文章來源：中華神經(jīng)科雜志, 2021,54(8) : 828-832.
作者：王之韻 斯曉莉 浦佳麗 張寶榮
摘要
神經(jīng)退行性疾病是以神經(jīng)元的進(jìn)行性丟失為特征的一類疾病，病因尚不明確。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。近年研究發(fā)現(xiàn)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在帕金森病、阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病的發(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)退行性疾病是一類以神經(jīng)元的變性丟失及病理蛋白的沉積而導(dǎo)致功能障礙為主要特征的疾病，其發(fā)病機(jī)制尚不明確，目前認(rèn)為可能與病理蛋白的神經(jīng)毒性以及神經(jīng)炎癥等因素有關(guān)。水通道蛋白4（aquaporin 4，AQP4）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最常見的水通道蛋白。近年研究發(fā)現(xiàn)，AQP4可能在阿爾茨海默?。ˋlzheimer′s disease，AD）、帕金森病（Parkinson′s disease）等多種神經(jīng)退行性疾病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)（glymphatic system）的組成部分，促進(jìn)病理蛋白清除；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)退行性疾病發(fā)病和進(jìn)展的可能機(jī)制，以期為神經(jīng)退行性疾病的診治提供新的方向。
一、AQP4的結(jié)構(gòu)
AQP4的蛋白單體相對分子質(zhì)量約為30 000，包含6個螺旋形跨膜片段和2個較短的部分跨膜螺旋片段，這些片段組成了一個可供單個水分子進(jìn)出的狹窄孔道［1］。根據(jù)基因剪接造成的翻譯起始點(diǎn)的差異，人類AQP4單體存在2種主要的亞型：以第1個氨基酸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)胞膜上形成穩(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）。四聚體能夠再聚集形成以M23-AQP4為核心的超分子組合體——正交排列顆粒（orthogonal arrays of particles，OAP），其外觀在冷凍斷裂電子顯微鏡下類似于鵝卵石，大小則取決于M1-AQP4 和M23-AQP4的比例［2］。有證據(jù)表明，單獨(dú)表達(dá)的M1-AQP4和富含M1-AQP4的小型OAP能夠快速移動到細(xì)胞延伸方向的質(zhì)膜上，促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞遷移，而M23-AQP4通過參與組成大型OAP，能夠極化分布在星形膠質(zhì)細(xì)胞終足，與細(xì)胞外基質(zhì)互相作用，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)胞終足還含有對水腫敏感的Kir4.1鉀離子通道等蛋白，AQP4的極化使得細(xì)胞能夠及時應(yīng)對質(zhì)膜內(nèi)外滲透壓以及離子濃度的變化。
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)）
Figure 1 Schemetic figure of the structure of aquaporin 4 (AQP4) and orthogonal arrays of particles (OAP) (this picture is original by the authors)
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)胞終足上表達(dá)，調(diào)節(jié)腦內(nèi)水平衡，少部分分布在室管膜細(xì)胞上。AQP4對水分子的轉(zhuǎn)運(yùn)具有不依賴膜電位且無飽和的特性，因此可以使細(xì)胞膜對水的滲透性提高數(shù)倍至數(shù)十倍［3］。這一特性使得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)瘢痕形成過程中，AQP4與部分離子通道迅速極化到細(xì)胞膜前緣，驅(qū)動水分子進(jìn)入遷移細(xì)胞，改變細(xì)胞形態(tài)，從而加速反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞向損傷部位的遷移［4］。
此外，水分子可以經(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，促進(jìn)鉀離子內(nèi)流。AQP4表達(dá)減少能夠影響局部細(xì)胞膜內(nèi)外的離子濃度以及滲透壓，使與其共表達(dá)的Kir4.1鉀通道功能下降［5］。Binder等［5］發(fā)現(xiàn)AQP4基因敲除小鼠表現(xiàn)出了癲癇誘發(fā)閾值的增加、發(fā)作持續(xù)時間的延長以及內(nèi)向整流鉀通道Kir4.1動力學(xué)的減退，說明AQP4可能參與大腦興奮性的維持與改變。
