體外循環術中水通道蛋白改變對機體重要臟器的影響

李藝萱，劉晉萍

機體內環境維持高度依賴水在全身的分布、酸堿平衡和電解質水平。 近年來，水通道蛋白（aquaporins，AQPs）在機體水平衡過程中的作用已成為一個倍受關注的領域。 AQPs 是跨細胞和跨上皮水運動起主要作用的蛋白，對水的跨膜運輸和調控有重要作用。 體外循環（extracorporeal circulation， ECC）是一種非生理循環，期間由于手術創傷、管路刺激、低溫、主動脈阻斷、心臟停跳和復跳、輸血等操作引起的機體強烈炎癥反應、缺血缺氧再灌注損傷以及血流動力學改變等不良后果，很容易打破體內水平衡狀態。 研究ECC 期間各系統AQPs 的變化規律，可為ECC 期間體液失衡不良反應現象提供理論依據， 指導臨床更好的調節機體內環境的水穩態， 提高圍術期對液體平衡的管理，達到更好的預后。

1 水通道蛋白的概述

目前哺乳動物質膜上發現13 種的AQPs 介導水跨細胞轉運，它們在膜中以同型四聚體的形式聚集，四聚體中的單體包含一個水孔和六個跨膜α-螺旋結構域，能選擇性允許水或部分不帶電荷揮發性小分子有方向性的沿滲透梯度通過［1-3］。 目前分有三類AQPs，第一類僅進行單一水滲透稱為經典AQPs，包括AQP0、AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6和AQP8；第二類轉運水和小分子同源物AQPs 稱為水-甘油AQPs，包括AQP3、AQP7、AQP9 和AQP10；第三類為不同于前兩類的相關AQPs，僅AQP11、AQP12 兩種，稱“超水AQPs”或“非正統AQPs”［4］。

2 AQPs 對機體重要臟器的影響

2.1 對心血管系統的影響 已在人和小鼠的心臟基因水平上檢測到AQP1、AQP4、AQP7 和AQP11。在山羊體外實驗中，在缺血、缺氧和停搏液條件下導致心肌組織含水量增加，同時發現AQP1 和AQP4表達均增加，可能是由于microRNA-214 下調起作用。 心臟手術還會導致術后心肌頓抑和心肌水腫，即使在間質區域少量水分增加也會導致心肌收縮力顯著降低［5］。 ECC 缺血和再灌注損傷過程中許多心臟病變，都與心臟組織中的液體增加有關。 ECC術后約2 h 心臟AQP4 基因表達增加，心肌水腫程度達到峰值［6］。 同時研究表明AQP1 和AQP4 可能對年齡相關性高血壓的發展和心臟缺血的趨勢有重要預測作用。 ECC 產生的刺激對新生兒和嬰兒比成人更加劇烈， 液體更容易通過毛細血管膜，更易發生普遍的水腫和毛細血管微血管蛋白滲漏［7］。AQP4 的缺失在急性心肌缺血再灌注中具有保護作用，缺血再灌注后AQP4 基因缺失的KO 小鼠與野生型小鼠相比梗塞面積顯著減小，該分子可能成為未來急性心肌梗死治療以及ECC 過程中心肌保護的有效靶點［8］。 研究發現富氫溶液抑制AQP1 表達可能對各種疾病有治療作用，二氮嗪線粒體三磷酸腺苷敏感劑的開放鉀離子通道，降低了心房組織中AQP7 的表達，減少ECC 手術期間的心肌水腫［9］。

2.2 對呼吸系統的影響 氣道和肺的表面廣泛存在各類AQPs 促進水的選擇性和快速雙向運動。AQP1 主要在微血管內皮中表達，AQP4 在氣道上皮中表達，AQP5 廣泛在肺泡上皮表達，AQP3 在呼吸道及基底膜中表達，AQP8 和AQP9 在肺組織中也有表達，但其具體細胞定位還不清楚［10］。 機械通氣的潮氣量和暴露時間將會影響AQPs 的表達，高潮氣量可誘發加重肺水腫，AQP1 和AQP5 均在高潮氣量條件下表達降低且隨著機械通氣暴露時間的延長而增加［11-12］。 在ECC 條件下激活炎癥細胞、加速釋放的炎性因子，打破了AQPs 控制支氣管擴張的釋放和支氣管收縮的去除液體分泌的平衡，誘導急性肺損傷出現明顯的水腫［13］。 ECC 低溫刺激細胞因子的釋放更明顯，有著更廣泛的內皮損傷和內皮激活，由于上游促炎細胞因子腫瘤壞死因子-α 的信號作用，AQP5 表達在基因水平上減少了2 倍，在蛋白水平上減少了10 倍［14-15］。 敲除氣管、支氣管以及肺泡上皮細胞表面AQP4 及AQP5 可發現細胞外離子組成的改變，滲透壓以及成分變化刺激肺對膽堿能產生過度快速氣道反應［16］。 AQP1 和AQP5表達的上調明顯有助于ECC 術中氧氣和紅細胞攜氧的調控，促進氧氣通過血氣屏障，緩解肺部炎癥，減弱油酸或脂多糖誘導的肺損傷［17］。

