TRPV4在氧化應(yīng)激相關(guān)疾病中的作用及其機(jī)制研究進(jìn)展

劉天珍，王鳴剛，崔冰冰，苗路偉，高玉海，陳克明，馬慧萍

瞬時(shí)受體電位香草素受4型通道蛋白(Transient receptor potential vanilloid 4, TRPV4)，因其對(duì)Ca2+的高通透特性引起了學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。近幾年相關(guān)研究表明，TRPV4與氧化脅迫的發(fā)生密不可分；在眾多疾病發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中均伴隨過(guò)度的氧化應(yīng)激。鑒于目前抗氧化應(yīng)激藥物的臨床應(yīng)用尚不理想，并且與TRPV4通道有關(guān)的藥物已逐漸進(jìn)入臨床研究，因此探索TRPV4通道在氧化應(yīng)激中的作用及機(jī)制意義非凡。

1 TRPV4概述

1.1TRPV4的結(jié)構(gòu) TRPV4是作為瞬時(shí)感受器電位通道蛋白家族(Transient receptor potential，TRP)中類香草素亞家族的成員之一，該家族還包括 TRPV1，TRPV2，TPRV3，TRPV5，TRPV6[1]。TRPV4蛋白在人類中由 TRPV4基因編碼，含有871個(gè)氨基酸；與其他家族成員類似，TRPV4含有六個(gè)跨膜片段(S1～S6)，其N端和C端朝向細(xì)胞質(zhì)，在S5和S6之間存有一個(gè)離子通道孔可保障陽(yáng)離子的順利通過(guò)；另外其N端具有六個(gè)ANK重復(fù)序列，一些分子(如磷脂酰肌醇4,5-二磷酸)可以牢固地結(jié)合到ANK重復(fù)序列末端，從而抑制TRPV4發(fā)揮作用[2-3]。TRP通道為一類非選擇性陽(yáng)離子通道，主要對(duì) Ca2+和Na+具有通透性并在膀胱、心臟、肺臟、腎臟等組織器官中顯著表達(dá)[4]。

1.2TRPV4的功能 TPRV4作為Ca2+通道蛋白，可參與機(jī)體多種生理過(guò)程并與多種疾病的發(fā)生息息相關(guān)。現(xiàn)已闡明TRPV4在經(jīng)過(guò)感知滲透壓、血流切應(yīng)力、炎癥等刺激后被激活，參與全身滲透壓調(diào)節(jié)、維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡等生理過(guò)程，還可參與細(xì)胞的增殖、凋亡和自噬等[5]。還有研究表明，TRPV4 基因突變可導(dǎo)致多種骨骼和神經(jīng)病變，如3型短軀干癥、Kozlowski型脊柱干骺端發(fā)育不良癥、間向性發(fā)育不良等。在這些疾病中 TRPV4 基因突變均導(dǎo)致 TRPV4通道功能增強(qiáng)，但在某些疾病如家族性指端粗短畸形中 TRPV4 基因突變反而使其功能減弱。可以肯定的是，TRPV4 基因突變均伴有TRPV4 通道功能的變化，通過(guò)影響下游的核轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)和蛋白-蛋白相互作用參與疾病發(fā)生過(guò)程，然而其詳細(xì)機(jī)制尚不明確[6-7]。

2 氧化應(yīng)激概述

氧化應(yīng)激(oidative stress，OS)是由于細(xì)胞中的活性氧(reactive oxygen species，ROS)、活性氮等自由基過(guò)度產(chǎn)生和(或)抗氧化防御機(jī)制減弱，所導(dǎo)致自由基的生成和清除之間的平衡失調(diào)而引起的組織、器官的病理反應(yīng)[8]。然而蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)會(huì)被胞內(nèi)過(guò)量的自由基氧化或損傷，從而誘導(dǎo)細(xì)胞自噬和凋亡的發(fā)生。因此，氧化脅迫被認(rèn)為是自由基對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的負(fù)面影響，亦是導(dǎo)致癌癥、冠心病以及糖尿病等慢性致死性疾病的元兇之一[9]。

