水通道蛋白4 在神經(jīng)認(rèn)知障礙疾病中的作用機(jī)制研究進(jìn)展

周晗，陳駿萍，盧波

淋巴系統(tǒng)負(fù)責(zé)清除組織間質(zhì)中多余的液體和大分子物質(zhì)，在維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用。大腦作為機(jī)體代謝最活躍的器官之一，在過去很長一段時(shí)間內(nèi)都被認(rèn)為缺乏實(shí)質(zhì)性的淋巴系統(tǒng)，直至2012 年首次報(bào)道了“膠質(zhì)淋巴系統(tǒng)”，人們對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和淋巴系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)都進(jìn)入了一個(gè)新的階段。glymphatic 系統(tǒng)又稱“類淋巴系統(tǒng)”，是顱內(nèi)的液體運(yùn)輸系統(tǒng)，連接大腦的所有區(qū)域，它促進(jìn)腦脊液和間質(zhì)液的交換，并起到清除大腦中代謝廢物的作用。水通道蛋白4（AQP4）作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)最豐富的水通道蛋白，在顱內(nèi)起到維持水平衡作用，是glymphatic 系統(tǒng)的重要組成部分。本文擬探討APQ4 與顱內(nèi)淋巴系統(tǒng)的關(guān)系，并總結(jié)其在神經(jīng)認(rèn)知障礙疾病中作用和機(jī)制的研究進(jìn)展，報(bào)道如下。

1 AQP4 的結(jié)構(gòu)和功能

AQP4 廣泛存在于人體的多種組織器官中，如腎臟（集合管）、胃（壁細(xì)胞）、氣道、腺體和骨骼肌的上皮細(xì)胞中，參與尿的濃縮、腦脊液的再吸收、肺泡水腫的緩解等病理生理過程，但其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的表達(dá)最豐富[1]。研究證實(shí)AQP4 大部分表達(dá)在腦、脊髓和視神經(jīng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞終足，其在腦內(nèi)的分布廣泛，包括大腦皮層、胼胝體、視網(wǎng)膜、小腦、下丘腦的大細(xì)胞核和腦干[2]，但尤其集中在與腦脊液接觸的軟腦膜和室管膜表面，這稱為AQP4 的極化。這種定位特點(diǎn)使得AQP4 與血管周圍空間相聯(lián)系，參與腦脊液在腦實(shí)質(zhì)與血管周圍間隙之間的流動(dòng)過程，維持中樞系統(tǒng)內(nèi)的水平衡，成為腦內(nèi)淋巴系統(tǒng)的重要組成部分。在此之前，已有文獻(xiàn)提出AQP4 的極化定位似乎比AQP4 的表達(dá)量更重要[3]。最近，有研究者在老年人類脈絡(luò)膜上發(fā)現(xiàn)了AQP4陽性細(xì)胞，并在脈絡(luò)膜上皮細(xì)胞基底外側(cè)膜上檢測到OAPs[4]，這一研究結(jié)果可能成為進(jìn)一步證明AQP4 在腦脊液引流中作用的證據(jù)。

2 AQP4 與glymphatic 系統(tǒng)

glymphatic 系統(tǒng)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的一種血管周圍網(wǎng)絡(luò)，由Iliff 等人于2012 年首次定義，其在腦內(nèi)提供類淋巴功能，在腦脊液（CSF）與大腦間質(zhì)液之間的交換、腦脊液引流、可溶性淀粉樣蛋白-（A ）等代謝廢物清除中起到重要的作用，也參與許多中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理過程，如神經(jīng)退行性疾病、顱腦損傷及腫瘤等[5]。Iliff 等將glymphatic 系統(tǒng)分為3個(gè)功能，淋巴內(nèi)流、腦脊液和腦間質(zhì)（CSF-ISF）的交換及淋巴外流[6]。