另一方面，AQP4也被認(rèn)為參與了神經(jīng)炎性反應(yīng)。Li等［6］的實驗結(jié)果表明，經(jīng)內(nèi)毒素誘導(dǎo)后，AQP4基因敲除小鼠體內(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)胞腫脹的程度更輕，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。但是Chi等［7］發(fā)現(xiàn)AQP4基因敲除帕金森病小鼠中多巴胺神經(jīng)元丟失更多，小膠質(zhì)細(xì)胞炎性反應(yīng)更強(qiáng)。AQP4可能也與全身的炎性反應(yīng)有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，AQP4基因敲除小鼠脾臟中CD4+CD25+調(diào)節(jié)T細(xì)胞這一亞群的比例均顯著降低，且在實驗性內(nèi)毒素血癥中出現(xiàn)免疫功能失調(diào)，其全身過度活躍的免疫反應(yīng)導(dǎo)致了相比野生型小鼠更高的死亡率［7］。
AQP4與星形膠質(zhì)細(xì)胞的關(guān)系使得研究者對它和血腦屏障之間的關(guān)系產(chǎn)生了興趣，然而目前對于AQP4是否有利于維持血腦屏障的完整性與通透性仍存在爭議。研究結(jié)果表明，血腦屏障的破壞會誘導(dǎo)AQP4的過表達(dá)［8］。Tomαs-Camardiel等［8］認(rèn)為AQP4有利于維持血腦屏障的完整性，但Watanabe-Matsumoto等［9］在肌萎縮性側(cè)索硬化癥的研究中發(fā)現(xiàn)，敲除AQP4能夠改善疾病對血腦屏障的破壞。
近年來類淋巴系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)引起了關(guān)注。在類淋巴系統(tǒng)中，AQP4可能通過血管旁途徑參與清除大腦代謝廢物的過程，維持大腦健康。二者的關(guān)系將在下文進(jìn)一步闡述。
三、類淋巴系統(tǒng)與AQP4
2012年，Iliff等［10］觀察到，相比注入腦室的熒光示蹤劑，注入蛛網(wǎng)膜下腔的熒光示蹤劑進(jìn)入腦實質(zhì)的速度明顯更快，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，蛛網(wǎng)膜下腔內(nèi)的腦脊液能夠沿著星形細(xì)胞膠質(zhì)細(xì)胞終足包繞小動脈形成的血管周圍間隙（perivascular space，PVS）彌漫地流入腦實質(zhì)，而腦間質(zhì)液體則沿著小靜脈旁的PVS清除，這提示大腦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)，這種液體清除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)叢產(chǎn)生腦脊液的壓力、動脈的搏動與順應(yīng)性、血管的舒縮運(yùn)動以及呼吸運(yùn)動［11, 12］。腦脊液由第三、四腦室外側(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)動共同推動，與間質(zhì)液體通過AQP4對流，從而流入腦實質(zhì)，帶走腦間質(zhì)可溶性代謝廢物后排入毛細(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)）
Figure 2 Schematic diagram of fluid exchange in the perivessel-space of glymphatic system （this picture is original by the authors）
對類淋巴系統(tǒng)的了解使得對其功能調(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基因敲除小鼠中腦脊液對流顯著減慢，β-淀粉樣蛋白（amyloid β，Aβ）清除率下降65%，衰老小鼠中AQP4的降解也使得流入類淋巴系統(tǒng)的液體減少［12］。此外，PVS的體積也影響著引流量。研究結(jié)果表明，睡眠狀態(tài)下，小鼠腦內(nèi)PVS的空間增加60%，類淋巴系統(tǒng)液體對流交換加快，并在側(cè)臥位下最為明顯，可能與變化的顱內(nèi)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)措施展開探究。已有結(jié)果表明，多巴胺通過激動腎上腺素受體可使動脈搏動增加60%，多巴酚丁胺能夠增加小血管平滑肌的搏動作用，加快腦脊液泵入PVS，促進(jìn)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)，顯著增加類淋巴系統(tǒng)的運(yùn)輸功能［14］。
四、神經(jīng)退行性疾病中的AQP4
（一）AD
