摘要
神經(jīng)退行性病癥是以神經(jīng)元的進(jìn)行性遺失為特點(diǎn)的一類病癥，誘因尚不明晰。水通道蛋白4（AQP4）是水通道蛋白家族的成員，對維持腦內(nèi)水穩(wěn)態(tài)起到重要作用。近些年研究發(fā)覺AQP4具有通過類淋巴系統(tǒng)引流腦組織代謝廢物、參與物質(zhì)交換等功能。文中總結(jié)了目前AQP4在哮喘病、阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾患的發(fā)病及進(jìn)展過程中的作用，并提出未來的研究方向。
神經(jīng)退行性疾患是一類以神經(jīng)元的變性遺失及病理蛋白的沉積而造成功能障礙為主要特點(diǎn)的病癥，其發(fā)病機(jī)制尚不明晰，目前覺得可能與病理蛋白的神經(jīng)毒性以及神經(jīng)發(fā)炎等誘因有關(guān)。水通道蛋白4（4，AQP4）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最常見的水通道蛋白。近些年研究發(fā)覺，AQP4可能在阿爾茨海默病（′s，AD）、帕金森病（′s）等多種神經(jīng)退行性癌癥的病理生理過程中發(fā)揮著重要作用。一方面，AQP4作為類淋巴系統(tǒng)（）的組成部份，促使病理蛋白去除；另一方面，AQP4可能也參與神經(jīng)炎性反應(yīng)。文中概述了AQP4的結(jié)構(gòu)與功能，及其參與神經(jīng)退行性疾患發(fā)病和進(jìn)展的可能機(jī)制，以期為神經(jīng)退行性疾患的治療提供新的方向。
一、AQP4的結(jié)構(gòu)
AQP4的蛋白單體相對分子質(zhì)量約為30000，包含6個螺旋形跨膜片斷和2個較短的部份跨膜螺旋片斷，這種片斷組成了一個可供單個水份子進(jìn)出的窄小孔道［1］。依據(jù)基因剪接引起的翻譯起始點(diǎn)的差別，人類AQP4單體存在2種主要的亞型：以第1個多肽密碼子開始的較長的M1-AQP4亞型和從第23個密碼子開始翻譯的M23-AQP4亞型（圖1）。電鏡下，AQP4單體在細(xì)胞膜上產(chǎn)生穩(wěn)定的同種四聚體（均由M1-AQP4或M23-AQP4組成）和異種四聚體（由M1-AQP4和M23-AQP4共同組成）。四聚體才能再集聚產(chǎn)生以M23-AQP4為核心的超分子組合體——正交排列顆粒（of，OAP），其外型在冷藏破裂電子顯微鏡下類似于卵石，大小則取決于M1-AQP4和M23-AQP4的比列［2］。有證據(jù)表明，單獨(dú)抒發(fā)的M1-AQP4和含有M1-AQP4的大型OAP才能快速聯(lián)通到細(xì)胞延展方向的質(zhì)膜上，促使星形膠質(zhì)細(xì)胞遷移，而M23-AQP4通過參與組成小型OAP，才能極化分布在星形膠質(zhì)細(xì)胞終足，與細(xì)胞外基質(zhì)相互作用，將星形膠質(zhì)細(xì)胞錨定在血管周圍的基底膜上。星形膠質(zhì)細(xì)胞終足還富含對腹水敏感的Kir4.1鉀離子通道等蛋白，AQP4的極化促使細(xì)胞才能及時應(yīng)對質(zhì)膜內(nèi)外滲透壓以及離子含量的變化。
圖1水通道蛋白4（AQP-4）及正交排列顆粒（OAP）結(jié)構(gòu)（本圖為作者原創(chuàng)）
oftheof4(AQP4)andof(OAP)(thisisbythe)
二、AQP4的功能