除了glymphatic 系統(tǒng)參與的腦脊液循環(huán)過程，AQP4 在glymphatic 系統(tǒng)清除代謝廢物的過程中同樣起著重要作用。Iliff 等人假設(shè)，A 可以被glymphatic 系統(tǒng)通過AQP4 依賴的間質(zhì)液流動(dòng)從大腦中清除。在AQP4 敲除小鼠中A 清除率減半的觀察證實(shí)了這一假設(shè)，這也表明了有很大一部分的A 通過glymphatic 系統(tǒng)途徑清除[7]。Risa 等[8]發(fā)現(xiàn)AQP4 敲除小鼠腦脊液至頸深淋巴結(jié)的tau 蛋白引流受損，這證明了tau 蛋白在大腦中通過一種AQP4 依賴的機(jī)制清除，AQP4 缺乏會(huì)加重tau 相關(guān)的神經(jīng)退行性改變。

glymphatic 系統(tǒng)的功能受到睡眠、晝夜節(jié)律、動(dòng)脈搏動(dòng)等生理因素的調(diào)節(jié)[5]。2013 年Xie 等[9]人研究證實(shí)，在自然或麻醉狀態(tài)下，glymphatic 系統(tǒng)功能在睡眠時(shí)活躍，在清醒狀態(tài)下被明顯抑制。值得關(guān)注的是，Lauren 等[10]人針對glymphatic 的晝夜節(jié)律的研究中證實(shí)，AQP4 在血管周圍極化存在晝夜節(jié)律，且這一節(jié)律支持腦脊液引流的晝夜節(jié)律。

3 AQP4 與神經(jīng)認(rèn)知障礙疾病

3.1 AQP4 和神經(jīng)退行性疾病 阿爾茨海默病（AD）是當(dāng)前最常見的神經(jīng)認(rèn)知障礙疾病，年齡變化是其發(fā)展的最大危險(xiǎn)因素。自2013 年Iliff 等定義了glymphatic系統(tǒng)以來，不斷有研究證明，在老年鼠大腦中血管周圍空間腦脊液再循環(huán)和A 的清除受損，與血管周圍AQP4 定位的喪失有關(guān)。隨后通過對不同年齡、不同認(rèn)知功能水平、具有不同AD 病理特征的人類大腦組織的解剖研究發(fā)現(xiàn)，AQP4 的表達(dá)增加和定位改變是老年腦的一個(gè)普遍特征，但這一表現(xiàn)在認(rèn)知功能完好的老年人大腦中并不存在，由此他們推測血管周圍AQP4 定位是否改變是評估認(rèn)知功能的重要預(yù)測因子[11]。隨后他們進(jìn)一步研究證實(shí)，血管周圍AQP4 定位的喪失與局部A 和tau 病理性累積增加有關(guān)，并與疾病過程早期的認(rèn)知功能下降有關(guān)[12]。最近，他們進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)證明，與AQP4基因缺失相比，AQP4 定位喪失對A 斑塊沉積的影響更為明顯[13]。此外，Ian 等[14]發(fā)現(xiàn)在tau 阿爾茨海默病模型中，CSF-ISF 交換和tau 蛋白的清除受損，AQP4在星形細(xì)胞端足的極化水平降低，且在正常小鼠中通過抑制AQP4，CSF-ISF 交換和tau 蛋白清除也顯著減少。由此可見，AQP4 可成為治療AD 的藥物靶點(diǎn)。

