AQP4与脑水肿

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【摘要】几乎所有的颅内病变均会伴有脑水肿的发生，脑水肿既是疾病发展到一定程度出现的病理过程，同时又对疾病的发生发展起着至关重要的作用。然而目前临床上对脑水肿的治疗还比较有限，水通道蛋白(aquaporin,AQP)家族的发现，为临床上治疗脑水肿开辟了一条崭新的道路。

【关键词】水通道蛋白；aqp4；脑水肿；血管源性脑水肿；细胞毒性脑水肿；脑积水

1AQPs家族及其概述

1.1AQPs家族

AQPs是一组选择性水通透的跨膜通道蛋白。1988年，Agre等首先发现第一个AQP，即后来的AQP1。目前哺乳动物中发现至少有13种水通道蛋白[1]，其cDNA具有高度同源性。其中AQP3、AQP7对水、尿素和甘油均具有较高的通透性，AQP9对水、尿素、甘油、嘌呤、嘧啶、单唆酸物有通透性，AQP10对水和中性物质有通透性，其余AQPs仅对水具有高度通透性。

AQPs表达于机体不同组织，参与水的转运，维持体内水的平衡。大脑中仅表达AQP1、AQP4、AQP9。AQP1表达于脉络丛，对脑脊液的形成起作用[2]。神经胶质界膜的星形胶质细胞足突和室管膜细胞、脑室膜细胞有少量的AQP9表达。大脑中AQP4表达最为丰富，对维持脑内水的平衡起重要作用。

1.2AQP4的结构

1994年Jung等利用水通道蛋白家族的同源性克隆分离出一种脑内水通道蛋白AQP4。与其他水通道蛋白的基本结构一致，有6个跨膜区，5个环，3个胞外环（A、C、E环），2个胞内环（B、D环）。位于B环和E环的天冬酰氨-脯氨酸-丙氨酸基元（NPA）是决定水选择性通透的重要结构，为家族成员所共有。NPA从膜的两侧吻合呈对称性镜像结构，B环和E环下沉至双分子层内，中心部分折叠形成狭窄的孔，孔道大小约为一个水分子大小。其四级结构是由具有独立活性约30KD的亚单位组成的四聚体，并存在阻断离子的结构。B、E环显著疏水，其任何变化都会引起水通道活性的下降，B环的NPA序列前即第189位氨基酸残基不是半胱氨酸，不能与汞结合堵塞水通道，故对汞制剂不敏感，AQPs家族中同样对汞制剂不敏感的还有AQP7。

原位杂交免疫荧光法观察人类AQP4的基因定位于染色体18q11.2与q12.1之间的连接处，有四个外显子，分别编码127、55、27、92位氨基酸序列，其间三个内含子，长度分别为0.8、0.3、5.2kb。较大的第一外显子编码氨基端，较小的第2~4外显子编码羧基端，氨基端及羧基端位于细胞内。根据翻译起始处蛋氨酸M1和M23的不同，将AQP4分为两个亚型，内源性AQP4是同时含有M1和M23的四聚体，Furman等发现M1型和M23型以一定比例结合，形成电镜下可见的星形胶质细胞中的正交排列，M23型是其中的主要成分，M1型和M23型结合的比例在正常情况下是较恒定的，但是在一定条件下可以发生变化，从而改变质膜的通透性。

1.3AQP4的分布

AQP4主要分布于脑实质内的星形胶质细胞、毛细血管内皮细胞、脑室室管膜上皮细胞、邻近软脑膜的胶质细胞及脉络丛上皮细胞[3]。

1.3.1星形胶质细胞中AQP4的分布具有极性。体内实验发现，在体条件下胶质细胞着色有一定极性，主要着色于胶质细胞与毛细血管内皮细胞接触的足突膜上。

1.3.2软脑膜、室管膜细胞、脉络丛上皮细胞的AQP4分布与脑脊液分泌和重吸收部位一致，提示脑脊液可能通过这些组织细胞上的AQP4分泌和被重吸收。

1.3.3内皮细胞两侧AQP4表达的量没有差别，可能与细胞内陷相关。

1.3.4AQP4在下丘脑视上核和室旁核神经元细胞膜上也有分布，这些核团的神经大分泌细胞对细胞膨胀等容量变化十分敏感，渗透压改变1即可通过合成和释放抗利尿激素AVP调节肾脏水的排泄。提示AQP4可能作为渗透压感受器或受体，通过加强对微小渗透压变化产生迅速而敏感的的细胞容量改变，而在下丘脑的AQP4调节渗透压，参与全身的水代谢。

