水通道蛋白與急性肺損傷的研究進展

林 飛(綜述)，潘靈輝(審校)

(廣西醫科大學附屬腫瘤醫院麻醉科，南寧530021)

水通道蛋白1(aquaporins 1，AQP1)是從人體的紅細胞膜上偶然發現了一種相對分子質量為28×103的蛋白［1］，從此開啟了對水通道蛋白(aquaporins，AQPs)的研究。AQPs是一組細胞膜轉運蛋白，其特性與水通透性密切相關，對它的研究逐漸開啟了揭示水跨膜轉運調節機制的新領域。臨床中，多種因素都可導致肺部損傷，肺血管通透性增高，使肺內液體平衡破壞，肺水屏障受損，嚴重時即發生肺水腫。液體積聚在肺泡和肺間質內是肺水腫的病理特性，已有研究表明肺水轉運紊亂可能是由于AQPs功能異常造成的。因此，深入研究AQPs在肺內的分布、功能、調節機制等，可為肺損傷的臨床治療提供一種新的方向，為AQPs在臨床治療中的運用提供分子水平的理論依據。

1 AQPs的分子結構及特性

AQPs是一種糖蛋白，由250～300個氨基酸組成，相對分子質量約為30×103。目前研究人員已從動物身上發現 11種 AQPs亞型［1-2］，即 AQP0～AQP10［3-4］。AQPs屬于膜主體內在蛋白，它的分子結構里含有3個較小的C端半側分子的外顯子(外顯子2～4)和1個較大的N端半側分子的外顯子(外顯子1)。AQPs的高級結構由同源四聚體組成，因每個四聚體都具備獨立的功能性水通道，其獨特結構對維持AQPs的穩定性及正常功能具有重要作用。AQPs對水有很強的通透作用，但它對其他一些物質也具備一定的通透性，如AQP3、AQP7及AQP9對甘油這類小分子溶質有通透作用，AQP1對CO2也有一定的通透性。

AQPs獨特的分子結構決定了其特有的功能。水在細胞內外的轉運依靠水分子通過水通道沿著滲透壓梯度由低滲區向高滲區移動，機體的各組織中都廣泛存在水通道，特別是與液體分泌和吸收密切相關的內皮細胞和上皮細胞中，AQPs含量眾多，其對水的分泌、吸收及水在細胞內外的平衡起著關鍵作用。有研究發現，在粟鼠腎臟髓襯降支的起始部分、上皮的細胞膜上含有大量的AQPs，該部位上皮細胞的水通透值達1500～2500 μm/s;但在粟鼠腎臟髓襻降支遠端上皮的細胞膜上末檢測到AQPs，該部位上皮細胞的水通透值僅為68 μm/s;該研究在一定程度上證明了細胞中AQPs的存在與水的滲透轉運能力密切相關［5］。

2 肺AQPs的分布和功能

目前對AQPs的研究主要集中在AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8及AQP9，它們表達的部位各有不同，其中AQP1、AQP3、AQP4、AQP5在肺的表達較多，研究得較為明確。AQPs不會重疊分布在同一細胞定位上，這個顯著特性決定了每個AQP亞型都有各自獨特的地位和作用。研究表明［1，3，5］，AQP1主要表達在呼吸道旁毛細血管、淋巴管及胸膜臟層的間皮細胞上，也有少量分布于肺泡Ⅱ型上皮細胞頂膜面上。AQP3主要分布在小呼吸道上皮細胞的頂膜及大呼吸道表面腺泡細胞的基膜。AQP4主要表達于大小呼吸道的上皮細胞、肺泡內皮細胞及Ⅰ型肺泡上皮細胞。AQP5主要分布在肺泡Ⅰ型上皮細胞的頂膜面。AQP8和AQP9在肺組織中表達的具體定位尚未見文獻報道。