2.3 對泌尿系統的影響 大量的研究表明AQPs

對尿濃度和體液穩態很重要，AQP1 在近端小管、降細支和降直血管細胞中表達，有助于近端小管的水重吸收和腎滲透梯度的形成。 AQP2 主要在集合管主細胞的頂膜和胞內小泡中表達，AQP2 的頂膜表達受抗利尿激素精氨酸加壓素調節［18］。 而ECC 過程中微環境改變例如滲透壓、酸堿度和流體剪切力等因素也影響AQPs 對腎臟的水轉運。 大量的膠體預充后，血漿膠體滲透壓過高還降低腎臟的有效濾過率，不利于水的排出，如出現高鈉血癥和低血容量血癥的情況，血管加壓素通過血管加壓素Ⅱ型受體從胞內轉移到腎集合管的頂膜誘導AQP2 表達［19］。當體液環境處于極端酸堿平衡失調時，AQP6 表達會在長期碳酸氫鹽堿性溶液環境培養的大鼠體內顯著上調，AQP6 透水性被迅速激活并伴有選擇性的氯化物作用［20］。 酸性pH 下，代謝性酸中毒大鼠尿AQP2 排泄量減少，而腎臟AQP2 基因和蛋白表達增加，血管加壓素與受體的結合親和力降低。 此外，尿堿化與尿外體AQP2 排泄量增加有關，而尿外體排泄量增加與血管加壓素刺激無關［21］。 ECC 過程中的血流控制和血液保護最大限度的保持紅細胞的穩定，除了分子氧外，一氧化氮通常也會與血紅蛋白結合并起反應，血液中一氧化氮是動靜脈血液中由一氧化氮合酶介導生成的內皮衍生松弛因子，調節血管緊張度和體液穩態，在腎臟中影響內皮細胞和球旁器官，保護局部血流并減少近曲小管中的液體和鈉重吸收，防止缺血-再灌注損傷［22］。 在體外實驗中，一氧化氮和心鈉素都增加了集合管中的降鈣素基因相關肽而刺激主細胞的AQP2 易位，這一過程是通過蛋白激酶體外AQP2 絲氨酸256 殘基磷酸化實現的［23-24］。

2.4 對神經系統的影響 AQP4 在面向腦血管和軟腦膜的星形膠質細胞末端大量表達，其表達水平和亞細胞定位顯著影響腦水轉運。 AQP4 被認為與早期腦水腫形成過程中腦血流量減少有關，在磁共振圖像上的信號強度以及區域變化中觀察到AQP4 參與腦缺氧缺血早期的細胞腫脹和腦水腫。 研究發現短時間的ECC 大腦左右兩側受干擾程度基本相同，結束后逐漸恢復正常，ECC 以及主動脈阻斷時間越長，導致水腫程度越大，也愈加發展成為不可逆水腫，并且這種反應還取決于大腦的成熟程度［25］。AQP4 在血管源性水腫的腦水清除中起有益作用，但在細胞毒性水腫和加劇細胞腫脹中起有害作用［26］。 對敲除腦AQP4 的小鼠發生水中毒和局灶性腦缺血的觀察表明，在血管源性水腫中，水獨立于AQP4 進入腦實質，但通過AQP4 離開腦，阻斷AQP4 功能可降低水腫形成率并提高存活率，同時增加AQP4 的功能可以加快水腫消除［27］。 AQPs 表達上調劑的使用將增強細胞外水腫液體的吸收，與皮質類固醇聯合使用，能夠更快地解決與腫瘤或是ECC 期間感染和炎癥相關的水腫。 但是在乳酸導致培養的大鼠星形膠質細胞腫脹模型中發現，AQP4的表達在星形膠質細胞細胞膜上增加，AQP9 的通透性也增加［28］。 CPB 后期過程中由于炎癥反應的活躍致使AQP4 在腦水腫的發展產生不利作用。 有研究發現，例如缺氧誘導因子-1α 等炎性因子會通過涉及AQP4 和基質金屬蛋白酶-9 的分子途徑級聯在腦水腫形成和血腦屏障破壞中起作用，抑制缺氧誘導因子-α 或基質金屬蛋白酶-9 后血腦屏障通透性顯著改善［29］。 在缺血缺氧再灌注的星形膠質細胞中，敲除定位于星形膠質細胞的血管周圍末端的AQP4 后細胞體積明顯少于AQP4 高表達的星形膠質細胞；在復氧后，表達AQP4 的細胞體積在第7天逐漸減少恢復至對照水平，AQP4 在缺氧缺血和復氧過程中的不同作用表明，敲除AQP4 可以防止缺氧缺血期間星形膠質細胞腫脹過程中的水流入，但是也延遲水清除過程中星形膠質細胞腫脹的消退［30-32］。

3 結 語

AQPs 作為一種機體水運輸調控的一種方式，具有獨特的機制和生化特征，近年來一些研究也在不斷探索和完善水通道的作用機制。 AQPs 參與多種器官的液體穩態維持，調控AQPs 可以作為器官水腫或脫水治療的新靶點和新思路。 然而，AQPs在ECC 過程中引起病理性液體失衡疾病的作用機制以及抑制或激活ECC 過程中AQPs 對器官保護作用還未見更深的研究報道，這一具體過程仍有待進一步的研究。