1.3.5分布于海马、小脑、脑干神经核团和部分皮质神经元上的AQP4主要参与调节细胞外间隙大小及细胞外间隙的K+浓度。

AQP4在脑组织的分布随发育而变化。Wen等检测了脑AQP4表达水平，半定量免疫印迹揭示AQP4在生后第1周含量较低，第2周明显增加，由生后7d的2增到生后14d的25。AQP4表达时间过程及模式显示：从发育的第2周开始，AQP4已经开始对脑内水和K+体内平衡起重要作用。还有研究发现AQP4在从神经干细胞开始分化为胶质细胞的初期和胶质细胞分化周期的G0、G1期均有表达，推测AQP4参与了血脑屏障的功能，并与脑发育密切相关

2脑水肿

2.1脑水肿的概念

脑内水分布于四个不同的区域，脑脊液75~100ml,血液75~100 ml,细胞内液1100~1300 ml,组织间液100~150 ml。水随着不同区域渗透压差和静水压差而流动以达脑内水的平衡。脑水肿是指由于大脑组织过多的水的蓄积引起的脑肿胀。脑水肿可以由脑的病变引起，例如脑肿瘤、脑积水、外伤性脑损伤。也可由脑外的病变导致继发性脑水肿，例如糖尿病酮症酸中毒、高胆红素血症、尿毒症等。亦或是由于一些严重的全身感染波及脑组织，例如脑型疟疾、感染性脑膜炎等。

神经外科学的文献和临床实践已经证明脑水肿在神经疾病发展过程中的重要性[4]。几乎所有的颅内病变均会伴随脑水肿的发生，比如脑肿瘤、自发性颅内出血、颅内感染和外伤性脑损伤等[5]。

2.2脑水肿的处理

积极治疗脑水肿，减轻脑组织的肿胀程度，可降低颅内压升高的程度，预防脑疝形成，增加脑血流灌注，降低死亡率。目前临床上针对脑水肿的治疗一般有镇静，避免高碳酸血症，静脉给予甘露醇、高渗盐水、利尿剂、激素，脑脊液分流，手术切除引起脑水肿的肿块等，还可以通过颅骨切除减压术以降低颅内压。对于危重病人，侵入性的颅内压监测和脑灌注压监测室必要的。然而仅仅通过上述方法治疗脑水肿是很有限的。由于对水肿液的形成与吸收机制不甚清楚，有效治疗脑水肿受到了限制。

2.3脑水肿的分类

Igor Klatzo将脑水肿分为细胞毒性脑水肿和血管源性脑水肿两个类型，随后又提出脑积水第三个类型。造成各类型脑水肿的原因见表1。

2.3.1细胞毒性脑水肿

细胞毒性脑水肿主要是由于缺氧和细胞代谢率下降使细胞膜上的离子泵功能受阻，胞内离子积聚，造成细胞膜内外渗透梯度失调，最终导致细胞内水的蓄积，这种失调常见于脑缺血和中毒性脑损伤早期。最主要的水肿细胞是星形胶质细胞，尤其是位于毛细管周的足突，而这些部位AQP4的表达极为丰富。星形胶质细胞的肿胀有可能是导致脑进一步损害的早期因素。细胞毒性脑水肿并没有损伤血脑屏障。

2.3.2血管源性脑水肿

血管源性脑水肿主要是由于血脑屏障的破裂，继发血管内液体漏出到组织间隙。血脑屏障损伤，血液受到静水压影响透过损伤的血管漏出到组织间隙。故血管源性脑水肿是组织间隙的肿胀。

2.3.3脑积水

脑积水是由于脑脊液流出受阻或脑脊液吸收障碍等原因造成脑脊液循环障碍，脑脊液透过室管膜流出到组织间隙。脑积水同样也是组织间隙的肿胀。

临床上许多疾病在不同的发展过程中涉及到不同类型的脑水肿。例如在脑缺血早期引起细胞毒性脑水肿，随着毛细血管内皮肿胀、损伤，导致血脑屏障的破坏，进而造成血管源性脑水肿。

2.4水肿液的吸收

水肿液的吸收机制目前还不是很清楚，主要通过以下3种机制得到清除：1）通过血脑屏障流入血液2）通过室管膜到脑室3）通过胶质界膜到蛛网膜下腔汇入脑脊液，脑脊液最终通过蛛网膜颗粒流入矢状窦。血管源性脑水肿中，过多的水肿液通过胶质界膜清除涉及到了跨细胞转移。细胞毒性脑水肿中细胞坏死，内容物释放到组织间隙；细胞通过释放离子和氨基酸到组织间隙以降低细胞肿胀的程度。