在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，AQP4主要在組成血腦屏障的星形膠質(zhì)細(xì)胞終足上抒發(fā)，調(diào)節(jié)腦內(nèi)水平衡，少部份分布在室管膜細(xì)胞上。AQP4對水份子的轉(zhuǎn)運(yùn)具有不依賴膜電位且無飽和的特點(diǎn)，因而可以使細(xì)胞膜對水的滲透性增強(qiáng)數(shù)倍至數(shù)十倍［3］。這一特點(diǎn)促使AQP4在星形膠質(zhì)細(xì)胞遷移過程中起到重要作用。在神經(jīng)膠質(zhì)疤痕產(chǎn)生過程中，AQP4與部分離子通道迅速極化到細(xì)胞膜前緣，驅(qū)動水份子步入遷移細(xì)胞，改變細(xì)胞形態(tài)，因而加速反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞向損傷部位的遷移［4］。
據(jù)悉，水份子可以經(jīng)AQP4流入細(xì)胞，通過拉伸細(xì)胞膜來激活Kir4.1鉀離子通道，促使鉀離子內(nèi)流。AQP4抒發(fā)降低才能影響局部細(xì)胞膜內(nèi)外的離子含量以及滲透壓，使與其共抒發(fā)的Kir4.1鉀通道功能增長［5］。等［5］發(fā)覺AQP4基因敲除大鼠表現(xiàn)出了肝病誘發(fā)閥值的降低、發(fā)作持續(xù)時間的延長以及外向檢波鉀通道Kir4.1動力學(xué)的衰弱，說明AQP4可能參與腦部激動性的維持與改變。
另一方面，AQP4也被覺得參與了神經(jīng)炎性反應(yīng)。Li等［6］的實(shí)驗結(jié)果表明，經(jīng)內(nèi)毒素誘導(dǎo)后，AQP4基因敲除大鼠體內(nèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎性反應(yīng)更輕，體外培養(yǎng)星形膠質(zhì)細(xì)胞水腫的程度更輕，釋放TNF-α和IL-6等促炎細(xì)胞因子更少，提示這兩個病理過程可能是AQP4依賴性的。并且Chi等［7］發(fā)覺AQP4基因敲除哮喘病大鼠中多巴胺神經(jīng)元遺失更多，小膠質(zhì)細(xì)胞炎性反應(yīng)更強(qiáng)。AQP4可能也與四肢的炎性反應(yīng)有關(guān)。有研究發(fā)覺，AQP4基因敲除大鼠肝臟中CD4+CD25+調(diào)節(jié)T細(xì)胞這一亞群的比列均明顯增加，且在實(shí)驗性內(nèi)毒素血癥中出現(xiàn)免疫功能失調(diào)，其腰部過度活躍的免疫反應(yīng)造成了相比野生型大鼠更高的死亡率［7］。
AQP4與星形膠質(zhì)細(xì)胞的關(guān)系促使研究者對它和血腦屏障之間的關(guān)系形成了興趣，但是目前對于AQP4是否有利于維持血腦屏障的完整性與私密性仍存在爭議。研究結(jié)果表明，血腦屏障的破壞會誘導(dǎo)AQP4的過抒發(fā)［8］。Tomαs-等［8］覺得AQP4有利于維持血腦屏障的完整性，但-等［9］在肌萎縮性側(cè)索硬化癥的研究中發(fā)覺，敲除AQP4才能改善癌癥對血腦屏障的破壞。
近些年來類淋巴系統(tǒng)的發(fā)覺造成了關(guān)注。在類淋巴系統(tǒng)中，AQP4可能通過血管旁途徑參與清理腦部代謝廢物的過程，維持腦部健康。兩者的關(guān)系將在下文進(jìn)一步闡明。
三、類淋巴系統(tǒng)與AQP4