3 TRPV4與氧化應(yīng)激的聯(lián)系

TRPV4由于其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及在機(jī)體中的廣泛分布決定了其重要的生理意義。當(dāng)機(jī)體受到外界不良刺激時(shí)，TRPV4被激活后介導(dǎo)細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流引起細(xì)胞內(nèi)鈣超載。當(dāng)胞內(nèi)環(huán)境為Ca2+負(fù)荷時(shí)鈣蛋白酶被高濃度的Ca2+激活，其活性顯著增高。并引發(fā)黃嘌呤脫氫酶轉(zhuǎn)變?yōu)辄S嘌呤氧化酶，導(dǎo)致ROS等自由基數(shù)量的增加。其次，Ca2+依賴性磷脂酶A2被激活從而產(chǎn)生更多的花生四烯酸，并通過(guò)環(huán)氧合酶和脂加氧酶的作用產(chǎn)生大量的H2O2和·OH。再次，積蓄于線粒體的Ca2+可使細(xì)胞色素氧化酶系統(tǒng)功能失調(diào)，O2經(jīng)單電子還原形成氧自由基增多。與此同時(shí)，Ca2+還可使硫氧還蛋白過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶等抗氧化酶活性下降，使得機(jī)體抵御損傷的能力大幅下降。最終導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)部氧化與抗氧化失衡，引起氧化應(yīng)激[10-11]。當(dāng)機(jī)體產(chǎn)生大量自由基時(shí)，由于膜脂質(zhì)的過(guò)氧化及其通透性的增強(qiáng)，Na+-K+-ATP酶失活，細(xì)胞內(nèi)Na+濃度升高，Na+與Ca2+互換加強(qiáng)；惡化了線粒體膜的損傷并影響ATP的生成，肌漿網(wǎng)攝取Ca2+減少，上述過(guò)程均會(huì)使細(xì)胞內(nèi)Ca2+負(fù)荷增加[12]。因此TRPV4與鈣超載、自由基的產(chǎn)生及氧化應(yīng)激都存在著復(fù)雜而緊密的關(guān)系，但其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

4 TRPV4與氧化應(yīng)激相關(guān)疾病

4.1心肌缺血再灌注損傷 心肌缺血后再灌注損傷(I/R)是指發(fā)生于急性心肌梗死后血栓自容再通或人工再通后對(duì)心肌細(xì)胞造成的二次損傷。恢復(fù)血流這一過(guò)程往往伴隨著自由基的生成、鈣超載等。臨床上會(huì)出現(xiàn)心肌頓抑、心律失常、心力衰竭等危及患者生命的癥狀[13]。I/R損傷的病理機(jī)制復(fù)雜多樣，目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為由細(xì)胞內(nèi)Ca2+負(fù)荷、自由基所引發(fā)的氧化脅迫是造成I/R損傷的主要原因，此外炎癥作用及高能磷酸化合物的缺乏等也與之相關(guān)[14]。已有研究證實(shí)TRPV4廣泛表達(dá)于心血管系統(tǒng)并參與該類疾病的發(fā)生、發(fā)展[15]。

Jones等[16]研究表明，過(guò)量Ca2+進(jìn)入心肌細(xì)胞是造成I/R損傷的主要原因，并發(fā)現(xiàn)老年人心臟組織及老年大鼠心肌細(xì)胞內(nèi)TRPV4蛋白的表達(dá)量明顯升高；老年大鼠心肌細(xì)胞處于I/R損傷早期時(shí)，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度迅速升高并引起心臟收縮增強(qiáng)；但當(dāng)使用TRPV4阻斷劑(HC-067047)后癥狀消失或減弱；TRPV4(-/-)基因敲除大鼠心肌組織內(nèi)癥狀較弱或不會(huì)出現(xiàn)以上癥狀。既往文獻(xiàn)報(bào)道，TRPV4通道在大鼠I/R損傷模型中mRNA、蛋白水平表達(dá)明顯上調(diào)且伴隨細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加，抗氧化酶活力降低及氧化指標(biāo)升高，加劇了細(xì)胞凋亡與壞死；使用HC-067047后上述現(xiàn)象可發(fā)生逆轉(zhuǎn)，使用TRPV4激動(dòng)劑(GSK1016790A)后上述現(xiàn)象加重。因此TRPV4在I/R損傷中作用重要，有望成為介導(dǎo)此類損傷的重要靶標(biāo)[17-18]。

