管内皮细胞运输Na+和Cl-从血液进入大脑。在生理条件下，NKCC1的活性调节有助于维持对细胞外渗透压和细胞内溶质含量的变化，以防止细胞体积的过度膨胀和皱缩。因为离子主动转运消耗ATP需要驱动的Na+-K+-ATP酶，其建立所需的电位差，在脑组织缺血的早期阶段，液体积聚。因此，NKCC1对离子的转运作用是重要的。Arumugam等[11-12]通过氨水致星型胶质细胞水肿模型发现，氨水能激活NKCC1的磷酸化，进而引起星型胶质细胞内外Na+、K+和Cl-调控失衡，促进细胞外水分子进入细胞内，引发水肿。有研究证实，在大鼠脑缺血的模型上，星形胶质细胞NKCC1的转录及表达水平均会显著上调；反之，予以NKCC1特异性抑制剂后表达下降，并且BBB损害及神经毒性均减轻[13-15]。布美他尼作为NKCC1特异性的抑制剂，通过其作用后，大鼠在颅脑损伤后脑水肿明显减轻，而相对应的神经功能损害也较未抑制组明显减轻[16-17]。同样有研究证实，NKCC1基因敲除后的大鼠，脑梗死体积较野生型也明显减少[18]。多种病因致脑损伤后，细胞能量衰减，Na+、Cl-大量流入细胞内或组织间隙，由于细胞内外的离子移动，必然导致渗透压的改变，从而细胞内外、毛细血管内管形成不同浓度梯度，促进水分子移动，导致脑水肿形成或加剧[19]。大脑中动脉栓塞模型是局灶性的脑缺血模型，NKCC1基因敲除的大鼠或采用布美他尼抑制剂作用后，缺血2 h随后24 h的再灌注过程中，神经元和星形胶质细胞肿胀程度明显降低，从而脑梗死后脑水肿程度减轻[18，20]。另有研究表明，当下调神经元和星形胶质细胞NKCC1的表达后，细胞内Na+、K+和Cl-得到平衡，多余水分子不再进入细胞，从而减轻脑水肿[21]。

3 AQP4与NKCC1的关联性

在中枢神经系统，超过70％的液体被包含在细胞内，与脑脊液和组织液相比，细胞内的液体具有钾水平偏高和钙水平偏低的特点，在生理条件下，由于存在这些离子梯度，Na+和Ca2+进入细胞同时K+出细胞，这些离子电化学梯度的改变通过能量依赖性的Na+-K+-ATP酶和Ca2+-ATP酶。其中Na+-K+-ATP酶阻止Na+在细胞内积聚，从而防止溶质和水会导致细胞肿胀，当细胞发生缺血性损伤后，细胞发生能量障碍，从而细胞膜上的Na+-K+-ATP酶活性减弱或丧失，细胞外液在渗透压差的作用下向胞内转移[22-23]。同时缺血缺氧后神经胶质细胞的细胞毒性水肿，脑组织的细胞外离子和水浓度低于组织，产生梯度差驱动溶质和水从血管腔隙移动到细胞外的空间，在这一过程中，内皮细胞、神经元与星形胶质细胞均不表达电压-门控钠通道，所以次级主动转运NKCC1在离子水肿中起着重要作用，由于其调节钠通道的流入和流出，为Na+的从细胞外进入细胞内的被动扩散产生了电化学梯度，继而为Cl-和水进行后续转运[24-25]。在水的转运过程中，AQPs家族起着重要作用，而存在与中枢的主要是AQP1和AQP4，更多的是AQP4。由此可见，AQP4及NKCC1均在脑水肿中起着重要作用，二者均主要表达于星形胶质细胞，但就研究的现状而言，对二者的相关性研究甚少。NKCC1作为电中性转运体，在激活状态下，其促进Na+、K+、Cl-向细胞内转运，细胞内钠潴留，形成电位差，水向细胞内转移引起水肿，通过予以其特异性的抑制剂作用后可能导致AQP4表达下降，同时进一步减轻脑水肿，因此，作者推测AQP4在脑水肿中的作用与NKCC1具有相关性。

4 小结

缺血性脑卒中是全球毁灭性脑血管事件和死亡的首要原因，脑卒中患者可出现各种残疾，包括偏瘫、感觉迟钝、运动失调，甚至视力障碍等，这些是由于缺血后神经元细胞破坏导致的功能丧失，而缺血后BBB的破坏和脑水肿是患者脑梗死急性期死亡的主要原因，然而目前对于脑水肿的形成机制目前尚不完全明确，暂无特效治疗方法。过去的大量研究都证实了AQP4和NKCC1在脑水肿中扮演重要角色，但对二者的关联性研究甚少，其相关性作为脑水肿治疗的理论基础有望成为新的研究热点。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.02.020

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1009-5519（2015）02-0215-03

2014-06-20

2014-09-02）

蔡鸣（1989-），女，湖南桑植人，硕士研究生，主要从事脑血管疾病的研究；E-mail：305068926@qq.com。

武衡（E-mail：wh720108@sina.com）。