摘要
神經退行性病癥是以神經元的進行性遺失為特點的一類病癥，誘因尚不明晰。水通道蛋白4（AQP4）是水通道蛋白家族的成員，對維持腦內水穩態起到重要作用。近些年研究發覺AQP4具有通過類淋巴系統引流腦組織代謝廢物、參與物質交換等功能。文中總結了目前AQP4在哮喘病、阿爾茨海默病等神經退行性疾患的發病及進展過程中的作用，并提出未來的研究方向。
神經退行性疾患是一類以神經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的病癥，其發病機制尚不明晰，目前覺得可能與病理蛋白的神經毒性以及神經發炎等誘因有關。水通道蛋白4（4，AQP4）是中樞神經系統中最常見的水通道蛋白。近些年研究發覺，AQP4可能在阿爾茨海默病（′s，AD）、帕金森病（′s）等多種神經退行性癌癥的病理生理過程中發揮著重要作用。一方面，AQP4作為類淋巴系統（）的組成部份，促使病理蛋白去除；另一方面，AQP4可能也參與神經炎性反應。文中概述了AQP4的結構與功能，及其參與神經退行性疾患發病和進展的可能機制，以期為神經退行性疾患的治療提供新的方向。
一、AQP4的結構
AQP4的蛋白單體相對分子質量約為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出的窄小孔道［1］。依據基因剪接引起的翻譯起始點的差別，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單體在細胞膜上產生穩定的同種四聚體（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］。有證據表明，單獨抒發的M1-AQP4和含有M1-AQP4的大型OAP才能快速聯通到細胞延展方向的質膜上，促使星形膠質細胞遷移，而M23-AQP4通過參與組成小型OAP，才能極化分布在星形膠質細胞終足，與細胞外基質相互作用，將星形膠質細胞錨定在血管周圍的基底膜上。星形膠質細胞終足還富含對腹水敏感的Kir4.1鉀離子通道等蛋白，AQP4的極化促使細胞才能及時應對質膜內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）結構（本圖為作者原創）
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二、AQP4的功能
在中樞神經系統中，AQP4主要在組成血腦屏障的星形膠質細胞終足上抒發，調節腦內水平衡，少部份分布在室管膜細胞上。AQP4對水份子的轉運具有不依賴膜電位且無飽和的特點，因而可以使細胞膜對水的滲透性增強數倍至數十倍［3］。這一特點促使AQP4在星形膠質細胞遷移過程中起到重要作用。在神經膠質疤痕產生過程中，AQP4與部分離子通道迅速極化到細胞膜前緣，驅動水份子步入遷移細胞，改變細胞形態，因而加速反應性星形膠質細胞向損傷部位的遷移［4］。
據悉，水份子可以經AQP4流入細胞，通過拉伸細胞膜來激活Kir4.1鉀離子通道，促使鉀離子內流。AQP4抒發降低才能影響局部細胞膜內外的離子含量以及滲透壓，使與其共抒發的Kir4.1鉀通道功能增長［5］。等［5］發覺AQP4基因敲除大鼠表現出了肝病誘發閥值的降低、發作持續時間的延長以及外向檢波鉀通道Kir4.1動力學的衰弱，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炎性反應。Li等［6］的實驗結果表明，經內毒素誘導后，AQP4基因敲除大鼠體內中樞神經系統炎性反應更輕，體外培養星形膠質細胞水腫的程度更輕，釋放TNF-α和IL-6等促炎細胞因子更少，提示這兩個病理過程可能是AQP4依賴性的。并且Chi等［7］發覺AQP4基因敲除哮喘病大鼠中多巴胺神經元遺失更多，小膠質細胞炎性反應更強。AQP4可能也與四肢的炎性反應有關。有研究發覺，AQP4基因敲除大鼠肝臟中CD4+CD25+調節T細胞這一亞群的比列均明顯增加，且在實驗性內毒素血癥中出現免疫功能失調，其腰部過度活躍的免疫反應造成了相比野生型大鼠更高的死亡率［7］。
AQP4與星形膠質細胞的關系促使研究者對它和血腦屏障之間的關系形成了興趣，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。研究結果表明，血腦屏障的破壞會誘導AQP4的過抒發［8］。Tomαs-等［8］覺得AQP4有利于維持血腦屏障的完整性，但-等［9］在肌萎縮性側索硬化癥的研究中發覺，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的發覺造成了關注。在類淋巴系統中，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。兩者的關系將在下文進一步闡明。