3AQP4与脑水肿

AQP4主要表达区域是血管周围的星形胶质细胞足突；另一个高度极性化表达的区域是形成胶质界膜的致密星形足突，而胶质界膜是与脑脊液接触的软脑膜和室管膜表面的屏障。AQP4分布特点是胶质细胞与血液以及脑脊液之间的水调节和运输的重要结构基础。付雪梅等[6]通过体外培养AQP4基因敲低星形胶质细胞研究在缺氧复氧时细胞体积的变化，发现缺氧时AQP4基因敲低细胞与AQP4野生型细胞体积均增加，但比野生型增加的小，复氧后第七天AQP4基因敲低细胞体积逐渐降至正常水平，AQP4野生型于复氧后第五天逐渐降至正常水平。提示AQP4介导缺氧时水由细胞外流向细胞内，造成细胞肿胀，参与水肿液的形成。而在复氧后，AQP4介导水由细胞内流向细胞外，参与水肿液的清除。Filippidis AS等[2]通过研究脑积水小鼠模型，发现AQP1敲除鼠脉络丛组织的AQP1表达减少，其脑脊液生成减少，颅内压降低。相反，脑积水动物模型AQP4表达增加，AQP4基因敲除鼠显示出水肿液经由血脑屏障和血脑脊液屏障通路清除减少，生存率下降。提示脑积水时通过降低AQP1的表达，减少脑脊液的生成，增加AQP4的表达，增加水肿液的清除来减轻脑积水。Tait MJ等[7]研究蛛网膜下腔出血小鼠模型，发现在出血后第6小时，AQP4缺失型脑肿胀程度比AQP4野生型严重，提示AQP4介导水肿液的清除。Tang Y等[8]研究颅内出血小鼠模型，发现野生型小鼠AQP4表达显著增加 ，AQP4基因缺失鼠水肿程度加重，提示AQP4缺失，延缓水肿液的吸收，加重颅内出血损伤。

AQP4缺失在细胞毒性脑水肿降低水流入脑的速率，在血管源性脑水肿降低水流出脑的速率，故AQP4缺失减轻细胞毒性脑水肿，加重血管源性脑水肿。AQP4的缺失同样会加重阻塞性脑积水的程度。

新生儿大脑AQP4表达较弱，血脑屏障和血脑脊液屏障还不成熟，以及细胞外间隙较大。这种不同，使得新生儿脑水肿的形成和吸收的机理还知之甚少。儿童主要是由于水电解质紊乱造成细胞毒性脑水肿，也会偶然见到由于脑肿瘤等引起的血管源性脑水肿。

4讨论

AQP4促进细胞源性脑水肿水肿液的形成，加快血管源性脑水肿水肿液的清除。因此可以寻求应用抑制AQP4表达或功能的药物治疗细胞源性脑水肿，应用促进AQP4表达或功能作用的药物治疗血管源性脑水肿。但是目前对于AQP4正性作用与负性作用的药物有待进一步研究。同时由于新生儿大脑AQP4表达较弱，血脑屏障和血脑脊液屏障还不成熟，以及细胞外间隙较大，与成人的这种差别使得新生儿脑水肿的形成与吸收机制有可能不同，对于新生儿脑水肿的机制有待进一步研究。

参考文献

[1] K Liu, H Nagase , C G Huang , et al . Purification and functional characterization of Aquaporin-8 [J] . Biol Cell , 2006 , 98 (3) : 153-161 .

[2] Filippidis AS, Kalani MY, Rekate HL . Hydrocephalus and aquaporins: lessons learned from the bench. Childs Nerv Syst. 2010 Jul 13 .

[3]杨美,孙善全,汪克建等.水通道蛋白5在大鼠大脑组织中的分布及表达.解剖学杂志,2008,31(1):5-8.

[4] Weed LH , McKibben PS :Experimental alteration of brain bulk . Am J Physiol 48: 531-558, 1919 .

[5] Fishman RA : Brain edema . N Engl J Med 293 : 706-711 , 1975 .

[6] Xuemei Fu , Qiuping Li , Zhichun feng , et al , The roles of Aquaporin-4 in brain edema following neonatal hypoxia ischemia and reoxygenation in a cultured rat astrocyte model . Glia , 55:935-941 (2007)

[7] Tait MJ, Saadoun S, Bell BA ,et al , Increased brain edema in aqp4-null mice in an experimental model of subarachnoid hemorrhage. Neuroscience. 2010 Apr 28;167(1):60-7.

[8] Tang Y, Wu P, Su J, et al . Effects of Aquaporin-4 on edema formation following intracerebral hemorrhage. Exp Neurol. 2010 Jun;223(2):485-95 .

姓名：刘静；单位：重庆市南岸区妇幼保健院；科室：检验科；职称：主管检验师

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