水通道蛋白4 在神經認知障礙疾病中的作用機制研究進展

周晗，陳駿萍，盧波

淋巴系統負責清除組織間質中多余的液體和大分子物質，在維持細胞內穩態方面起著至關重要的作用。大腦作為機體代謝最活躍的器官之一，在過去很長一段時間內都被認為缺乏實質性的淋巴系統，直至2012 年首次報道了“膠質淋巴系統”，人們對于中樞神經系統和淋巴系統的認識都進入了一個新的階段。glymphatic 系統又稱“類淋巴系統”，是顱內的液體運輸系統，連接大腦的所有區域，它促進腦脊液和間質液的交換，并起到清除大腦中代謝廢物的作用。水通道蛋白4（AQP4）作為中樞神經系統中表達最豐富的水通道蛋白，在顱內起到維持水平衡作用，是glymphatic 系統的重要組成部分。本文擬探討APQ4 與顱內淋巴系統的關系，并總結其在神經認知障礙疾病中作用和機制的研究進展，報道如下。

1 AQP4 的結構和功能

AQP4 廣泛存在于人體的多種組織器官中，如腎臟（集合管）、胃（壁細胞）、氣道、腺體和骨骼肌的上皮細胞中，參與尿的濃縮、腦脊液的再吸收、肺泡水腫的緩解等病理生理過程，但其在中樞神經系統中的表達最豐富[1]。研究證實AQP4 大部分表達在腦、脊髓和視神經的星形膠質細胞終足，其在腦內的分布廣泛，包括大腦皮層、胼胝體、視網膜、小腦、下丘腦的大細胞核和腦干[2]，但尤其集中在與腦脊液接觸的軟腦膜和室管膜表面，這稱為AQP4 的極化。這種定位特點使得AQP4 與血管周圍空間相聯系，參與腦脊液在腦實質與血管周圍間隙之間的流動過程，維持中樞系統內的水平衡，成為腦內淋巴系統的重要組成部分。在此之前，已有文獻提出AQP4 的極化定位似乎比AQP4 的表達量更重要[3]。最近，有研究者在老年人類脈絡膜上發現了AQP4陽性細胞，并在脈絡膜上皮細胞基底外側膜上檢測到OAPs[4]，這一研究結果可能成為進一步證明AQP4 在腦脊液引流中作用的證據。

2 AQP4 與glymphatic 系統

glymphatic 系統是中樞神經系統內的一種血管周圍網絡，由Iliff 等人于2012 年首次定義，其在腦內提供類淋巴功能，在腦脊液（CSF）與大腦間質液之間的交換、腦脊液引流、可溶性淀粉樣蛋白-（A ）等代謝廢物清除中起到重要的作用，也參與許多中樞神經系統疾病的病理過程，如神經退行性疾病、顱腦損傷及腫瘤等[5]。Iliff 等將glymphatic 系統分為3個功能，淋巴內流、腦脊液和腦間質（CSF-ISF）的交換及淋巴外流[6]。

除了glymphatic 系統參與的腦脊液循環過程，AQP4 在glymphatic 系統清除代謝廢物的過程中同樣起著重要作用。Iliff 等人假設，A 可以被glymphatic 系統通過AQP4 依賴的間質液流動從大腦中清除。在AQP4 敲除小鼠中A 清除率減半的觀察證實了這一假設，這也表明了有很大一部分的A 通過glymphatic 系統途徑清除[7]。Risa 等[8]發現AQP4 敲除小鼠腦脊液至頸深淋巴結的tau 蛋白引流受損，這證明了tau 蛋白在大腦中通過一種AQP4 依賴的機制清除，AQP4 缺乏會加重tau 相關的神經退行性改變。

glymphatic 系統的功能受到睡眠、晝夜節律、動脈搏動等生理因素的調節[5]。2013 年Xie 等[9]人研究證實，在自然或麻醉狀態下，glymphatic 系統功能在睡眠時活躍，在清醒狀態下被明顯抑制。值得關注的是，Lauren 等[10]人針對glymphatic 的晝夜節律的研究中證實，AQP4 在血管周圍極化存在晝夜節律，且這一節律支持腦脊液引流的晝夜節律。

3 AQP4 與神經認知障礙疾病

3.1 AQP4 和神經退行性疾病 阿爾茨海默病（AD）是當前最常見的神經認知障礙疾病，年齡變化是其發展的最大危險因素。自2013 年Iliff 等定義了glymphatic系統以來，不斷有研究證明，在老年鼠大腦中血管周圍空間腦脊液再循環和A 的清除受損，與血管周圍AQP4 定位的喪失有關。隨后通過對不同年齡、不同認知功能水平、具有不同AD 病理特征的人類大腦組織的解剖研究發現，AQP4 的表達增加和定位改變是老年腦的一個普遍特征，但這一表現在認知功能完好的老年人大腦中并不存在，由此他們推測血管周圍AQP4 定位是否改變是評估認知功能的重要預測因子[11]。隨后他們進一步研究證實，血管周圍AQP4 定位的喪失與局部A 和tau 病理性累積增加有關，并與疾病過程早期的認知功能下降有關[12]。最近，他們進一步通過實驗證明，與AQP4基因缺失相比，AQP4 定位喪失對A 斑塊沉積的影響更為明顯[13]。此外，Ian 等[14]發現在tau 阿爾茨海默病模型中，CSF-ISF 交換和tau 蛋白的清除受損，AQP4在星形細胞端足的極化水平降低，且在正常小鼠中通過抑制AQP4，CSF-ISF 交換和tau 蛋白清除也顯著減少。由此可見，AQP4 可成為治療AD 的藥物靶點。

