甘露醇對創傷性腦水腫及AQP4表達影響的研究進展

艾 莉，魯 宏，林治華

(1.重慶市第七人民醫院， 重慶 400054； 2.重慶理工大學 藥學與生物工程學院， 重慶 400054)

我國每年有超過200萬的腦創傷患者[1]。創傷性腦水腫是腦創傷后的嚴重并發癥，它常常是導致患者致殘甚至死亡的主要原因[2-3]。及時、有效干預腦水腫的發生與進程，對腦創傷患者的預后具有重大意義[4]。水通道蛋白-4(aquaporin 4，AQP4)是1種調節水代謝的膜蛋白，在腦水腫的發生機制中至關重要。目前為止，除了外科手術外，內科常用甘露醇高滲脫水劑治療，具有一定療效，但也產生一些不良反應。現就甘露醇對創傷性腦水腫及AQP4表達影響進行綜述。

1 腦水腫

腦水腫是多種誘因導致腦內液體產生過多、異常聚積在細胞內或細胞外間隙的病理過程[5]，屬于繼發性病理過程。它的發生與多種因素有關，例如:血腦屏障破壞、細胞代謝功能障礙等，顱內占位性病變、腦外傷、炎癥及其他多種全身系統性疾病均可引起腦水腫。AQP4、基質金屬蛋白酶、緊密連接蛋白等參與腦水腫的形成。在腦創傷中，血管源性腦水腫和細胞毒性腦水腫尤為重要，兩者共存并此消彼漲。當血腦屏障(BBB)遭到破壞時，毛細血管內的血漿蛋白及水分大量滲出至血管外周及細胞間質內，形成血管源性腦水腫。細胞毒性腦水腫多為細胞內外環境發生改變，繼而發生細胞代謝異常、細胞膜功能障礙等一系列病理生理變化，最終導致細胞內外的Na+、K+及Ca2+交換發生障礙。創傷性腦水腫是腦組織在外力的作用下導致細胞內或細胞外間隙內水份增多。文獻[6]報道，重型顱腦損傷所致的腦水腫，創傷早期以血管源性腦水腫為主，后期則以細胞毒性腦水腫為主。

2 AQP4

2.1 AQP4的結構與分子亞型

AQP4由Agre于1994年于大鼠肺臟中克隆分離出，是1種具有高度選擇性的水雙向轉運的跨膜通道，維持著大腦水平衡，并穩定其內環境[7]。AQP4基因位于人類染色體18q11.2與q12.1之間的銜接處，包含4個外顯子和3個內含子，其中127、55、27及92位氨基酸序列分別由4個外顯子編碼。AQP4的蛋白單體均由8個跨膜α右手螺旋和2個不完全跨膜的螺旋構成，分子量約30 kDa。如圖1所示，AQP4單體包含5個環，親水性A、C、E環位于細胞外，但其氨基端和羧基端均位于細胞內，C端有5個氨基酸且對AQP4能固定在細胞膜上非常關鍵，起連接作用。疏水性B、D環則在細胞內，均具有天冬酰氨-脯氨酸-丙氨酸基序(NPA)如圖2所示，此為AQPs家族的特征序列，在水轉運功能上起到了決定性作用，研究發現B、E環結構的改變會引起水通道的通透性發生改變。2個NPA 結構相對折疊形成一直徑約0.38 nm的孔道，僅能通過1個水分子，此結構即為水通道蛋白“沙漏模型”三級結構。在功能層面上，每個亞單位均可成為一個單獨的水通道[7]。

圖1 AQP4單體結構圖

圖2 NPA結構圖

AQP4的功能亞型有M1、M23和MZ 3種。M1含有323個氨基酸殘基，它的水通透性最高；M23含有301個氨基酸殘基，是腦組織中最常見的一種亞型，其含量亦最豐富，且可形成正交列陣結構(orthogonal arrays of particles，OAPs)，它們是質膜中類似晶體的超分子組件，OAP可能由共同表達的M1-M23 AQP4雜四聚體組成[9]。OAP為AQP4的特有結構，不僅能使水分子通透性增強，促進AQP4在星形膠質細胞的極化，還可輔助AQP4定位于細胞膜上[10]。Alikina等[11]研究結果顯示，M1 mRNA編碼AQP4-M1，M23 mRNA及M23 X mRNA共同編碼AQP4-M23。正常情況下，AQP4-M1與AQP4-M23的比例相對穩定，但在某些因素的作用下此比例將發生改變，從而使質膜的通透性隨之改變[12]。Mubariz F等[13]研究表明，雖然M1和M23的通透性相似，但兩者的表達水平不同，前者要低于后者。因此，M23亞型的單位水滲透率低于M1亞型。