AD是最常見的神經(jīng)退行性疾病，其特征是進(jìn)行性的認(rèn)知功能減退和Aβ在腦實質(zhì)中的沉積。Iliff等［10］在2012年就觀察到AQP4表達(dá)下調(diào)的小鼠腦內(nèi)Aβ清除率下降，繼而導(dǎo)致沉積增加，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沉積形成的老年斑會誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的反應(yīng)性增生和激活，影響疾病進(jìn)展。AD患者的尸檢研究［15, 16, 17］發(fā)現(xiàn)，AD患者腦中AQP4的總體表達(dá)增加，分布與Aβ陽性老年斑相對應(yīng)，呈斑塊樣［16, 17］，且觀察到了大口徑PVS（>6 μm）的增多［15］。另一項研究發(fā)現(xiàn)，AQP4在血管周圍的分布明顯下降，且較大的下降程度與更高的年齡、較多的Aβ沉積與更高的Braak病理分期有關(guān)［18］。
尸檢通常反映疾病的終末期，但是從疾病初期開始的連續(xù)變化也值得關(guān)注。淀粉樣前體蛋白/早老素-1（amyloid precursor protein/presenilin-1，APP/PS1）轉(zhuǎn)基因小鼠研究結(jié)果表明，類淋巴系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)的減少在AD發(fā)作早期、廣泛Aβ沉積之前就已出現(xiàn)［19］。Yang等［20］使用tg-ArcSwe小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，發(fā)現(xiàn)在斑塊形成的早期，AQP4的整體表達(dá)上調(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。由此可以猜測，Aβ可能通過引發(fā)斑塊周圍的星形膠質(zhì)細(xì)胞上AQP4極性分布的改變，從而減少類淋巴系統(tǒng)的引流，而類淋巴系統(tǒng)清除功能的下降可能是Aβ大量沉積的原因之一。
也有研究者發(fā)現(xiàn)，AQP4基因敲除AD小鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞遷移能力受損，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缺失小鼠腦內(nèi)Aβ沉積增加的假說：AQP4缺失減慢了星形膠質(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)胞共同形成神經(jīng)膠質(zhì)網(wǎng)，將斑塊與周圍組織隔離，阻止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。動物實驗發(fā)現(xiàn)AQP4基因敲除APP/PS1小鼠的認(rèn)知功能障礙相比野生型更加嚴(yán)重［22］。人群研究中，目前已有2個獨(dú)立的遺傳學(xué)研究分別報道了6個影響AD患者認(rèn)知衰退率的AQP4單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)［23］以及9個與睡眠相關(guān)的AQP4單核苷酸多態(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)現(xiàn)［23］。
治療策略上，Benjamin的團(tuán)隊［25］利用血漿高滲性對于類淋巴系統(tǒng)的增益作用，向APP/PS1小鼠先后腹腔注射高滲液體以及遞送Aβ抗體。結(jié)果觀察到抗體在腦內(nèi)的整體分布及與斑塊的結(jié)合顯著增加，提示了基于單克隆抗體治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病療法的新思路。
（二）帕金森病
帕金森病是第二大常見的神經(jīng)退行性疾病，主要病理特征是中腦黑質(zhì)中多巴胺能神經(jīng)元的進(jìn)行性丟失、星形膠質(zhì)細(xì)胞的死亡和小膠質(zhì)細(xì)胞的顯著增加，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形成。
一項帕金森病患者腦部標(biāo)本的研究觀察到，帕金森病患者皮質(zhì)中AQP4的分布顯著增加，但與α-突觸核蛋白呈負(fù)相關(guān)，這一聯(lián)系在大腦皮質(zhì)的Ⅴ~Ⅵ層更為顯著［26］。Prydz等［27］發(fā)現(xiàn)，AQP4基因敲除小鼠對于1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性更為敏感，帕金森病小鼠黑質(zhì)中血管周圍AQP4的密度高于新皮質(zhì)70%，且在一定范圍內(nèi)隨著MPTP用量的增加而增加。在中腦水平，AQP4基因敲除小鼠的內(nèi)源性α-突觸核蛋白的沉積較野生型顯著增多［28］。這些研究結(jié)果提示AQP4可能參與到帕金森病的病理生理過程中，且與α-突觸核蛋白存在相關(guān)性。由于目前還沒有發(fā)現(xiàn)α-突觸核蛋白可以通過類淋巴系統(tǒng)經(jīng)AQP4清除的有力證據(jù)，因此AQP4表達(dá)及分布的改變和α-突觸核蛋白沉積的現(xiàn)象之間存在怎樣的關(guān)系依然有待探索。