4.2膀胱過(guò)度活動(dòng)癥 膀胱過(guò)度活動(dòng)癥(Overactive Bladder，OAB)是一種以尿急為特征的癥候群，常伴有尿頻和夜尿增加等癥狀[19]。隨著我國(guó)社會(huì)人口老齡化的增加，OAB的發(fā)生率逐年上升，這既影響了患者的身心健康，又加重了社會(huì)養(yǎng)老負(fù)擔(dān)。Janssen等[20]發(fā)現(xiàn)TRPV4和TRPV1在膀胱傳入神經(jīng)通路中起到關(guān)鍵作用，膀胱中的低閾值神經(jīng)纖維可對(duì)較低的壓力做出反應(yīng)，高閾值神經(jīng)纖維僅在高壓(>20 cmH2O)下被激活傳遞痛感。TRPV1受體在高閾值神經(jīng)纖維中表達(dá)，并與炎癥反應(yīng)和疼痛的產(chǎn)生密切相關(guān)。Roberts等[21]發(fā)現(xiàn)，TRPV4在豚鼠膀胱平滑肌及膀胱尿路上皮細(xì)胞等組織細(xì)胞中表達(dá)，且在老年豚鼠膀胱中表達(dá)更為顯著。TRPV4在膀胱尿路上皮細(xì)胞中被激活并促使Ca2+內(nèi)流從而促使尿路上皮產(chǎn)生大量的ATP，ATP是使處于休眠狀態(tài)的膀胱C纖維傳入神經(jīng)產(chǎn)生興奮而引發(fā)膀胱感覺(jué)過(guò)敏的元兇之一。值得注意的是由鈣超載誘導(dǎo)產(chǎn)生的ATP是正常排尿反應(yīng)中的數(shù)倍。TRPV4基因的突變也可能與OAB存在潛在的聯(lián)系。Landouré等[22]發(fā)現(xiàn)，腓骨肌萎縮癥2型患者不僅表現(xiàn)出進(jìn)行性肌肉消瘦和感覺(jué)功能喪失，且OAB的發(fā)生率很高，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)失禁行為。Zhang等[23]發(fā)現(xiàn)羧芐酮(CBX)可抑制TRPV4通道引發(fā)的氧化性尿路上皮損傷，并改善環(huán)磷酰胺(CYP)引起的膀胱功能障礙。CBX具有抑制TRPV 4引起的Ca2+內(nèi)流和細(xì)胞損傷，可減輕CYP和丙烯醛(CYP的代謝產(chǎn)物)誘導(dǎo)的膀胱炎及細(xì)胞損傷，并有效地減弱了氧化應(yīng)激。Everaerts等[24]發(fā)現(xiàn)TRPV4可降低健康大鼠和小鼠由CYP引起的膀胱炎導(dǎo)致的排尿頻率。由此可見(jiàn)TRPV4在OAB中起到了至關(guān)重要的作用，有望成為治療該疾病的重要靶標(biāo)。

4.3急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS) ARDS是以頑固性低氧血癥為顯著特征的臨床綜合征，該病因發(fā)病機(jī)制復(fù)雜、致死率高而倍受關(guān)注。現(xiàn)有研究表明，肺部炎癥反應(yīng)暴發(fā)和肺微血管內(nèi)皮屏障功能損傷是ARDS的病理生理特點(diǎn)，且過(guò)多的ROS和胞內(nèi)Ca2+濃縮異常升高在該疾病中起到至關(guān)重要的作用[25]。Suresh等[26]研究表明在外緣H2O2刺激下大鼠肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞和人肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞將處于氧化應(yīng)激的狀態(tài)，蛋白酪氨酸激酶(Fyn基因的產(chǎn)物)使TRPV4磷酸化引起胞內(nèi)Ca2+濃度升高，并使得肺微血管內(nèi)皮屏障通透性增強(qiáng)。在使用外部氧化劑或誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生更多ROS時(shí)屏障功能進(jìn)一步惡化。與之類似，處于激活狀態(tài)下的TRPV4會(huì)引位于肺泡的毛細(xì)血管和上皮細(xì)胞腫脹，導(dǎo)致肺泡充血。過(guò)量的Ca2+還可導(dǎo)致肺水腫等。使用TRPV4抑制劑可降低細(xì)胞中的Ca2+的濃度并減輕肺水腫以及心力衰竭期間出現(xiàn)的靜脈壓升高[27-28]。

另一方面，Balakrishna等[29]在氯氣和鹽酸誘導(dǎo)的ARDS小鼠模型中首次發(fā)現(xiàn)了肺損傷與酰胺類化合物之間的關(guān)系。肺損傷會(huì)產(chǎn)生一系列內(nèi)源性TRPV4激動(dòng)劑-酰胺類化合物，并引起肺部的炎癥反應(yīng)、肺微血管內(nèi)皮屏障通透性增強(qiáng)進(jìn)而導(dǎo)致肺水腫和嚴(yán)重的肺缺氧。與ARDS小鼠相比，經(jīng)HC-067047治療的小鼠血清中各類炎性細(xì)胞因子含量、中性粒細(xì)胞數(shù)量等顯著降低。由此可見(jiàn)，TRPV4抑制作用可抵消肺水腫和肺部炎癥，并改善急性肺損傷中的肺功能和血氧飽和度，在ARDS中起到了重要作用，有望成為治療該病的重要靶標(biāo)。