2.2 AQP4的分布與功能

AQP4在顱腦內主要位于支持細胞中，介導自由水跨膜轉運，參與腦脊液形成與重吸收。正常情況下，AQP4在血腦屏障的血管基底膜、星形膠質細胞足突(P)上的表達水平與其在細胞膜(M)上的表達水平的標準比(P/M)為12∶3，呈極性分布態勢[15]。腦創傷時，AQP4的極性分布反轉，在損傷區星形膠質細胞上的表達水平顯著升高，腦水腫的類型及輕重程度隨之發生變化，證明這種極性分布與其在腦內水平衡中發揮重要作用有關[14-16]。AQP4還可存在于海馬體、胼胝體、下丘腦等組織中，尤其是在下丘腦視上核和室旁核，AQP4高度表達，滲透壓變化1%便可引起抗利尿激素釋放，推測AQP4可能作為滲透壓感受器或受體，參與全身的水平衡[17]。AQP4被證實是一種黏附分子，對細胞的遷移和神經興奮、突觸可塑性等生理功能起作用[18]。除此之外，研究證實AQP4還參與代謝物的排除、鈣離子信號傳導、免疫調節、谷氨酸鹽穩態和鐵傳遞等，如表1所示。

表1 AQP4在腦內的主要分布與功能

3 甘露醇

甘露醇屬于糖醇類的單糖大分子物質，提制于褐藻細胞。甘露醇不能被人體代謝，且腎小管對其重吸收極少，因此大量以原形的形式通過腎臟排出體外。甘露醇通過升高血管內的滲透壓，促使水分從組織內進入血管，起到脫水降壓的作用。甘露醇還可經增加血容量、提升腦組織供氧的途徑，降低顱內壓。除此之外，推測甘露醇可能對腦脊液的分泌和再吸收有影響。甘露醇有良好的利尿、降顱壓、減輕腦水腫作用，兼之擁有起效快，價格便宜等優點，在臨床中廣泛用于降顱壓，防止腦疝形成[19-20]，臨床較常用20%的甘露醇。甘露醇的副作用也較多，水和電解質紊亂是最常見的不良反應之一，這是因為短時間內快速靜滴大量甘露醇，致使體內甘露醇的量迅速增加，血容量隨之迅捷擴充，誘發心力衰竭、低鈉血癥等多種嚴重并發癥。一般情況下，甘露醇進入體內后，可不經BBB而快速進入細胞外液，但當血液中甘露醇含量較高或酸中毒或BBB受損時，甘露醇則可透過BBB導致顱內壓升高的“反跳”現象。甘露醇還可導致腎功能損害，這是其較嚴重的不良反應。有17.3%～34.3%的患者(年齡<60歲)使用甘露醇后出現腎損害，老年人及有并發癥的人群出現腎損害的比例更高[21-23]。

4 AQP4、創傷性腦水腫及甘露醇之間的關系

4.1 AQP4與創傷性腦水腫

創傷性腦水腫的類型可隨腦創傷后時間的推移而出現多種水腫類型的混合，常常為血管源性腦水腫與細胞毒性腦水腫并存[6]。AQP4與腦水腫形成和消退密切相關，AQP4的調節失衡是創傷后腦水腫形成與發展的主要因素。AQP4在創傷性腦水腫的不同時期、不同類型中有著不同的作用[24]，具有雙重性。多數研究表明，當AQP4表達上調時，能緩解血管源性腦水腫，加劇細胞毒性腦水腫，反之亦然。但少數研究[25]發現，AQP4的表達在細胞毒性腦水腫時下降，而在血管源性腦水腫時上升，認為這是機體對抗腦水腫的一種自身保護機制，也推測可能是細胞毒性腦水腫與血管源性腦水腫同時存在時，兩者之間的中和作用所致。目前AQP4調節腦水腫的確切機制依然不明確。國外研究顯示[26]，AQP4表達的早期升高與離子性腦水腫和星形膠質細胞腫脹的形成和發展密切相關，AQP4可以與其他跨膜結構共同表達一個內向整流K+通道-KIR4.1，通過K+形成的滲透梯度驅動水分子經AQP4的跨膜運動，進而影響水穩態。磺酰脲類受體1(sulfonyurea receptor 1，SUR1)是一種ATP結合盒式轉運體，調節成孔亞基。成孔亞基瞬時受體電位通道4(transient receptor potential melastatin 4，TRPM4)是由細胞內Ca2+激活的非選擇性一價陽離子通道。SUR1與TRPM4具有協同作用，能增加Ca2+的敏感性，兩者形成的復合物SUR1-TRPM4與腦水腫形成有關。腦創傷時，AQP4與SUR1-TRPM4聚集在一起形成異多聚水/離子通道復合體，當細胞內Ca2+的升高，SUR1-TRPM4通道被激活，Na+內流，局部滲透壓升高，驅動水分子經AQP4流入膜內，從而介導跨膜水通量和星形膠質細胞腫脹[27]。在上述機制中，AQP4可能通過釋放ATP后嘌呤能受體的激活參與細胞內Ca2+信號傳遞。以上研究均表明，創傷性腦水腫形成過程中，細胞內外離子濃度差是水跨膜流動的驅動器，而AQP4則以不同的角色參與其中。

