肺水清除相關離子通道的研究進展

羅園，張會然，蘇雅囡，吳國峰，閻錫新

(河北醫科大學第二醫院，石家莊 050000)

目前，急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)仍是臨床上危重患者嚴重的并發癥和重要的死亡原因，其相關的病死率高達40%，給社會和患者家庭帶來了沉重的經濟負擔。ARDS主要病理改變為炎癥反應引起肺泡毛細血管內膜損傷和毛細血管滲透性增加，造成彌漫性肺間質及肺泡水腫，導致急性低氧性呼吸功能不全[1]。肺水腫是ARDS病理進程中的核心環節，以往對肺水腫的形成機制研究較為廣泛，但對于肺水腫的吸收、肺水清除環節研究較少。不同原因造成的急性肺損傷(ALI)的病理生理特點之一是過度、持續的炎癥反應伴隨肺的滲透性水腫。有研究報道，一些離子通道參與了這些病理生理過程，包括鈉離子通道、鉀離子通道、非選擇性陽離子通道、氯離子通道以及Na+-K+-ATP酶等。現就肺水清除相關離子通道的研究進展進行綜述。

1　鈉離子通道

在肺水清除中，鈉的主動轉運扮演著重要的角色。通過位于肺泡上皮細胞頂部的鈉通道，把鈉從肺泡腔轉運入細胞內。在肺泡上皮的頂端，有許多通道。阿米洛利敏感型鈉通道(ENaC)由α、β、γ 3個亞基組成[2]，通道通常為四聚體，由2個α、1個β、1個γ亞基組成，或者為九聚體(α、β、γ亞基各3個)。高選擇性通道需要包含α、β、γ 3個亞基，而非選擇性通道只需要由α亞基構成[3]。高選擇性通道只能轉運鈉離子，而非選擇性通道除了可以轉運鈉離子，還可以轉運鉀離子。最新研究表明，功能性的ENaC需α、β、γ 3個亞基共同存在。實驗觀察發現，增強這3個亞基的表達，可以產生更大的鈉電流，然而僅有α亞基構成的ENaC只能產生微弱的鈉電流[4]。此外，需要注意的是，2012年Ji等[4]在人的ENaC中發現了δ亞基，且發現該亞基參與了50%阿米洛利ENaC的組成。但是，不幸的是，δ亞基在小鼠中不能表達，這為我們分析研究該亞基增添了困難[5]。實驗[6]發現，δ亞基的升高與慢性鼻竇炎相關，但是，到目前為止，該亞基與肺泡上皮細胞的鈉離子轉運及肺水清除過程的關系，我們仍不得而知，需要進一步探索研究。除了我們之前闡述的鈉離子的基本結構，關于鈉轉運與肺水清除的關系仍需要進一步討論。1996年，Hummler等[7]發現，在哺乳動物中，ENaC在鈉轉運及肺水清除進程中扮演著十分重要的角色。該研究發現，缺失ENaC的小鼠，由于不能重吸收肺泡內液體，影響氣體交換，在出生的48 h內就會全部死亡。此后Li等[8]的實驗亦表明，通過siRNA敲低ENaC α亞基的小鼠，其肺水清除率明顯下降。此外，我們發現鈉轉運主要依靠阿米洛利ENaC，在肺內阿米洛利能抑制ENaC的鈉轉運，阻斷40%～90%的液體清除，是肺水清除中的限速環節[9]。多項實驗通過增強或減低阿米洛利ENaC的活性，證實肺水清除的平衡需要阿米洛利ENaC的存在，它的缺失可以導致人類肺水腫的產生。

由上可見，我們發現鈉離子轉運為肺水清除的主要動力，而鈉通道作為其轉運載體，扮演了重要角色，通過調節鈉通道的表達數量及活性，可以影響肺水清除率，這對我們發現治療ARDS的新靶點有重要意義。

2　鉀離子通道

目前，對于鈉離子通道在肺水清除中的作用機制已被廣泛研究；與之相比，對于鉀通道的研究仍數量較少。肺泡上皮細胞有多種鉀通道表達，其在細胞的頂端及基底端都有表達。上皮細胞中的鉀通道主要作用為轉運鉀離子，并協助轉運氯離子，保持細胞內外滲透梯度，從而促進肺水清除[10]。鉀通道根據跨膜區域的數量主要分為三類：含6個跨膜域的鉀通道[電壓依賴型鉀通道(Kv)和鈣激活鉀通道(Kca)]、含4個跨膜域的鉀通道[雙孔鉀通道(K2P)]、含2個跨膜域的鉀通道[內向整流鉀通道(Kir)]。除了K2P，其他兩個家族的鉀通道均可在肺泡上皮細胞內表達。Ⅰ型上皮細胞(ATⅠ)及Ⅱ型上皮細胞(ATⅡ)均可發現鉀通道。許多實驗表明，位于細胞基底部的鉀通道，對氯離子的轉運可產生重要的影響。例如，在人的支氣管上皮細胞內，細胞基底部的鉀通道，參與了鈣依賴性氯電流的產生。人類氣道內的KvLQT1(Kv的一種亞型通道)，參與了cAMP依賴性氯電流的產生。并且，實驗發現，KvLQT1可以增加ENaC α亞基啟動子的活性[11]。這表明KvLQT1可以通過調節ENaC α亞基的表達量，從而影響肺水清除率。更多實驗發現，鉀通道不僅與ENaC活性有關，還與囊性纖維跨膜電導調節因子(CFTR)相互影響。在ATⅡ細胞中，給予格列本脲(ATP依賴性鉀通道抑制劑)及氯非銨(KvLQT1抑制劑)干預后，阿米洛利敏感性鈉電流和毛喉素激活性氯電流明顯減低，且ENaC及CFTR的mRNA及蛋白表達均降低。這進一步印證了可以通過調節鉀通道活性，影響ENaC及CFTR的表達，從而調節離子轉運及肺水清除[12]。