帕金森病（PD）也是一種年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病，大腦中-突觸核蛋白（ -syn）的產(chǎn)生和清除不平衡，導(dǎo)致-syn在腦內(nèi)過量累積，這一過程在PD的發(fā)病和發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用。通過對AQP4基因缺失（AQP4-/-）小鼠和野生型（WT）小鼠腦實(shí)質(zhì)內(nèi)注射外源性可溶性重組人-syn，對比小鼠黑質(zhì)（SN）中-syn 的殘留情況，證明了AQP4 對腦內(nèi)-syn 的清除具有促進(jìn)作用。在WT 小鼠SN 中存在AQP4 血管周圍定位，而A35T 小鼠（純合子A53T小鼠-syn cDNA含量比對照組高2倍以上）的AQP4異常定位于SN 實(shí)質(zhì)，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AQP4 緊密包繞-syn 陽性神經(jīng)元，這說明AQP4 的去極化與-syn的蓄積具有一定的相關(guān)性[15]。由此推測，改善PD患者腦內(nèi)APQ4 的表達(dá)和極化水平，或許能減輕-syn 在腦內(nèi)的蓄積。

3.2 AQP4 和顱腦損傷

3.2.1 創(chuàng)傷性腦損傷（TBI） TBI 是許多癡呆早期發(fā)展的危險(xiǎn)因素，創(chuàng)傷后大腦經(jīng)常表現(xiàn)出tau蛋白蓄積。腦外傷后glymphatic 通路功能的慢性損傷可能是導(dǎo)致腦外傷后易發(fā)生tau 蛋白聚集和神經(jīng)退行性變的關(guān)鍵因素。Iliff 等在中度TBI 模型的研究中發(fā)現(xiàn)，顱腦損傷后血管周圍AQP4 極化的喪失削弱了間質(zhì)溶質(zhì)的清除，這包括glymphatic通路中的tau蛋白。間質(zhì)中的清除過程障礙加劇了細(xì)胞內(nèi)tau 蛋白的聚集和神經(jīng)退行性變，進(jìn)一步加劇了TBI 后的神經(jīng)認(rèn)知功能障礙[16]。在最近的研究中，Lu 等[17]發(fā)現(xiàn)二甲胺四環(huán)素通過降低TBI后小鼠AQP4 的表達(dá)水平，保護(hù)血腦屏障完整性和星形膠質(zhì)細(xì)胞功能來改善TBI后的神經(jīng)功能障礙，由此研究結(jié)果推測AQP4很可能是二甲胺四環(huán)素治療TBI 的重要治療靶點(diǎn)，對于TBI 的治療有重要意義。

3.2.2 腦水腫 腦積水主要表現(xiàn)為腦脊液流量受損、腦室擴(kuò)大、腦室破壞、反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生等，可能發(fā)生在創(chuàng)傷、感染、腫瘤或血供受阻之后。AQP4 在動(dòng)脈和靜脈周圍空間的星形膠質(zhì)細(xì)胞末端大量表達(dá)，在維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)的淋巴功能中起到不可或缺的重要作用。AQP4 的高通透性使得腦脊液從動(dòng)脈周圍間隙進(jìn)入間質(zhì)，以及從間質(zhì)進(jìn)入靜脈周圍間隙過程的阻力大大降低[7]。AQP4 主要與腦水腫和腦實(shí)質(zhì)血流的重吸收有關(guān)[18]。

對于缺血性腦水腫，Takashi等[19]分別使用-Syn-/-小鼠（該種類小鼠血管周圍的AQP4 明顯缺失）和WT 小鼠，通過閉塞腦膜中動(dòng)脈建立腦缺血模型，電鏡下對比觀察小鼠大腦發(fā)現(xiàn)，-Syn -/-小鼠血管周圍星形膠質(zhì)末端足突明顯腫脹，而WT 小鼠的大腦梗死面積和大腦半球擴(kuò)大程度都更加明顯，這些發(fā)現(xiàn)說明了水通過腦-血界面的阻力主要來源于在星形膠質(zhì)末端足突，而不是在毛細(xì)血管內(nèi)皮，在血管周圍星形膠質(zhì)末端足突的AQP4 可能是急性腦水腫發(fā)作時(shí)水分子快速流入腦實(shí)質(zhì)的途徑。之后研究表明，AQP4 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)水腫的發(fā)生和消退過程中具有不同的作用，在損傷后早期，AQP4 對水分子的高通透性推動(dòng)細(xì)胞毒性水腫的發(fā)展，但之后對血管源性水腫起到抑制、消除作用。另外，在對于腫瘤所致的腦水腫研究中，利用放射誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞足突腫脹的24 h 內(nèi)，研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)AQP4 的表達(dá)明顯上調(diào)，短期使用藥物減輕星形膠質(zhì)細(xì)胞足突腫脹程度后，同時(shí)也阻止了腦組織含水量的增加[20]。