AQP4在帕金森病中還可能起到抑制炎癥、減輕氧化應(yīng)激負(fù)擔(dān)的作用。一項臨床研究發(fā)現(xiàn)，在帕金森病患者的外周血檢測到了相比對照組更低的AQP4表達(dá)［29］。動物實驗研究發(fā)現(xiàn)，MPTP誘導(dǎo)AQP4基因敲除小鼠產(chǎn)生的實驗性帕金森病模型相比野生型小鼠具有更強(qiáng)烈的小膠質(zhì)細(xì)胞與星形膠質(zhì)細(xì)胞增生反應(yīng)，和更嚴(yán)重的多巴胺能神經(jīng)元丟失，在黑質(zhì)致密部尤為明顯［7，30］。在帕金森病發(fā)病和進(jìn)展中起到重要抗炎作用的TGF-β1在AQP4基因敲除小鼠中腦和外周血中的濃度較低，這可能加重膠質(zhì)炎性反應(yīng)，加速酪氨酸羥化酶陽性神經(jīng)元的丟失［28］。MPTP誘導(dǎo)后，研究者在AQP4基因敲除小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信號通路的激活［31］，這一通路被廣泛地認(rèn)為在氧化、凋亡和炎性反應(yīng)中被激活。這些研究結(jié)果提示我們，在帕金森病病理進(jìn)程中，AQP4可能還承擔(dān)促進(jìn)膠質(zhì)細(xì)胞信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（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）
ALS是一種致命的神經(jīng)退行性疾病，以脊髓、腦干、皮質(zhì)中運(yùn)動性神經(jīng)元的選擇性功能減退及死亡為主要特征，主要的病理標(biāo)志是星形膠質(zhì)細(xì)胞的增生［9］。AQP4的表達(dá)和分布在ALS中和鉀離子通道功能有關(guān)。一項研究發(fā)現(xiàn)，ALS患者脊髓中AQP4的表達(dá)增加，尤其是在灰質(zhì)中［9］。SOD1小鼠是實驗性ALS的模型小鼠。研究發(fā)現(xiàn)，SOD1小鼠的脊髓、腦干和皮質(zhì)中都發(fā)現(xiàn)了星形膠質(zhì)細(xì)胞膜上AQP4的過量表達(dá)［32］，并伴隨著Kir4.1鉀離子通道蛋白的減少。AQP4的分布在實驗性ALS模型中發(fā)生了去極化，從終足移動到了膨脹變形的胞體［33］。在疾病末期，AQP4的表達(dá)在末端腳腫脹處也增加，有助于減輕水腫與組織損傷［34］。Kir4.1鉀離子通道蛋白和AQP4通常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的去極化可能會減少這種作用，使得鉀離子的內(nèi)流減緩［5，35］，影響局部的水鉀平衡，改變神經(jīng)興奮性。
總之，AQP4在ALS疾病進(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)會導(dǎo)致神經(jīng)元微環(huán)境的紊亂，從而導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙和死亡。Watanabe-Matsumoto等［9］發(fā)現(xiàn)敲除AQP4能夠改善ALS造成的小鼠血腦屏障破壞，但這些小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）亨廷頓舞蹈病（Huntingdon′s disease，HD）
HD是由亨廷頓（huntingtin，HTT）基因突變導(dǎo)致的神經(jīng)退行性疾病，導(dǎo)致神經(jīng)毒性突變型HTT（mutant HTT，mHTT）蛋白的產(chǎn)生。在最近有利用鞘內(nèi)注射通過類淋巴系統(tǒng)輸送反義寡核苷酸（ASO）到大腦深層結(jié)構(gòu)抑制mHTT蛋白產(chǎn)生的治療策略，靜脈輸注間充質(zhì)干細(xì)胞能夠增益這一效果，在實驗室中取得了良好的結(jié)果，這提示了AQP4作為小分子藥物運(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)退行性疾病的發(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小鼠進(jìn)行，如果能夠通過藥物增強(qiáng)AQP4的功能以及表達(dá)，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)現(xiàn)，AQP4在神經(jīng)退行性疾病某些階段的表達(dá)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)退行性疾病從起病到終末期不同階段的連續(xù)變化，結(jié)合AQP4的功能，闡明疾病的病理生理機(jī)制。類淋巴系統(tǒng)概念的提出帶來看待神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制和治療策略的新視角，而這一領(lǐng)域的研究迫切地需要新的成像方法來觀察不同狀態(tài)下腦脊液的流體循環(huán)動力學(xué)，從而理解AQP4在其中扮演的角色。通過類淋巴系統(tǒng)，AQP4不僅可以作為小分子藥物運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，增加藥物進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的比例，也可以作為調(diào)節(jié)清除功能的潛在靶點(diǎn)改善疾病預(yù)后。
因此，AQP4可能是神經(jīng)退行性疾病發(fā)病及進(jìn)展過程中的重要蛋白以及潛在的調(diào)控靶點(diǎn)，但具體機(jī)制仍需進(jìn)一步研究，以明確在每個環(huán)節(jié)的具體作用，從而加深對疾病的認(rèn)識，推動新療法的研究與開展。
參考文獻(xiàn)略
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