4.4糖尿病 糖尿病是一種伴有高血糖及長(zhǎng)期代謝紊亂的慢性疾病，其致病機(jī)制為胰島素分泌不足或功能失效，眼、腎、心臟等器官會(huì)因長(zhǎng)期處于高糖環(huán)境而受到慢性損傷或引起功能異常[30]。2型糖尿病中胰島B細(xì)胞凋亡及功能失效是氧化脅迫和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫的共同結(jié)果[31]。高血糖會(huì)造成包括大血管、微血管及神經(jīng)病變等慢性并發(fā)癥。

周圍型糖尿病神經(jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy，DPN)是糖尿病最常見(jiàn)并發(fā)癥之一，臨床表現(xiàn)為對(duì)稱性疼痛和感覺(jué)異常。高血糖會(huì)導(dǎo)致線粒體產(chǎn)生過(guò)量的自由基，且葡萄糖氧化和脂質(zhì)過(guò)氧化所產(chǎn)生的中間代謝產(chǎn)物會(huì)對(duì)機(jī)體造成氧化損傷，甚至誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡和自噬。眾所周知，哺乳動(dòng)物神經(jīng)中磷脂含量很高，因此更易受到自由基的攻擊。此外，神經(jīng)元的抗氧化防御能力較弱[32]。細(xì)胞內(nèi)Ca2+超負(fù)荷在DPN的病因中也起重要作用。有人利用野生型和TRPV4基因敲除小鼠的DRG神經(jīng)元研究發(fā)現(xiàn)，紫杉醇激活TRPV4引起異常性疼痛并產(chǎn)生過(guò)多的ROS，TRPV4拮抗劑可以部分減輕疼痛和氧化應(yīng)激[33]。

糖尿病性視網(wǎng)膜病變是一種特異性眼底病變疾病，通常視網(wǎng)膜會(huì)滋生微動(dòng)脈瘤并伴隨出血和水腫等癥狀，嚴(yán)重影響了患者生活質(zhì)量。現(xiàn)有研究表明，TRPV4與糖尿病視網(wǎng)膜水腫形成相關(guān)。雖然在TRPV4在糖尿病大鼠模型的視網(wǎng)膜中表達(dá)量有所降低，但其活性極高可引起鈣離子內(nèi)流并誘導(dǎo)和放大炎癥反應(yīng)、血視網(wǎng)膜屏障破壞、滲透性增強(qiáng)等，最終導(dǎo)致視網(wǎng)膜水腫。使用TRPV4抑制劑治療后的大鼠病癥得以緩解[34]。Arredondo等[35]研究表明，在非糖尿病情況下血管抑制素可以限制Ca2+、鈣調(diào)蛋白激活eNOS的過(guò)程來(lái)減少NO的產(chǎn)生，從而起到保護(hù)血視網(wǎng)膜屏障免受TRPV4激活引起的通透性增加。由此可見(jiàn)，TRPV4在糖尿病形成及其并發(fā)癥中起到了重要的作用，有望成為介導(dǎo)該病的新靶標(biāo)。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，TRPV4在引起機(jī)體氧化脅迫中起到舉足輕重的作用。激動(dòng) TRPV4 通道后伴隨著Ca2+內(nèi)流的增加還原型輔酶Ⅱ被活化，并且線粒體氧化呼吸鏈上電子傳遞的阻斷進(jìn)一步促使 ROS 的生成。同時(shí)過(guò)量的Ca2+又會(huì)抑制抗氧化酶 SOD和 CAT 等抗氧化劑活力進(jìn)而減少ROS 的清除，最終使 ROS 產(chǎn)生增加，機(jī)體損傷加重。反之，抑制 TRPV4后ROS的生成減少，機(jī)體損傷減輕。TRPV4通道是氧化應(yīng)激敏感的TRP通道之一，氧化應(yīng)激可以激活該通道，TRPV4 通道活化后介導(dǎo)Ca2+內(nèi)流和氧化應(yīng)激，這種潛在的正反饋機(jī)制進(jìn)一步加重細(xì)胞損傷。正在進(jìn)行的和即將到來(lái)的TRPV4 通道抑制劑的臨床試驗(yàn)的結(jié)果將為未來(lái)的人類疾病研究提供依據(jù)，同時(shí)進(jìn)一步的研究將揭示 TRPV4通道抑制劑直接作為多種疾病的治療劑的真正潛力，TRPV4 有望成為抗氧化應(yīng)激相關(guān)疾病中的新的治療靶點(diǎn)[36]。