2012年，Iliff等［10］觀察到，相比注入腦室的螢光示蹤劑，注入蛛網(wǎng)膜下腔的螢光示蹤劑步入腦實(shí)質(zhì)的速率顯著更快，進(jìn)一步研究發(fā)覺，蛛網(wǎng)膜下腔內(nèi)的腦脊液才能順著星形細(xì)胞膠質(zhì)細(xì)胞終足包繞小動脈產(chǎn)生的血管周圍間隙（space，PVS）彌漫地流入腦實(shí)質(zhì)，而腦間質(zhì)液體則順著小靜脈旁的PVS去除，這提示腦部中可能存在與淋巴系統(tǒng)功能類似的結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)被稱為類淋巴系統(tǒng)或腦膠質(zhì)淋巴系統(tǒng)，這些液體清理的途徑被稱為血管旁途徑。類淋巴系統(tǒng)的驅(qū)動力主要來自脈絡(luò)叢形成腦脊液的壓力、動脈的搏動與迎合性、血管的舒縮運(yùn)動以及呼吸運(yùn)動［11,12］。腦脊液由第三、四腦室內(nèi)側(cè)的脈絡(luò)叢分泌，從腦室流入蛛網(wǎng)膜下腔內(nèi)的PVS，被動脈搏動和血管的舒縮運(yùn)動共同推進(jìn)，與間質(zhì)液體通過AQP4對流，進(jìn)而流入腦實(shí)質(zhì)，帶走腦間質(zhì)可溶代謝廢物后座入毛細(xì)血管后小靜脈旁的PVS，最后沿靜脈系統(tǒng)排出［10］（圖2）。
圖2血管周圍間隙類淋巴系統(tǒng)液體交換示意圖（本圖為作者原創(chuàng)）
offluidinthe-spaceof（thisisbythe）
對類淋巴系統(tǒng)的了解促使對其功能調(diào)節(jié)的研究成為可能。分布在星形膠質(zhì)細(xì)胞終足上的AQP4是這一液體交換系統(tǒng)的重要通道蛋白。多項獨(dú)立研究證明，類淋巴系統(tǒng)的功能是AQP4依賴性的。AQP4基因敲除大鼠中腦脊液對流明顯減弱，β-淀粉樣蛋白（β，Aβ）去除率增長65%，衰老大鼠中AQP4的降解也促使流入類淋巴系統(tǒng)的液體減低［12］。據(jù)悉，PVS的容積也影響著引流量。研究結(jié)果表明，睡眠狀態(tài)下，大鼠腦內(nèi)PVS的空間降低60%，類淋巴系統(tǒng)液體對流交換推進(jìn)，并在俯臥位下最為顯著，可能與變化的腦部壓有關(guān)［13］。
在此基礎(chǔ)上，一些學(xué)者進(jìn)一步對影響類淋巴系統(tǒng)的干預(yù)舉措展開探究。已有結(jié)果表明，多巴胺通過興奮腎上腺素受體可使動脈搏動降低60%，多巴酚丁胺還能降低小血管平滑肌的搏動作用，推動腦脊液泵入PVS，促使PVS內(nèi)液體的交換［11］。一些抑制去甲腎上腺素功能的麻醉劑如右旋美托咪定可以改變覺醒狀態(tài)，明顯降低類淋巴系統(tǒng)的運(yùn)輸功能［14］。
四、神經(jīng)退行性疾患中的AQP4
（一）AD
AD是最常見的神經(jīng)退行性疾患，其特點(diǎn)是進(jìn)行性的認(rèn)知功能亢進(jìn)和Aβ在腦實(shí)質(zhì)中的沉積。Iliff等［10］在2012年就觀察到AQP4抒發(fā)上調(diào)的大鼠腦內(nèi)Aβ去除率升高，從而引起沉積降低，表明AQP4在類淋巴系統(tǒng)的引流功能中起著重要作用。