帕金森病（PD）也是一種年齡相關的神經退行性疾病，大腦中-突觸核蛋白（ -syn）的產生和清除不平衡，導致-syn在腦內過量累積，這一過程在PD的發病和發展中起到至關重要的作用。通過對AQP4基因缺失（AQP4-/-）小鼠和野生型（WT）小鼠腦實質內注射外源性可溶性重組人-syn，對比小鼠黑質（SN）中-syn 的殘留情況，證明了AQP4 對腦內-syn 的清除具有促進作用。在WT 小鼠SN 中存在AQP4 血管周圍定位，而A35T 小鼠（純合子A53T小鼠-syn cDNA含量比對照組高2倍以上）的AQP4異常定位于SN 實質，進一步實驗發現AQP4 緊密包繞-syn 陽性神經元，這說明AQP4 的去極化與-syn的蓄積具有一定的相關性[15]。由此推測，改善PD患者腦內APQ4 的表達和極化水平，或許能減輕-syn 在腦內的蓄積。

3.2 AQP4 和顱腦損傷

3.2.1 創傷性腦損傷（TBI） TBI 是許多癡呆早期發展的危險因素，創傷后大腦經常表現出tau蛋白蓄積。腦外傷后glymphatic 通路功能的慢性損傷可能是導致腦外傷后易發生tau 蛋白聚集和神經退行性變的關鍵因素。Iliff 等在中度TBI 模型的研究中發現，顱腦損傷后血管周圍AQP4 極化的喪失削弱了間質溶質的清除，這包括glymphatic通路中的tau蛋白。間質中的清除過程障礙加劇了細胞內tau 蛋白的聚集和神經退行性變，進一步加劇了TBI 后的神經認知功能障礙[16]。在最近的研究中，Lu 等[17]發現二甲胺四環素通過降低TBI后小鼠AQP4 的表達水平，保護血腦屏障完整性和星形膠質細胞功能來改善TBI后的神經功能障礙，由此研究結果推測AQP4很可能是二甲胺四環素治療TBI 的重要治療靶點，對于TBI 的治療有重要意義。

3.2.2 腦水腫 腦積水主要表現為腦脊液流量受損、腦室擴大、腦室破壞、反應性星形膠質細胞增生等，可能發生在創傷、感染、腫瘤或血供受阻之后。AQP4 在動脈和靜脈周圍空間的星形膠質細胞末端大量表達，在維持中樞神經系統的淋巴功能中起到不可或缺的重要作用。AQP4 的高通透性使得腦脊液從動脈周圍間隙進入間質，以及從間質進入靜脈周圍間隙過程的阻力大大降低[7]。AQP4 主要與腦水腫和腦實質血流的重吸收有關[18]。

對于缺血性腦水腫，Takashi等[19]分別使用-Syn-/-小鼠（該種類小鼠血管周圍的AQP4 明顯缺失）和WT 小鼠，通過閉塞腦膜中動脈建立腦缺血模型，電鏡下對比觀察小鼠大腦發現，-Syn -/-小鼠血管周圍星形膠質末端足突明顯腫脹，而WT 小鼠的大腦梗死面積和大腦半球擴大程度都更加明顯，這些發現說明了水通過腦-血界面的阻力主要來源于在星形膠質末端足突，而不是在毛細血管內皮，在血管周圍星形膠質末端足突的AQP4 可能是急性腦水腫發作時水分子快速流入腦實質的途徑。之后研究表明，AQP4 在中樞神經系統水腫的發生和消退過程中具有不同的作用，在損傷后早期，AQP4 對水分子的高通透性推動細胞毒性水腫的發展，但之后對血管源性水腫起到抑制、消除作用。另外，在對于腫瘤所致的腦水腫研究中，利用放射誘導星形膠質細胞足突腫脹的24 h 內，研究人員發現細胞內AQP4 的表達明顯上調，短期使用藥物減輕星形膠質細胞足突腫脹程度后，同時也阻止了腦組織含水量的增加[20]。

由此可見，在腦水腫急性期抑制AQP4 的表達與作用，可以起到預防腦水腫的作用。研究人員進一步實驗發現，急性缺氧會導致初級皮質星形膠質細胞表面的AQP4 重新定位，并伴隨著細胞膜對水的通透性提高。這種AQP4 在細胞表面的重新定位具有鈣調蛋白（CaM）依賴性，CaM與AQP4 直接作用引起特定構象變化，驅動AQP4 細胞表面定位。抑制CaM可抑制AQP4 在血脊髓屏障上的定位，減輕中樞神經系統水腫[21]。Mootaz 等[22]也證明了AQP4 的定位也在亞細胞水平上動態調節，會影響膜對水分子的通透性。

