水通道蛋白在急性肺損傷中的作用機制

任 煒 趙自剛 牛春雨 (河北北方學院微循環研究所，河北 張家口 075000)

水通道蛋白在急性肺損傷中的作用機制

任 煒1趙自剛 牛春雨 (河北北方學院微循環研究所，河北 張家口 075000)

水通道蛋白;急性肺損傷

急性肺損傷(ALI)常導致急性呼吸衰竭，目前尚未完全闡明其發病機制。由于急性肺水腫是其主要病理學特點，故水在肺組織細胞內外、肺泡膜內外轉運能力的強弱則成為ALI形成的關鍵。水轉運機制主要有兩種，一種是通過脂質雙分子層的簡單擴散，另一種是通過細胞膜蛋白質的選擇性轉運作用，大量證據表明這種細胞膜蛋白質的選擇性轉運作用是由水通道蛋白(AQPs)介導的，AQPs是肺內水轉運的一個重要途徑，與ALI時水的代謝和轉運障礙密切相關〔1〕。本文重點對AQPs及其在ALI發病機制中的作用進行綜述。

1 AQPs的分子結構及其在肺組織的表達與功能

1.1 AQPs的分子結構 AQPs主要介導自由水分子跨生物膜的轉運〔2〕。AQPs是一種糖蛋白，相對分子質量約為28 000，由250～300個氨基酸殘基組成;包含6個跨膜分布的右旋α-螺旋和5個螺旋間環區(A-E)，其氨基和羧基末端位于細胞膜的內表面，并且序列高度相似;疏水性的螺旋間環區B和E包含高度保守的天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸序列，相互重疊的插在脂質雙分子層中，形成立體的“沙漏”樣結構〔3〕，中央是水分子進出的通道。完整的AQPs以四聚體形式存在，每一個AQP分子有其特異性的多肽序列，形成不同大小尺寸的膜孔，形成獨立的水通道。

1.2 AQPs在肺組織的表達 迄今為止，至少發現四種AQPs在肺和呼吸道內表達〔1，4〕:AQP1表達于整個肺和呼吸道的微血管內皮細胞中;AQP3表達于大氣道的上皮細胞;AQP4表達于整個氣道上皮細胞;AQP5主要表達于Ⅰ型肺泡上皮細胞和黏膜下腺細胞內。這些AQPs在出生時會顯著增加，并受生長因子、炎癥因子、激素及滲透應力的調節。

1.3 肺AQPs的功能 肺內跨肺泡-呼吸膜的液體轉運從新生兒期就開始了〔5〕，對整個肺及肺內單個細胞的生物物理檢測表明，跨肺泡上皮細胞和肺血管內皮細胞對水通透性非常高;在高通透性的環境中，肺內AQP1和AQP5是滲透梯度驅動水轉運的主要通道，AQPs對于維持肺的功能具有非常重要的意義。隨著AQPs基因敲除小鼠的出現，可以清晰地認識AQPs在肺和呼吸道生理和病理生理狀態下的作用〔6〕。研究表明〔7，8〕，肺泡腔和毛細血管內滲透性水通透的驅動力在AQP1或AQP5敲除小鼠降低了10倍;AQP1基因敲除小鼠表現出顯著的跨肺泡呼吸膜滲透梯度驅動水轉運能力的降低，但對肺內水的浸潤影響并不大，這一過程可能更大程度上取決于細胞旁通路水的轉運;AQP1聯合AQP4或AQP1聯合AQP5基因敲除后通透性的驅動力進一步降低;氣道內AQP3和AQP4參與水的轉運，但AQP敲除并沒有影響氣道的水合作用、表面液體層的調節作用及等滲液的吸收;AQP5敲除后，上呼吸道黏膜下腺分泌減少，但分泌液的蛋白含量顯著增加。盡管AQPs在肺內滲透性驅動的水轉運中扮演關鍵角色，但AQPs基因敲除并沒有對肺的主要功能產生顯著性的影響，比如肺泡液的清除能力、肺損傷后水腫液的積聚。考慮此作用可能在生理情況下，水的轉運依賴于滲透壓的作用可能更為主要;但在病理情況下，AQPs則發揮更為主要的作用。

2 AQPs在ALI發病機制中的作用

2.1 AQPs在內毒素性ALI中的作用 李波等〔9〕通過靜脈注射脂多糖(LPS)建立內毒素性ALI模型，發現在給予LPS出現ALI后，正常表達于氣道和肺泡周圍毛細血管內皮細胞內的AQP1明顯減少，正常Ⅰ型肺泡上皮細胞陽性表達的AQP5也顯著降低;AQP3和AQP4在整個實驗過程中與對照組比較未見任何差異;同樣的結果應用實時定量PCR技術和蛋白印跡得到了進一步證實。鐘佰強〔10〕實驗也發現內毒素性肺損傷后AQP1和AQP5的表達水平下降;靜脈給予糖皮質激素地塞米松后，ALI改善的同時，AQP1和AQP5也明顯提高。Jiao等〔11〕報道，注射LPS后4～48 h，損傷肺內AQP1和AQP5表達顯著下降，而給予類固醇激素后可部分使AQP1水平上升，但對AQP5無影響。由于AQP1主要表達于肺內微血管內皮細胞，血源性帶來的損傷首先作用于內皮細胞，導致了AQP1的表達降低，進而引起跨血管壁水轉運能力的降低。而AQP5表達下調表明肺泡上皮細胞受損及功能障礙，對肺泡腔內液體的清除能力的降低。可見，AQP1和AQP5在膿毒血癥相關的ALI中可能扮演更重要的角色;鑒于類固醇激素或糖皮質激素的作用，推測:機體應激性的腎上腺皮質激素分泌增多及過度活化的炎癥反應可能是AQPs在ALI時表達改變的關鍵因素。但是，AQP1和AQP5表達降低的具體機制與相關信號轉導的作用還不清楚，AQP1和AQP5表達降低的后續事件也值得探討。