眾所周知，Aβ沉積產(chǎn)生的老年斑會誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的反應(yīng)性炎癥和激活，影響癌癥進(jìn)展。AD病人的尸檢研究［15,16,17］發(fā)覺，AD病人腦中AQP4的總體抒發(fā)降低，分布與Aβ陰性老年斑相對應(yīng)，呈斑塊樣［16,17］，且觀察到了大口徑PVS（>6μm）的增多［15］。另一項研究發(fā)覺，AQP4在血管周圍的分布顯著增長，且較大的增長程度與更高的年紀(jì)、較多的Aβ沉積與更高的Braak病理分期有關(guān)［18］。
尸檢一般反映癌癥的終末期，并且從癌癥早期開始的連續(xù)變化也值得關(guān)注。淀粉樣前體蛋白/早老素-1（/-1，APP/PS1）轉(zhuǎn)基因大鼠研究結(jié)果表明，類淋巴系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)的降低在AD發(fā)作初期、廣泛Aβ沉積之前就已出現(xiàn)［19］。Yang等［20］使用tg-大鼠模型對老年斑與星形細(xì)胞終足之間的空間關(guān)系進(jìn)行了3D重建細(xì)胞膜水通道，發(fā)覺在斑塊產(chǎn)生的初期，AQP4的整體抒發(fā)下調(diào)，AQP4發(fā)生去極化，即從斑塊周圍的終足結(jié)構(gòu)域重新分布到星形膠質(zhì)細(xì)胞的胞體。由此可以推測，Aβ可能通過引起斑塊周圍的星形膠質(zhì)細(xì)胞上AQP4極性分布的改變，進(jìn)而降低類淋巴系統(tǒng)的引流，而類淋巴系統(tǒng)清理功能的增長可能是Aβ大量沉積的誘因之一。
也有研究者發(fā)覺，AQP4基因敲除AD大鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞遷移能力損壞，膠質(zhì)細(xì)胞不能有效向斑塊募集，并從細(xì)胞遷移的角度提出AQP4缺位大鼠腦內(nèi)Aβ沉積降低的假說：AQP4缺位減弱了星形膠質(zhì)細(xì)胞胞體的遷移能力，不利于在斑塊周圍與小膠質(zhì)細(xì)胞共同產(chǎn)生神經(jīng)膠質(zhì)網(wǎng)，將斑塊與周圍組織隔離，制止Aβ的進(jìn)一步擴(kuò)散和病理的進(jìn)展［21］。
關(guān)于AQP4與認(rèn)知之間的相關(guān)性也值得進(jìn)一步研究。植物實(shí)驗發(fā)覺AQP4基因敲除APP/PS1大鼠的認(rèn)知功能障礙相比野生型愈發(fā)嚴(yán)重［22］。人群研究中，目前已有2個獨(dú)立的遺傳學(xué)研究分別報導(dǎo)了6個影響AD病人認(rèn)知衰退率的AQP4單堿基多態(tài)性位點(diǎn)［23］以及9個與睡眠相關(guān)的AQP4單堿基多態(tài)性位點(diǎn)［24］。但與AD組織病理學(xué)相關(guān)的位點(diǎn)并未在兩項研究中發(fā)覺［23］。
醫(yī)治策略上，的團(tuán)隊［25］借助血清高滲性對于類淋巴系統(tǒng)的增益作用，向APP/PS1大鼠先后胸腔注射高滲液體以及遞送Aβ抗原。結(jié)果觀察到抗原在腦內(nèi)的整體分布及與斑塊的結(jié)合明顯降低，提示了基于單克隆抗原醫(yī)治中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾患療法的新思路。
（二）哮喘病
哮喘病是第二大常見的神經(jīng)退行性疾患，主要病理特點(diǎn)是中腦黑質(zhì)中多巴胺能神經(jīng)元的進(jìn)行性遺失、星形膠質(zhì)細(xì)胞的死亡和小膠質(zhì)細(xì)胞的明顯降低，伴隨著存活神經(jīng)元內(nèi)α-突觸核蛋白的積累和路易小體的產(chǎn)生。