3　環核苷酸門控離子通道(CNG)

4　氯離子通道

肺水平衡通過陽離子及陰離子通道實現,陽離子通道主要為鈉通道、CNG通道和鉀通道,而陰離子通道主要為氯通道。氯離子通道廣泛存在于機體的細胞膜和細胞器膜，在生理過程中具有重要作用,其對于肺水清除存在深遠影響。目前根據通道激活方式大致可以分為電壓依賴氯離子通道、囊性纖維跨膜電導調節因子(CFTR)、鈣激活氯通道(CaCC)、容積調控性氯離子通道(VRCC)、配體門控氯通道，位于肺泡上皮細胞內的氯離子通道主要為CFTR、CaCC[17]、VRCC[18]。

CFTR是一個通過環磷酸腺苷(cAMP)調節的氯離子通道，它在氣道及肺泡上皮細胞的頂端都有表達[17]。CFTR是對肺水清除起重要作用的離子通道，如果缺失或者出現功能障礙，則可導致肺泡內水腫液清除障礙。已有實驗及臨床證據證明，cAMP激動劑可加速肺水的清除，而CFTR是cAMP激動劑提高肺水清除所必須的[19]。CFTR的激活還可以上調阿米洛利ENaC的肺水重吸收，盡管缺乏CFTR基因對于正常狀態下的肺水平衡影響不大，可是對于肺水腫狀態下的肺水清除有重要的作用。應用測定肺臟肺泡腔內白蛋白濃度變化測定肺泡清除率的方法，發現應用CFTR通道開放劑NS004可以提高肺部的肺泡清除率，而氯離子通道抑制劑inh-172可以完全抑制NS004提高肺泡清除率的作用[20]。在F508小鼠中，CFTR的功能喪失，這也導致了其肺水腫液清除的能力下降[21]。但是CFTR通道在肺水清除中的作用是否具有普遍性，我們不得而知。

除了CFTR，CaCC在肺泡上皮細胞的頂端也有表達。直到2008年,才有研究[22]報道CaCC的分子基礎為跨膜蛋白16A(TMEM16A)，這為我們后續對該通道的研究奠定了理論基礎。2016年，Li等[23]發現TMEM16A在肺部表達，且應用TMEM16A的抑制劑(T16Ainh-A01)可以導致明顯的肺泡清除率下降。研究發現，位于上皮細胞的CFTR對于氯離子的轉運需要TMEM16A的協助參與。這些最新進展表明CaCC也參與維持了肺水平衡[24]。

VRCC幾乎表達于脊椎動物的所有細胞。當細胞所處的環境條件發生變化時，細胞體積也會相應改變。細胞處于低滲環境，細胞體積發生腫脹，繼而激發細胞自身修復機制，使細胞膜對氯離子通透性瞬間升高，導致液體及電解質的外流[25]。VRCC的通道活性可以受多種信號轉導通路的調節，其中研究比較多的是PI3K/AKT通路、MAPK通路以及小G蛋白通路。目前為止，我們僅了解VRCC在維持細胞容積和離子平衡方面發揮重要作用，但具體關于該通道對肺水清除機制影響的研究仍較少，需進一步探討。

5　Na+-K+-ATP酶

Na+-K+-ATP酶主要位于肺泡上皮細胞的基底側膜，在Ⅰ型和Ⅱ型上皮細胞中都有表達，由α和β亞基組成。α和β亞基各有4個亞型，亞型的表達存在組織差異性。α亞基催化ATP水解，提供能量將鈉離子泵出細胞外;β亞基參與幫助α亞基正確的折疊并從內質網轉運到質膜，在質膜上穩定α亞基蛋白構型和調節α亞基的活性。因此，兩個亞基對維持Na+-K+-ATP酶的正常功能都很重要。Na+-K+-ATP酶的主要功能是將進入肺泡上皮細胞內的鈉離子泵出到肺間質，形成滲透梯度，從而有利于水的轉運，維持肺泡內液體平衡。Na+-K+-ATP酶受多種因素調節。研究表明，刺激β腎上腺素能受體后，cAMP作為第二信使增加細胞膜上ENaC和Na+-K+-ATP酶蛋白表達，導致鈉的跨膜轉運增加[26]。另一實驗發現，異丙腎上腺素(β2腎上腺素能受體激動劑)可以增加肺泡上皮細胞內Na+-K+-ATP酶中α1及β1亞基的表達，從而提高該通道的活性。這個過程主要通過MAPK/ERK信號通路介導[27]。有趣的是，給予細胞孵育異丙腎上腺素后，Na+-K+-ATP酶的基因水平并無明顯變化，這提示該干預為轉錄后效應。此外，有試驗表明Na+-K+-ATP酶的過度表達，可以增強肺泡清除率并且減輕肺損傷，減少硫脲誘導肺損傷引起的肺水腫形成[28]。推測Na+-K+-ATP酶對于維持肺水平衡起重要作用。

鈉離子通道、鉀離子通道、CNG通道、氯離子通道以及Na+-K+-ATP酶這些離子通道的調節通過多種途徑，受諸多調節因素影響，進而影響肺水清除。通過回顧過去的基礎及臨床試驗研究，為尋找更好、更新的治療肺水腫的治療策略，指引下一步研究方向，打下了良好基礎。