三、類淋巴系統與AQP4
2012年，Iliff等［10］觀察到，相比注入腦室的螢光示蹤劑，注入蛛網膜下腔的螢光示蹤劑步入腦實質的速率顯著更快，進一步研究發覺，蛛網膜下腔內的腦脊液才能順著星形細胞膠質細胞終足包繞小動脈產生的血管周圍間隙（space，PVS）彌漫地流入腦實質，而腦間質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功能類似的結構。這一結構被稱為類淋巴系統或腦膠質淋巴系統，這些液體清理的途徑被稱為血管旁途徑。類淋巴系統的驅動力主要來自脈絡叢形成腦脊液的壓力、動脈的搏動與迎合性、血管的舒縮運動以及呼吸運動［11,12］。腦脊液由第三、四腦室內側的脈絡叢分泌，從腦室流入蛛網膜下腔內的PVS，被動脈搏動和血管的舒縮運動共同推進，與間質液體通過AQP4對流，進而流入腦實質，帶走腦間質可溶代謝廢物后座入毛細血管后小靜脈旁的PVS，最后沿靜脈系統排出［10］（圖2）。
圖2血管周圍間隙類淋巴系統液體交換示意圖（本圖為作者原創）
offluidinthe-spaceof（thisisbythe）
對類淋巴系統的了解促使對其功能調節的研究成為可能。分布在星形膠質細胞終足上的AQP4是這一液體交換系統的重要通道蛋白。多項獨立研究證明，類淋巴系統的功能是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的液體減低［12］。據悉，PVS的容積也影響著引流量。研究結果表明，睡眠狀態下，大鼠腦內PVS的空間降低60%，類淋巴系統液體對流交換推進，并在俯臥位下最為顯著，可能與變化的腦部壓有關［13］。
在此基礎上，一些學者進一步對影響類淋巴系統的干預舉措展開探究。已有結果表明，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，明顯降低類淋巴系統的運輸功能［14］。
四、神經退行性疾患中的AQP4
（一）AD
AD是最常見的神經退行性疾患，其特點是進行性的認知功能亢進和Aβ在腦實質中的沉積。Iliff等［10］在2012年就觀察到AQP4抒發上調的大鼠腦內Aβ去除率升高，從而引起沉積降低，表明AQP4在類淋巴系統的引流功能中起著重要作用。
眾所周知，Aβ沉積產生的老年斑會誘導星形膠質細胞和小膠質細胞的反應性炎癥和激活，影響癌癥進展。AD病人的尸檢研究［15,16,17］發覺，AD病人腦中AQP4的總體抒發降低，分布與Aβ陰性老年斑相對應，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、較多的Aβ沉積與更高的Braak病理分期有關［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變化也值得關注。淀粉樣前體蛋白/早老素-1（/-1，APP/PS1）轉基因大鼠研究結果表明，類淋巴系統轉運的降低在AD發作初期、廣泛Aβ沉積之前就已出現［19］。Yang等［20］使用tg-大鼠模型對老年斑與星形細胞終足之間的空間關系進行了3D重建細胞膜水通道，發覺在斑塊產生的初期，AQP4的整體抒發下調，AQP4發生去極化，即從斑塊周圍的終足結構域重新分布到星形膠質細胞的胞體。由此可以推測，Aβ可能通過引起斑塊周圍的星形膠質細胞上AQP4極性分布的改變，進而降低類淋巴系統的引流，而類淋巴系統清理功能的增長可能是Aβ大量沉積的誘因之一。
也有研究者發覺，AQP4基因敲除AD大鼠的星形膠質細胞遷移能力損壞，膠質細胞不能有效向斑塊募集，并從細胞遷移的角度提出AQP4缺位大鼠腦內Aβ沉積降低的假說：AQP4缺位減弱了星形膠質細胞胞體的遷移能力，不利于在斑塊周圍與小膠質細胞共同產生神經膠質網，將斑塊與周圍組織隔離，制止Aβ的進一步擴散和病理的進展［21］。
關于AQP4與認知之間的相關性也值得進一步研究。植物實驗發覺AQP4基因敲除APP/PS1大鼠的認知功能障礙相比野生型愈發嚴重［22］。人群研究中，目前已有2個獨立的遺傳學研究分別報導了6個影響AD病人認知衰退率的AQP4單堿基多態性位點［23］以及9個與睡眠相關的AQP4單堿基多態性位點［24］。但與AD組織病理學相關的位點并未在兩項研究中發覺［23］。
醫治策略上，的團隊［25］借助血清高滲性對于類淋巴系統的增益作用，向APP/PS1大鼠先后胸腔注射高滲液體以及遞送Aβ抗原。結果觀察到抗原在腦內的整體分布及與斑塊的結合明顯降低，提示了基于單克隆抗原醫治中樞神經系統疾患療法的新思路。
（二）哮喘病
哮喘病是第二大常見的神經退行性疾患，主要病理特點是中腦黑質中多巴胺能神經元的進行性遺失、星形膠質細胞的死亡和小膠質細胞的明顯降低，伴隨著存活神經元內α-突觸核蛋白的積累和路易小體的產生。