一項哮喘病病人肺部標(biāo)本的研究觀察到，哮喘病病人皮質(zhì)中AQP4的分布明顯降低，但與α-突觸核蛋白呈負(fù)相關(guān)，這一聯(lián)系在腦部皮質(zhì)的Ⅴ~Ⅵ層更為明顯［26］。Prydz等［27］發(fā)覺，AQP4基因敲除大鼠對于1-苯基-4-羥基-1，2，3，6-四氫呋喃（1--4--1，2，3，6-，MPTP）誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性更為敏感，哮喘病大鼠黑質(zhì)中血管周圍AQP4的密度低于新皮質(zhì)70%，且在一定范圍內(nèi)隨著MPTP藥量的降低而降低。在中腦水平，AQP4基因敲除大鼠的內(nèi)源性α-突觸核蛋白的沉積較野生型明顯增多［28］。那些研究結(jié)果提示AQP4可能參與到哮喘病的病理生理過程中，且與α-突觸核蛋白存在相關(guān)性。因為目前還沒有發(fā)覺α-突觸核蛋白可以通過類淋巴系統(tǒng)經(jīng)AQP4清理的有力證據(jù)，因而AQP4抒發(fā)及分布的改變和α-突觸核蛋白沉積的現(xiàn)象之間存在如何的關(guān)系仍然有待探求。
AQP4在哮喘病中還可能起到抑制發(fā)炎、減輕氧化應(yīng)激負(fù)擔(dān)的作用。一項臨床研究發(fā)覺，在癲癇病病人的外周血測量到了相比對照組更低的AQP4抒發(fā)［29］。植物實(shí)驗研究發(fā)覺，MPTP誘導(dǎo)AQP4基因敲除大鼠形成的實(shí)驗性癲癇病模型相比野生型大鼠具有更強(qiáng)烈的小膠質(zhì)細(xì)胞與星形膠質(zhì)細(xì)胞炎癥反應(yīng)，和更嚴(yán)重的多巴胺能神經(jīng)元遺失，在黑質(zhì)致密部尤為顯著［7，30］。在哮喘病發(fā)病和進(jìn)展中起到重要祛痰作用的TGF-β1在AQP4基因敲除大鼠中腦和外周血中的含量較低，這可能加重膠質(zhì)炎性反應(yīng)，加速酪谷氨酸羥化酶陰性神經(jīng)元的遺失［28］。MPTP誘導(dǎo)后，研究者在AQP4基因敲除大鼠的中腦觀察到了促炎性細(xì)胞因子IL-1β和TNF-α水平的上升以及核因子kappa-B訊號通路的激活［31］，這一通路被廣泛地覺得在氧化、凋亡和炎性反應(yīng)中被激活。這種研究結(jié)果提示我們，在癲癇病病理進(jìn)程中，AQP4可能還承當(dāng)推動膠質(zhì)細(xì)胞訊號傳遞以及抑制炎性反應(yīng)、保護(hù)神經(jīng)的作用。
（三）肌萎縮側(cè)索硬化（，ALS）
ALS是一種致命的神經(jīng)退行性疾患，以腦干、腦干、皮質(zhì)中運(yùn)動性神經(jīng)元的選擇性功能亢進(jìn)及死亡為主要特點(diǎn)，主要的病理標(biāo)志是星形膠質(zhì)細(xì)胞的囊腫［9］。AQP4的抒發(fā)和分布在ALS中和鉀離子通道功能有關(guān)。一項研究發(fā)覺，ALS病人腦干中AQP4的抒發(fā)降低，尤其是在灰質(zhì)中［9］。SOD1大鼠是實(shí)驗性ALS的模型大鼠。研究發(fā)覺，SOD1大鼠的腦干、腦干和皮質(zhì)中都發(fā)覺了星形膠質(zhì)細(xì)胞膜上AQP4的過量抒發(fā)［32］，并伴隨著Kir4.1鉀離子通道蛋白的降低。AQP4的分布在實(shí)驗性ALS模型中發(fā)生了去極化，從終足聯(lián)通到了膨脹變型的胞體［33］。