由此可見，在腦水腫急性期抑制AQP4 的表達(dá)與作用，可以起到預(yù)防腦水腫的作用。研究人員進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，急性缺氧會(huì)導(dǎo)致初級(jí)皮質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞表面的AQP4 重新定位，并伴隨著細(xì)胞膜對水的通透性提高。這種AQP4 在細(xì)胞表面的重新定位具有鈣調(diào)蛋白（CaM）依賴性，CaM與AQP4 直接作用引起特定構(gòu)象變化，驅(qū)動(dòng)AQP4 細(xì)胞表面定位。抑制CaM可抑制AQP4 在血脊髓屏障上的定位，減輕中樞神經(jīng)系統(tǒng)水腫[21]。Mootaz 等[22]也證明了AQP4 的定位也在亞細(xì)胞水平上動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，會(huì)影響膜對水分子的通透性。

此外，Huanru 等[23]針對病毒感染中樞神經(jīng)系統(tǒng)所引起的腦水腫研究中發(fā)現(xiàn)，腸病毒71（EV71）感染會(huì)誘導(dǎo)小鼠大腦AQP4 去極化，通過藥物抑制AQP4 穩(wěn)定因子營養(yǎng)不良蛋白-營養(yǎng)不良聚糖復(fù)合物（DDC）的衰減，可保護(hù)AQP4 的極化定位，減輕腦水腫。這進(jìn)一步探究了AQP4 在不同病因病因的腦水腫所在不同階段起到的作用。而病毒感染一直以來都被懷疑是神經(jīng)認(rèn)知障礙性疾病的致病因素，這一研究為這兩者之間的關(guān)系提供了重要線索。

3.2.3 蛛網(wǎng)膜下腔出血（SAH） 研究表明，SAH 明顯損害了glymphatic 系統(tǒng)的灌注[24]。Peng 等[25]進(jìn)一步探究了AQP4 在發(fā)生SAH 后glymphatic 系統(tǒng)受損中的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)SAH后大腦腦脊液流入和間質(zhì)液清除均明顯減少，而AQP4 的缺失會(huì)進(jìn)一步加重SAH 后glmphatic 系統(tǒng)功能的損傷。SAH 的進(jìn)展與AQP4 的表達(dá)和極化相互影響，兩者之間的這一緊密聯(lián)系，為治療和預(yù)防SAH進(jìn)一步進(jìn)展指明了新的研究方向。

3.3 AQP4 和肝性腦病 肝衰竭與星形膠質(zhì)細(xì)胞腫脹導(dǎo)致的進(jìn)行性細(xì)胞毒性腦水腫密切相關(guān)，而后者是肝性腦病（HE）發(fā)生的基礎(chǔ)，但其發(fā)病機(jī)制尚不完全清楚。Anna 等[26]在對慢性肝病動(dòng)物模型（膽管結(jié)扎/BDL 模型）的研究中，通過動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI 首次證明了BDL 大鼠額葉腦區(qū)對比劑的腦脊液滲透和實(shí)質(zhì)清除過程受損，這說明慢性肝病和HE 動(dòng)物模型中的glymphatic 系統(tǒng)功能出現(xiàn)明顯障礙，同時(shí)BDL大鼠額葉腦區(qū)的AQP4 表達(dá)顯著降低，但BDL 大鼠的顱內(nèi)壓（ICP）與對照組沒有差異。在此之前也有相關(guān)研究通過不同方式誘導(dǎo)的多種大鼠肝病模型橫向?qū)Ρ妊芯浚l(fā)現(xiàn)僅在BDL 模型中表現(xiàn)出AQP4 表達(dá)增加和低級(jí)腦水腫，其余多種模型大鼠的腦滲透壓沒有差異，血腦屏障的結(jié)構(gòu)功能也相對完整。上述結(jié)果均說明肝衰竭所引起的腦水腫表現(xiàn)出glmphatic系統(tǒng)功能障礙、AQP4 表達(dá)改變，但AQP4 在與肝衰竭相關(guān)的腦水腫的發(fā)病機(jī)制中并不是起到核心作用。