一項哮喘病病人肺部標本的研究觀察到，哮喘病病人皮質中AQP4的分布明顯降低，但與α-突觸核蛋白呈負相關，這一聯系在腦部皮質的Ⅴ~Ⅵ層更為明顯［26］。Prydz等［27］發覺，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）誘導的神經毒性更為敏感，哮喘病大鼠黑質中血管周圍AQP4的密度低于新皮質70%，且在一定范圍內隨著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性。因為目前還沒有發覺α-突觸核蛋白可以通過類淋巴系統經AQP4清理的有力證據，因而AQP4抒發及分布的改變和α-突觸核蛋白沉積的現象之間存在如何的關系仍然有待探求。
AQP4在哮喘病中還可能起到抑制發炎、減輕氧化應激負擔的作用。一項臨床研究發覺，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［29］。植物實驗研究發覺，MPTP誘導AQP4基因敲除大鼠形成的實驗性癲癇病模型相比野生型大鼠具有更強烈的小膠質細胞與星形膠質細胞炎癥反應，和更嚴重的多巴胺能神經元遺失，在黑質致密部尤為顯著［7，30］。在哮喘病發病和進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，這可能加重膠質炎性反應，加速酪谷氨酸羥化酶陰性神經元的遺失［28］。MPTP誘導后，研究者在AQP4基因敲除大鼠的中腦觀察到了促炎性細胞因子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、凋亡和炎性反應中被激活。這種研究結果提示我們，在癲癇病病理進程中，AQP4可能還承當推動膠質細胞訊號傳遞以及抑制炎性反應、保護神經的作用。
（三）肌萎縮側索硬化（，ALS）
ALS是一種致命的神經退行性疾患，以腦干、腦干、皮質中運動性神經元的選擇性功能亢進及死亡為主要特點，主要的病理標志是星形膠質細胞的囊腫［9］。AQP4的抒發和分布在ALS中和鉀離子通道功能有關。一項研究發覺，ALS病人腦干中AQP4的抒發降低，尤其是在灰質中［9］。SOD1大鼠是實驗性ALS的模型大鼠。研究發覺，SOD1大鼠的腦干、腦干和皮質中都發覺了星形膠質細胞膜上AQP4的過量抒發［32］，并伴隨著Kir4.1鉀離子通道蛋白的降低。AQP4的分布在實驗性ALS模型中發生了去極化，從終足聯通到了膨脹變型的胞體［33］。在癌癥末期，AQP4的抒發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細胞終足上，AQP4跨膜轉運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，促使鉀離子的內流減弱［5，35］，影響局部的水鉀平衡，改變神經亢奮性。
其實細胞膜水通道，AQP4在ALS疾患進展中的變化可能與星形膠質細胞發生病理變化有關，水鉀平衡的失調會造成神經元微環境的衰弱，因而造成神經元功能障礙和死亡。-等［9］發覺敲除AQP4才能改善ALS導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退行性疾患，致使神經毒性突變型HTT（HTT，mHTT）蛋白的形成。在近來有借助鞘內注射通過類淋巴系統輸送反義寡核酸（ASO）到腦部深層結構抑制mHTT蛋白形成的診治策略，靜脈輸注間充質干細胞還能增益這一療效，在實驗室中取得了良好的結果，這提示了AQP4作為小分子抗生素運輸通道的潛在可能性［36］。
五、總結與展望
AQP4對類淋巴系統的運作至關重要，且參與神經退行性疾患的發病和進展的多個進程（表1）。目前，有關AQP4的研究主要通過基因敲除大鼠進行，假如才能通過抗生素提高AQP4的功能以及抒發，對認識AQP4的生理作用以及新療法的開發都能帶來新的啟發。現有研究發覺，AQP4在神經退行性疾患個別階段的抒發和分布發生了變化，未來的研究應著眼于連續性，描述AQP4在神經退行性疾患從起病到終末期不同階段的連續變化，結合AQP4的功能，闡述癌癥的病理生理機制。類淋巴系統概念的提出帶來看待神經退行性癌癥的發病機制和醫治策略的新視角，而這一領域的研究急切地須要新的成像方式來觀察不同狀態下腦脊液的流體循環動力學，進而理解AQP4在其中飾演的角色。通過類淋巴系統，AQP4除了可以作為小分子抗生素運輸的通道，降低抗生素步入中樞神經系統的比列，也可以作為調節消除功能的潛在靶向改善癌癥預后。
為此，AQP4可能是神經退行性疾患發病及進展過程中的重要蛋白以及潛在的調控靶向，但具體機制仍需進一步研究，以明晰在每位環節的具體作用，因而加深對癌癥的認識，促進新療法的研究與舉辦。
參考文獻略