2.2 AQPs在藥物性ALI中的作用 Gabazza等〔12〕研究發現，氣管內滴注或皮下注射博來霉素誘導的兩種肺損傷的動物模型上Ⅰ型肺泡上皮細胞內AQP5的表達顯著下降;AQP5基因敲除小鼠表現為肺泡壁變厚，細胞外Ⅰ型膠原沉積。Jang等〔13〕研究發現，博來霉素引起ALI時，AQP1的表達從第4天開始顯著降低，而AQP5的表達在第4、7和11天時明顯上升。這些結果表明，AQPs參與了藥物性ALI的發生，但在藥物性ALI發展過程中的確切作用還不清楚。

2.3 AQPs在病毒感染致ALI中的作用 氣管內腺病毒感染往往會出現肺內炎癥和水腫的產生。AQPs是水在肺內遠端肺泡-呼吸膜屏障兩側轉運的關鍵通道。因此，病毒感染后肺內水處理異常狀態下AQPs的變化值得關注。Towne等〔14〕報道，AQP1和AQP5的轉錄和蛋白表達在腺病毒注射后的第7、14天均顯著降低;免疫組織化學染色分析表明，AQP1和AQP5的表達降低并沒有僅僅局限在感染局部，而是全部肺內的一種表現。因此推測，AQP1和AQP5參與了病毒性感染后水腫液滲出的過程，但其具體過程有待進一步探討。此外，Northern印跡分析發現，病毒性損傷不單使肺AQPs表達下調，上皮鈉通道(ENaC)也受到顯著抑制〔15～17〕。肺泡Ⅱ型上皮細胞對鈉離子的攝取主要通過位于頂端膜上的ENaC完成，隨后被位于基底膜上的Na+-K+-ATP酶泵入組織間隙，ENaC在鈉離子跨肺泡上皮轉運過程中扮演重要作用;Towne等〔14〕實驗表明，腺病毒感染的第7、14天，肺內ENaC的表達顯著降低;ENaC表達下降可引起鈉離子跨肺泡Ⅱ型上皮細胞轉移進入肺泡間隙減少，滲透梯度的破壞導致肺泡腔內的液體不能通過AQPs進入組織間隙，因此，病毒性ALI肺水腫的形成除與AQPs有關外，還可能與ENaC表達下降有關。

2.4 AQPs在高氧性ALI中的作用 高氧性ALI晚期往往出現間質、肺泡甚至整個肺纖維化病變〔18〕。研究表明，在高氧性ALI發展過程中 AQPs功能障礙扮演重要作用〔19，20〕。岳冬梅等〔21〕對高氧性ALI動物模型的研究發現，AQP1在高氧暴露的第3天開始下降，第5、7天顯著降低，但在第14天開始其表達有所回升;且AQP1下降最顯著的時間段正是肺內炎性水腫發生的高峰期;高氧暴露的第14天隨著AQP1蛋白表達回升，水腫液也開始逐漸消散。譚利平等〔22〕報道，高氧暴露后AQP5在肺泡Ⅰ型上皮細胞和氣道分泌上皮的表達逐漸減弱，并且其表達趨勢也與肺損傷的嚴重程度相平行，給予糖皮質激素雖然可以改善肺損傷的程度，但并不能改變AQPs的表達。這些結果強烈支持AQPs參與了高氧性ALI的發生，但具體的相關事件還有待進一步探究。

2.5 AQPs在失血性休克ALI中的作用 失血性休克狀態下大約有40%會出現 ALI〔23，24〕，AQPs是否也參與失血性休克后ALI的發生，值得探討。招偉賢等〔25〕在失血性休克聯合LPS二次打擊大鼠模型上發現，損傷肺內AQP1和AQP5的表達顯著降低，6%羥乙基淀粉復蘇后，AQP1和AQP5的表達能夠得以維持;AQP1和AQP5的表達與肺內水的含量、損傷程度密切相關;結果表明，AQP1和AQP5對于維持失血性休克后肺內水的平衡具有重要意義，AQP1和AQP5表達紊亂是失血性休克引起肺水腫的主要機制之一。前期研究發現，腸淋巴管結扎減少休克后腸淋巴液回流，可減少失血-LPS二次打擊、失血性休克后的 ALI〔26，27〕，但阻斷休克腸淋巴液回流減少 ALI的機制是否與AQPs有關，值得進一步關注。

3 展望

盡管有大量的學者和研究關注于AQPs，但仍有許多問題有待闡明。比如，AQPs在ALI時表達變化的生物學效應是什么，AQPs表達的變化究竟是一種損傷性表現，還是一種抗損傷的代償，AQPs在生理與病理生理條件下在肺內的分布、表達與調控的深入研究，將為以AQPs為靶點防治ALI的研究打開新視野，也可為臨床ALI的治療提供新思路。

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國家自然科學基金資助項目(30370561);河北省高校百名創新人才支持計劃(BR2-105)

1 張家口學院

趙自剛(1974-)，男，碩士，教授，碩士生導師，主要從事創傷休克研究。

任 煒(1975-)，女，碩士，副教授，主要從事創傷休克研究。

〔2013-12-06修回〕

(編輯 杜 娟/張 慧)