4.2 甘露醇與創傷性腦水腫及AQP4

甘露醇為高滲透壓脫水劑，是臨床用于顱腦創傷后降顱壓的標準藥物[28]，其作用機制是快速升高血漿滲透壓，使血管內處于高滲狀態，后者驅使水分子自腦組織轉向血管內，導致腦組織水分減少[29]。研究證實，甘露醇導致顱內壓反跳是因為它在腦脊液和血清中的排出速度不同，前者慢于后者，使得腦脊液的滲透壓升高。腦創傷主要病理改變為血管源性腦水腫，并在創傷早期就出現，后期以血管性腦水腫為主的混合性水腫[30]。腦創傷早期BBB被破壞，甘露醇通過BBB在腦創傷區不斷積聚，局部形成高滲狀態，促使血管源性腦水腫加重[31]。同時，在甘露醇所致的高滲條件下，甘露醇通過激活p38 MAPK途徑，誘導AQP4 mRNA的表達，進而促使AQP4表達上調，如圖3所示，促使細胞毒性腦水腫加重[32-34]。然而，具體詳細的作用機制仍不清楚，僅發現負責高滲調節的關鍵順式作用元件位于AQP4外顯子0的5’端旁側的-345與-428之間[32]。Sunmc等[34]發現，在小鼠重型顱腦損傷模型中，創傷8 h后腦組織嚴重水腫，AQP4表達明顯上升，且其表達水平與腦水腫輕重呈正相關；而創傷后立即使用甘露醇治療，發現腦水腫得到減輕，AQP4表達亦下調。李冬梅等[35]研究亦證實，創傷6 h首次使用甘露醇能抑制AQP4的表達及減輕腦細胞水腫，AQP4表達減少可能與顱內壓降低及腦灌注增加有關。但少數研究發現，甘露醇不僅能提前腦水腫高峰時間，還會延長腦水腫持續時間，并且不同濃度甘露醇均可引起創傷區腦水腫的加重及AQP4表達上調[36]。2種觀點不一致，推測與腦創傷時間及腦水腫類型有關，但兩者均提示甘露醇對AQP4的表達有影響。通過上述資料可得出，在腦創傷早期以血管源性腦水腫為主時，快速、短期、適量應用甘露醇可下調AQP4的表達，減輕腦水腫；長期獨立使用或大劑量使用甘露醇治療腦水腫則可能因為甘露醇的大量積聚上調AQP4的表達，加重腦水腫，并產生一系列毒副作用，尤其是可能引起腎功能衰竭，其發生率與使用劑量及給藥速度呈正相關[37-40]。因此，甘露醇在治療創傷性腦水腫時是一把“雙刃劍”，進一步研究甘露醇對AQP4的調節作用機制，有利于在創傷后不同時間，根據腦水腫不同類型，選擇甘露醇的使用時間及劑量；同時，阻斷甘露醇對p38 MAPK途徑的激活或抑制p38 MAPK對下游信號的調節，從而影響AQP4的表達，或可成為提高甘露醇療效并減輕其毒副作用的一個關鍵點。

圖3 甘露醇誘導AQP4表達的信號通路圖

5 結論

AQP4與創傷性腦水腫緊密相關。甘露醇可通過p38 MAPK途徑誘導AQP4表達的變化，但p38 MAPK信號通路中有哪些下游因子參與了對AQP4的調控、AQP4的具體作用位點位于何處等都不明確；除了p38 MAPK通路外，甘露醇是否還可通過其他路徑影響AQP4的表達，這些都需進一步深入研究。臨床治療創傷性腦水腫時，正確選擇甘露醇的應用時間和劑量，最大限度規避其不良反應，擴大其治療作用[41-42]，是臨床醫生一直探討的焦點。探討甘露醇對AQP4表達影響的分子機制，有利于甘露醇治療創傷性腦水腫的效果達到最優化，也有望為分子靶向治療腦水腫提供依據。