現在的研究中，研究者大多通過AQPs基因剔除的動物模型來研究AQPs功能。通過制作AQP1或AQP5基因剔除小鼠的動物模型，發現其肺泡毛細血管間的水滲透作用為正常野生小鼠的1/10，而AQP1、AQP4同時剔除小鼠的水滲透性為正常的1/14～1/16，AQP1、AQP5同時剔除小鼠的水滲透性則僅為正常的1/25～1/30［6-7］。有研究通過野兔模型，發現AQP1和AQP4 mRNA表達在出生后1 d迅速增加;另有研究通過動物實驗表明，在小鼠妊娠晚期，肺內的AQPs開始顯著表達，并在出生后快速增加;小鼠出生后1 d即可在肺內檢測到AQP1，且在出生后1周達到高峰，提示AQPs的存在可能與小鼠出生早期肺內液體的快速轉運密切相關［8］。通過以上研究可充分說明AQPs與水分子的轉運是密切相關的，AQPs對于維持肺內水的平衡發揮著極其重要的作用。如果出現肺內疾病或各種原因導致的肺損傷，使肺內細胞表達蛋白下降或AQPs功能降低，使機體對肺組織中液體的轉運能力下降，肺內水的平衡失調，加重肺泡和間質的水腫;而肺水腫的加重勢必會進一步影響 AQPs的表達，造成病情的惡化循環［9-10］。

3 AQPs與肺損傷

已有諸多研究報道證明，AQPs參與了肺水腫的發病機制。AQPs在肺內的液體轉運可能與各種不同因素導致的肺損傷密切相關。因此，研究AQPs如何參與肺損傷后肺水腫的病理過程及其調節機制已經成為現今臨床研究的熱點之一。

雖然導致急性肺損傷的原因有很多，但均可表現出AQPs在損傷肺組織中表達量減少和其活性降低的特點。在病毒感染所致肺損傷的小鼠模型中，AQP1和AQP5 mRNA的表達量均顯著下降，且在炎癥開始減輕時逐步恢復［11］。Towne等［9］研究發現在病毒感染導致的肺炎肺組織中，AQP5的表達明顯降低。在內毒素誘導的急性肺損傷中，AQP1和AQP5的表達在傷后4～12 h內明顯減少;而在傷后12 h，AQP1的表達隨著肺水腫的逐漸減輕而逐步升高［12］。Jiao等［10］的研究觀察到在脂多糖誘導的肺損傷模型中，AQP5 mRNA的表達顯著降低。而Towne等［13］同時也對高氧導致的肺損傷進行了研究，發現AQP5的表達明顯降低，其在肺水腫的發生中發揮了作用。另有研究通過制作高氧導致小鼠肺損傷的動物模型，發現AQP1在小鼠肺組織中的表達也明顯降低［5，14］。另外，Gabazza等［15］發現在博來霉素誘導的肺損傷肺組織中AQP5的表達明顯升高。Wu等［16］在大鼠哮喘模型中檢測到AQP5的表達增多，可能與哮喘呼吸道中黏液分泌增加有關。在King等［17］的研究中，成年大鼠在糖皮質激素的刺激后，肺內AQP1的表達升高，推測可能與AQP1參與肺內積聚的過多水分從間質向血管系統回流有關。這些研究表明AQPs不僅與各種原因所致肺損傷密切相關，還可能參與了各種致病因素所致的慢性肺損傷的病理過程，其具體作用和調節機制尚待進一步研究。

AQPs是組成肺泡-毛細血管膜屏障的重要成分。AQP1主要轉運肺間質內的液體，其表達的異?？赡軙鸱窝h壓力增高所致的肺間質水腫［18］。在肺水屏障結構完整時，AQP1能夠緩解壓力性肺水腫的程度。已有臨床實驗證實，肺功能正常且肺水清除率好的重癥患者，需要呼吸機支持治療的時間會相對縮短，病死率也較低;而肺功能異常且肺水清除率低的患者，則需要更長時間的呼吸機支持治療，且病死率也會相對增高［19］。因此，如何在臨床上提高患者的AQPs含量或活性，增強肺水清除率，可能成為治療肺水腫的一個新途徑和方向。

4 展望

自從發現AQPs以來，對于它的結構以及相關功能的研究使肺損傷的研究取得了全新的進展，它的發現有助于更深入地從分子水平認識肺損傷發生、發展的過程。但對肺損傷發生后AQPs在水轉運過程中的分子調節機制尚不清楚。隨著對AQPs在肺臟的分布、調節、生理和病理狀態下的作用，以及AQPs在肺損傷發生、發展中作用的進一步深入研究，將會對肺損傷的發病機制有更進一步的認識，并有可能為臨床對肺損傷的治療提供新的理論依據及方法和途徑。

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