3.4 AQP4 和酒精中毒 研究人員在對于酒精中毒的研究中發(fā)現(xiàn)，酒精會(huì)損傷glymphatic系統(tǒng)的功能，但急性酒精中毒和慢性酒精中毒引起glymphatic系統(tǒng)功能損害的機(jī)制并不相同。

在急性酒精中毒的動(dòng)物腦內(nèi)，-內(nèi)啡肽的釋放升高，腦血管搏動(dòng)減弱，但不伴有GFAP 和AQP4 的表達(dá)改變及AQP4 極化的變化。而在慢性酒精中毒的動(dòng)物大腦中，研究人員發(fā)現(xiàn)GFAP 的表達(dá)明顯增加，血管周圍AQP4 極化廣泛喪失，但-內(nèi)啡肽的釋放、心率、血壓、腦血管搏動(dòng)等方面與對照組不接觸酒精的動(dòng)物相比沒有明顯差異。由此推斷，血管周圍AQP4 極化的喪失可能是引起慢性酒精中毒動(dòng)物CSF-ISF 交換功能受損的原因之一[27]。由上述可見，由長期過量飲酒導(dǎo)致機(jī)體功能異常引發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)持續(xù)性嚴(yán)重?fù)p傷的慢性酒精中毒性腦病（CAE），它的發(fā)生發(fā)展與AQP4 的表達(dá)和極化相互影響。

3.5 AQP4 和藥物成癮性腦病 有研究人員對反復(fù)進(jìn)行可卡因接觸或戒斷的小鼠大腦進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)可卡因接觸小鼠的腦血流量（CBF）明顯減少，腦內(nèi)動(dòng)靜脈搏動(dòng)降低，而整個(gè)大腦皮層廣泛的星形膠質(zhì)細(xì)胞增生，血管周圍AQP4 極性喪失，導(dǎo)致血管旁功能和CSF-ISF 交換功能損害。這些結(jié)果表明，可卡因通過多種機(jī)制損害glymphatic 功能。另外，在對阿片類藥物成癮的研究中，AQP4-/-小鼠紋狀體中表現(xiàn)出多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的上調(diào)，小鼠嗎啡和海洛因誘導(dǎo)的多動(dòng)減少，與正常小鼠相比阿片類藥物誘導(dǎo)的藥物尋求和服用行為顯著降低[28]。在此之前，已有研究證明AQP4介導(dǎo)雙向的血管旁腦脊液交換，參與藥物的成癮過程。由此可見AQP4 的功能與在藥物成癮成癮性腦病相互影響，這可能有助于藥物成癮患者神經(jīng)認(rèn)知障礙的發(fā)展。

4 展望

AQP4 作為glymphatic系統(tǒng)的重要一環(huán)，是許多神經(jīng)疾病發(fā)生發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，是多種神經(jīng)認(rèn)知疾病預(yù)防和治療的有效靶點(diǎn)。然而在這一領(lǐng)域還有諸多未解決的問題，使得我們對glymphatic 系統(tǒng)和AQP4 在上述疾病中的作用機(jī)制理解尚不完全，仍需進(jìn)一步加深對神經(jīng)系統(tǒng)中AQP4 的認(rèn)識(shí)和理解，以利于研發(fā)以AQP4 為靶點(diǎn)的干預(yù)手段。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突