水通道蛋白在腰椎間盤退變過程中作用的研究進展

李解,黃國付

腰椎間盤退行性疾病是臨床引起腰腿痛的常見疾病,嚴重危害人類健康,目前認為其發病機制主要包括分子生物學因素、遺傳學因素、生物力學因素、營養因素等[1-4]。椎間盤退變時出現的一個特征性改變是椎間盤含水量的下降[5]。以前多認為營養物質和水分是通過滲透作用進出椎間盤,但自從水通道蛋白(aquaporins,AQPs)被發現后,外界認為水的跨膜轉運有2種基本形式,一種是簡單擴散,另一種是AQPs的水轉運,且后者為主要轉運方式[6]。目前認為軟骨終板途徑營養供應減少是椎間盤退變過程的始動因素[7],因此研究AQPs的作用機制以及如何調控其表達對于防治椎間盤退變疾病具有十分重要的意義。

1 AQPs的發現與分類

1987年美國血液學家發現一種蛋白物并最終在2003年證實該蛋白為專一性AQPs,并將其重新命名為Aquaporin1,簡稱AQP1[8]。迄今為止人們共發現200余種AQPs,在哺乳類動物體內共發現13種,即AQP0～AQP12,外界將其分為3大類:①AQPs亞類,包括AQP0、1、2、4、6和8,此類AQPs只對水具有通透性;②水和甘油通道蛋白亞類，包括AQP3、7、9和10,此亞類不僅對水有通透性,而且對甘油、尿素及一些單羧酸也有通透性;③超AQPs亞類由AQP11和12組成,存在于細胞質中,其通透性可能與細胞內的水運輸、內囊體水平衡和細胞器體積的調節有關[9-10]。

2 AQPs與椎間盤退變

研究表明,椎間盤主要有AQP1及AQP3表達,AQP1僅轉運水分子,AQP3為水與甘油的雙通道，椎間盤中AQP1和AQP3的減少會使椎間盤含水量減少,營養物質滲透率降低,從而影響椎間盤營養供應,進而影響細胞功能直至細胞凋亡,導致椎間盤退變[11]。AQP2在椎間盤的表達仍有待進一步研究。尚未在椎間盤內發現其他類型AQPs的表達。

2.1 AQP1 AQP1是一種相對分子質量約28000 的糖蛋白,以四聚體的形式存在,定位于人染色體7p15-p14,其基因序列包括4個外顯子和3 個內含子[12]。Musa-Aziz等[13]研究發現AQP1還具有氧氣通透性,可以增加組織氧氣利用[14]，提示AQP1可能改善椎間盤代謝環境，延緩椎間盤退變。相關研究還發現AQP1與骨骼退行性改變有密切關系：任軍等[15]研究發現AQP1與原發性骨質疏松退變有密切關系，在原發性骨質疏松患者血清中AQP1高表達；高航飛等[16]通過實驗研究發現AQP1本身可能影響脊柱骨骼的退變，導致椎體生物力學的改變從而影響椎間盤的退變。相關實驗研究也表明隨著椎間盤退變程度不斷的增加AQP1含量不斷降低[17-18]。

2.2 AQP3 AQP3是相對分子質量約為29000的糖蛋白,其基因定位于9p21-p12[19]。研究表明AQP3為水與甘油的雙重通道, 其主要分布于椎間盤髓核細胞，AQP3的存在為髓核細胞提供甘油和水,使其完成無氧酵解,對于沒有直接血供的椎間盤組織特別重要，同時能夠通過軟骨終板途徑幫助排除代謝產物,改善細胞外環境,并維持適度酸性環境。AQP3表達異常時,椎間盤軟骨終板滲透作用異常進而會導致髓核細胞代謝產物的堆積,破壞椎間盤髓核細胞的代謝環境，從而加速髓核細胞的凋亡,最終導致椎間盤退變的發生。曹國永等[20]研究發現AQP3在椎間盤終板軟骨細胞上有表達并且通過實驗證明,在椎間盤退變過程中AQP3的表達呈進行性下降。程加峰等[21]研究發現調控關節軟骨細胞中AQP3表達可能會改善關節軟骨的退變，也可能為臨床防治腰椎間盤退變疾病提供新思路。