在癌癥末期，AQP4的抒發(fā)在末端腳疼痛處也降低，有助于緩解便秘與組織損傷［34］。Kir4.1鉀離子通道蛋白和AQP4一般共同定位在星形膠質(zhì)細(xì)胞終足上，AQP4跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)水分子的行為有利于Kir4.1鉀離子通道的激活，而AQP4的去極化可能會降低這些作用，促使鉀離子的內(nèi)流減弱［5，35］，影響局部的水鉀平衡，改變神經(jīng)亢奮性。
其實(shí)細(xì)胞膜水通道，AQP4在ALS疾患進(jìn)展中的變化可能與星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生病理變化有關(guān)，水鉀平衡的失調(diào)會造成神經(jīng)元微環(huán)境的衰弱，因而造成神經(jīng)元功能障礙和死亡。-等［9］發(fā)覺敲除AQP4才能改善ALS導(dǎo)致的大鼠血腦屏障破壞，但這種大鼠卻有著更早的起病和更短的平均壽命。AQP4和血腦屏障在ALS中的關(guān)系還尚不明朗。
（四）亨廷頓街舞病（′s，HD）
HD是由亨廷頓（，HTT）基因突變造成的神經(jīng)退行性疾患，致使神經(jīng)毒性突變型HTT（HTT，mHTT）蛋白的形成。在近來有借助鞘內(nèi)注射通過類淋巴系統(tǒng)輸送反義寡核酸（ASO）到腦部深層結(jié)構(gòu)抑制mHTT蛋白形成的診治策略，靜脈輸注間充質(zhì)干細(xì)胞還能增益這一療效，在實(shí)驗室中取得了良好的結(jié)果，這提示了AQP4作為小分子抗生素運(yùn)輸通道的潛在可能性［36］。
五、總結(jié)與展望
AQP4對類淋巴系統(tǒng)的運(yùn)作至關(guān)重要，且參與神經(jīng)退行性疾患的發(fā)病和進(jìn)展的多個進(jìn)程（表1）。目前，有關(guān)AQP4的研究主要通過基因敲除大鼠進(jìn)行，假如才能通過抗生素提高AQP4的功能以及抒發(fā)，對認(rèn)識AQP4的生理作用以及新療法的開發(fā)都能帶來新的啟發(fā)。現(xiàn)有研究發(fā)覺，AQP4在神經(jīng)退行性疾患個別階段的抒發(fā)和分布發(fā)生了變化，未來的研究應(yīng)著眼于連續(xù)性，描述AQP4在神經(jīng)退行性疾患從起病到終末期不同階段的連續(xù)變化，結(jié)合AQP4的功能，闡述癌癥的病理生理機(jī)制。類淋巴系統(tǒng)概念的提出帶來看待神經(jīng)退行性癌癥的發(fā)病機(jī)制和醫(yī)治策略的新視角，而這一領(lǐng)域的研究急切地須要新的成像方式來觀察不同狀態(tài)下腦脊液的流體循環(huán)動力學(xué)，進(jìn)而理解AQP4在其中飾演的角色。通過類淋巴系統(tǒng)，AQP4除了可以作為小分子抗生素運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃档涂股夭饺胫袠猩窠?jīng)系統(tǒng)的比列，也可以作為調(diào)節(jié)消除功能的潛在靶向改善癌癥預(yù)后。
為此，AQP4可能是神經(jīng)退行性疾患發(fā)病及進(jìn)展過程中的重要蛋白以及潛在的調(diào)控靶向，但具體機(jī)制仍需進(jìn)一步研究，以明晰在每位環(huán)節(jié)的具體作用，因而加深對癌癥的認(rèn)識，促進(jìn)新療法的研究與舉辦。
參考文獻(xiàn)略