此外，Huanru 等[23]針對病毒感染中樞神經系統所引起的腦水腫研究中發現，腸病毒71（EV71）感染會誘導小鼠大腦AQP4 去極化，通過藥物抑制AQP4 穩定因子營養不良蛋白-營養不良聚糖復合物（DDC）的衰減，可保護AQP4 的極化定位，減輕腦水腫。這進一步探究了AQP4 在不同病因病因的腦水腫所在不同階段起到的作用。而病毒感染一直以來都被懷疑是神經認知障礙性疾病的致病因素，這一研究為這兩者之間的關系提供了重要線索。

3.2.3 蛛網膜下腔出血（SAH） 研究表明，SAH 明顯損害了glymphatic 系統的灌注[24]。Peng 等[25]進一步探究了AQP4 在發生SAH 后glymphatic 系統受損中的作用機制，發現SAH后大腦腦脊液流入和間質液清除均明顯減少，而AQP4 的缺失會進一步加重SAH 后glmphatic 系統功能的損傷。SAH 的進展與AQP4 的表達和極化相互影響，兩者之間的這一緊密聯系，為治療和預防SAH進一步進展指明了新的研究方向。

3.3 AQP4 和肝性腦病 肝衰竭與星形膠質細胞腫脹導致的進行性細胞毒性腦水腫密切相關，而后者是肝性腦病（HE）發生的基礎，但其發病機制尚不完全清楚。Anna 等[26]在對慢性肝病動物模型（膽管結扎/BDL 模型）的研究中，通過動態增強MRI 首次證明了BDL 大鼠額葉腦區對比劑的腦脊液滲透和實質清除過程受損，這說明慢性肝病和HE 動物模型中的glymphatic 系統功能出現明顯障礙，同時BDL大鼠額葉腦區的AQP4 表達顯著降低，但BDL 大鼠的顱內壓（ICP）與對照組沒有差異。在此之前也有相關研究通過不同方式誘導的多種大鼠肝病模型橫向對比研究，發現僅在BDL 模型中表現出AQP4 表達增加和低級腦水腫，其余多種模型大鼠的腦滲透壓沒有差異，血腦屏障的結構功能也相對完整。上述結果均說明肝衰竭所引起的腦水腫表現出glmphatic系統功能障礙、AQP4 表達改變，但AQP4 在與肝衰竭相關的腦水腫的發病機制中并不是起到核心作用。

3.4 AQP4 和酒精中毒 研究人員在對于酒精中毒的研究中發現，酒精會損傷glymphatic系統的功能，但急性酒精中毒和慢性酒精中毒引起glymphatic系統功能損害的機制并不相同。

在急性酒精中毒的動物腦內，-內啡肽的釋放升高，腦血管搏動減弱，但不伴有GFAP 和AQP4 的表達改變及AQP4 極化的變化。而在慢性酒精中毒的動物大腦中，研究人員發現GFAP 的表達明顯增加，血管周圍AQP4 極化廣泛喪失，但-內啡肽的釋放、心率、血壓、腦血管搏動等方面與對照組不接觸酒精的動物相比沒有明顯差異。由此推斷，血管周圍AQP4 極化的喪失可能是引起慢性酒精中毒動物CSF-ISF 交換功能受損的原因之一[27]。由上述可見，由長期過量飲酒導致機體功能異常引發中樞神經系統持續性嚴重損傷的慢性酒精中毒性腦病（CAE），它的發生發展與AQP4 的表達和極化相互影響。

3.5 AQP4 和藥物成癮性腦病 有研究人員對反復進行可卡因接觸或戒斷的小鼠大腦進行研究，發現可卡因接觸小鼠的腦血流量（CBF）明顯減少，腦內動靜脈搏動降低，而整個大腦皮層廣泛的星形膠質細胞增生，血管周圍AQP4 極性喪失，導致血管旁功能和CSF-ISF 交換功能損害。這些結果表明，可卡因通過多種機制損害glymphatic 功能。另外，在對阿片類藥物成癮的研究中，AQP4-/-小鼠紋狀體中表現出多巴胺轉運蛋白的上調，小鼠嗎啡和海洛因誘導的多動減少，與正常小鼠相比阿片類藥物誘導的藥物尋求和服用行為顯著降低[28]。在此之前，已有研究證明AQP4介導雙向的血管旁腦脊液交換，參與藥物的成癮過程。由此可見AQP4 的功能與在藥物成癮成癮性腦病相互影響，這可能有助于藥物成癮患者神經認知障礙的發展。

4 展望

AQP4 作為glymphatic系統的重要一環，是許多神經疾病發生發展的重要環節，是多種神經認知疾病預防和治療的有效靶點。然而在這一領域還有諸多未解決的問題，使得我們對glymphatic 系統和AQP4 在上述疾病中的作用機制理解尚不完全，仍需進一步加深對神經系統中AQP4 的認識和理解，以利于研發以AQP4 為靶點的干預手段。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突