2.3 AQP2 AQP2是相對分子質量約為30000的糖蛋白,定位在染色體12q13,其中包含4個外顯子和3個內含子,其在腎臟中大量分布[22]。研究表明,在椎間盤組織中用免疫組織化學方法已證實,AQP2存在人類及大鼠髓核細胞膜上,纖維環上也有相同蛋白表達,但是其表達量相對較低[23],近期Gajghate等[24]的實驗結果表明,AQP2也存在于人和大鼠椎間盤中,證實了相同結論。但是曹國永等[11]用免疫組織化學染色法觀察AQPs的表達與分布發現,AQP1在椎間盤三個組成部分中皆有表達, 在軟骨終板關節軟骨內中表達強烈, 大部分纖維環細胞都明顯的表達;AQP3的表達主要分布于軟內終板, 在纖維環及髓核亦有表達;AQP2未見表達。并且Richardson等[25]采用免疫組化方法研究AQP-1,2,3在椎間盤的表達,結果表明, AQP1和AQP3表達在髓核和纖維環; AQP3在外纖維環低表達,缺乏AQP1表達; 3種組織均未見AQP2表達。因此對于AQP2在椎間盤的表達仍有待進一步研究證實。

2.4 AQP4 目前研究表明AQP4不在椎間盤表達,但是AQP4主要分布于脊髓組織中。尹忠民等[26]通過實驗證實脊髓損傷后,大鼠 AQP4陽性表達呈明顯上升趨勢,提示AQP4可能參與了局部組織水腫形成過程,是脊髓組織發生水腫的重要因素。研究證實AQP4基因缺陷能夠降低小鼠星形膠質細胞的水通透性，敲除AQP4基因能夠明顯緩解小鼠創傷性腦水腫[27]。因此，AQP4可能與椎間盤退變過程中局部炎性水腫有密切關系。

3 AQPs表達的調控

有研究報道乙酰唑胺能夠特異性地與AQP1、AQP3和AQP4結合并抑制其功能[28]，并且能選擇性下調類風濕關節炎成纖維細胞樣滑膜細胞中AQP1的表達，但對AQP3的表達無明顯影響[29]。目前相關實驗證實某些中藥也可以調控不同組織中AQPs的表達,例如于林等[30]通過實驗證實葛根素可以增加大鼠椎間盤AQP1的表達。張慧慧等[31]通過實驗發現平胃散可以上調胃粘膜細胞的AQP2、AQP9的表達。張琦等[32]也通過實驗證實溫陽消飲法的代表方苓桂術甘湯合葶藶大棗瀉肺湯可以分別上調臟層胸膜間皮細胞AQP1表達和下調壁層胸膜間皮細胞AQP1表達。Patil等[33]報道AQP1可能通過環腺苷酸(Cyclic adenosine monophosphate，cAMP)介導的信號途徑在一定程度上受抗利尿激素(Antidiuretic hormone,ADH)影響,但Yang等[34]報道AQP1不受精氨酸血管加壓素(Arginine vaso pressin,AVP)的調節。黃繼華等[35]通過實驗證實AVP可刺激腎臟AQP2的表達,并推測血漿中AVP含量升高后與受體V2結合,通過胞漿中第二信使cAMP介導的信號途徑促進腎臟AQP2的表達。目前加壓素對AQP2調節這一途徑也已經比較清楚: 當加壓素與受體結合后,通過G蛋白途徑激活cAMP依賴性蛋白激酶A(PKA)通路,使得AQP2蛋白C末端第256 位的絲氨酸(serine-256)磷酸化,帶有磷酸化AQP2的胞內小泡能夠向細胞膜定向運輸。目前對于AQPs表達調控的研究依然十分有限,多數是利用藥物及化學因素來研究。上述研究表明,AQPs對椎間盤退變的重要意義,相關AQPs表達的調控依然會是腰椎間盤退行性病變防治研究的重點。

4 小結

腰椎間盤退行性改變是一個多種因素共同作用的復雜過程,其退變機制尚未完全明確,綜上所述,對AQPs在椎間盤退變過程中作用的研究發現: 水是椎間盤的主要營養成分之一,而軟骨終板途徑營養供應減少被認為是椎間盤退變始動因素。AQPs介導的水轉運是水跨膜轉運的主要途徑,也是椎間盤多數營養物質的主要轉運方式。目前已經證實椎間盤主要有AQP1和AQP3的表達,而且某些藥物能夠上調其表達,可能為以后椎間盤病變靶向防治提供新方法和新思路。

目前對于AQP2在椎間盤的表達有待進一步研究,對于AQP1和AQP3的表達調控仍將是椎間盤退變防治研究的重點,同時也應該進一步研究其它AQPs與椎間盤退變的聯系。探討更多因素對于相關AQPs表達的影響,也許能為椎間盤病變提供更多更有效的靶向治療方法。

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