TRPV4在眼病理生理功能中的研究進展

劉 歆,畢燕龍

0引言

瞬時受體電位(transient receptor potential,TRP)通道可以被認為是多個信號集成器來引導我們的感覺系統。TRP通道根據核苷酸序列同源性分為6個主要亞家族:錨蛋白(ankyrin,TRPA)、經典型(canonical,TRPC)、黑素瘤型(melastatin,TRPM)、粘脂(mucolipin,TRPML)、多囊蛋白(polycystin,TRPP)、以及香草醛(vanilloid,TRPV)[1-2]。其中香草醛家族包含4個亞型,分別為:TRPV1、TRPV2、TRPV3和TRPV4[1]。TRPV4屬于瞬時受體電位香草醛受體的亞家族成員,于2000年從秀麗隱桿線蟲無脊椎動物基因Osm-9的滲透敏感通道同源物中被發現[3]。TRPV4是一種非選擇性陽離子通道蛋白,在哺乳動物中表達廣泛,在腦、眼、腎和泌尿系統、胃腸道和胰腺、肌肉骨骼組織、上皮、血管內皮和血管周圍平滑肌細胞中均有膜性表達。同時,TRPV4參與細胞腫脹、溫度、機械牽張、剪切應力、滲透壓和花生四烯酸代謝產物的調節。機械牽張或壓力會激活細胞膜上的TRPV4,從而介導Ca2+內流,使胞質[Ca2+]i濃度增高,進而影響基因表達、細胞形態和細胞骨架構建[1-2,4-5]。

1 TRPV4在眼組織中的表達與功能

隨著對TRPV家族的深入研究,TRPV4在角膜、晶狀體、睫狀體、小梁網和視網膜中均有功能性表達[6],結合其通過引起Ca2+通道開放而參與各種生理病理過程的特點,已成為很多眼科生理及病理發生發展機制的研究對象。

1.1TRPV4在角膜上皮中的表達與功能角膜上皮層由覆蓋在眼球最表面的復層上皮細胞組成,起著屏障和保護角膜免受環境危害的功能。緊密連接是維持角膜上皮屏障功能的基礎。研究發現TRPV4在兔角膜上皮細胞系中的功能性表達對緊密連接的正確建立非常重要,它于細胞分化末期高表達于角膜上皮最外層,參與調節緊密連接屏障功能的建立;同時,TRPV4也是表皮生長因子(epidermal growth factor, EGF)對緊密連接的調節作用所必需的[7]。Lapajne等[8]發現小鼠上皮細胞均有TRPV家族基因的功能性表達,以TRPV4為主,接著是TRPV2和TRPV3,TRPV1的表達量最少。其中,TRPV4通過滲透敏感和熱敏引起陽離子內流,促進半通道依賴的ATP釋放,這種TRPV4-半通道-ATP信號軸可能是調節過度機械性、滲透性和化學性刺激引起的角膜疼痛的通道。Sun等[9]在大鼠急性高眼壓模型中發現TRPV4可能通過TRPV4-ATP-P2X2通路影響角膜ATP濃度。TRPV4還是參與滲透壓調節的重要離子通道,在容積控制的背景下,其在角膜上皮細胞中的功能已被研究。Pan等[10]用siRNA敲低TRPV4后,發現細胞調節性容積減少(regulatory volume decrease,RVD)的活性被抑制,表明TRPV4在調節角膜上皮內滲透壓方面發揮重要作用。此外,TRPV4還參與了角膜上皮損傷修復過程,炎癥因子大量釋放是角膜損傷后引起纖維化的重要機制之一,Okada等[11]采用小鼠角膜燒傷模型,發現抑制TRPV4后可減輕纖維化;相反,他們還發現在受損的三叉神經中插入TRPV4基因可以通過上調神經生長因子(nerve growth factor, NGF)促進角膜上皮的愈合[12]。綜上所述,TRPV4在維持角膜上皮穩態及損傷修復方面發揮復雜的功能。

1.2TRPV4在角膜內皮中的表達與功能角膜內皮層位于角膜最內層,是由六邊形細胞組成的單層結構,通過機械屏障及離子泵功能,起著維持角膜正常厚度和透明度的重要作用。關于角膜內皮細胞是如何將液體從角膜基質驅動到前房仍然是一個懸而未決的問題。研究表明滲透壓梯度、細胞膜電阻以及溫度所引起的細胞Ca2+濃度變化是維持角膜透明的主要原因。2011年,Mergler等率先報道了TRPV4在人角膜內皮細胞系(HCEC-12)中存在功能性表達并作為熱敏和滲透敏感性蛋白,在低滲和中等熱度(<40 ℃)條件下可引起Ca2+向細胞內轉移,并與水通道蛋白1(aquaporin 1, AQP1)或水通道蛋白4(AQP4)形成復合體發揮RVD活性[13-14]。與此同時,TRPV4還影響角膜內皮細胞的活性及存活率。TRPV4表達的上調會損害維持角膜穩態的結構和功能特性,具體表現為結構完整性的改變,并且增加藥物對細胞活力喪失的敏感性[15]。研究表明,TRPV4通過其他可能涉及Na+/K+-ATP酶β-1轉運亞基(ATP1B1)的機制調節細胞凋亡,這種活性離子轉運介體被認為是Fuchs內皮營養不良(fuchs endothelial cell dystrophy, FECD)的靶位點之一,但FECD中內皮細胞的退變是否僅僅是由于ATP1B1的功能受損或與TRPV4的相互作用,有待進一步研究[16]。研究證實,TRPV4可通過下調PI3K/AKT信號通路并上調p38 MAPK信號通路來降低Bcl2/Bax比值,從而引起神經細胞的凋亡,但這是否使其致角膜內皮細胞凋亡的機制,仍需進一步研究[17]。

角膜內皮還受到機械力的作用,包括房水所產生的靜水壓力(hydrostatic pressure)和房水流體動力學繼發的流體剪應力(hydrokinetic shear stress pressure)。關于機械力如何影響角膜內皮的完整性及其屏障功能知之甚少。Thériault等[18]通過將人角膜、組織工程角膜以及無內皮的人角膜分別組裝在特殊設計的具有一定生理壓力和模擬人眼房水流動速率的裝置中發現角膜水腫和膠原纖維之間的間隙均有下降,說明房水壓力動力對角膜內皮細胞連接完整性至關重要。眾所周知,細胞通過對壓力的反應,啟動細胞骨架的結構變化,將機械信號轉化為化學信號。其中液壓,已被證明可以影響細胞骨架和肌動蛋白聚合[19]。TRPV4是一種對機械力非常敏感的離子通道蛋白,這種敏感性依賴于其與多種細胞和組織中纖毛的結合相關,如在輸卵管細胞、間充質干細胞和氣道上皮細胞中參與纖毛搏動頻率與機械傳導。在脊椎動物和(發育中)哺乳動物角膜內皮細胞中也發現了一種初級纖毛,其不僅可隨著環境或壓力的變化表現為突起或回縮,還可感知房水中離子組成及靜水壓,被推測在機械損傷后角膜內皮損傷修復中發揮作用[20-22]。靜水壓升高可激活血管內皮上的TRPV4引起Ca2+內流,導致血管通透性增加,而阻斷TRPV4可更好地保留內皮完整性已在心、肺、胰等靜脈高壓中證實[5,23-24]。TRPV4介導的“力-化學信號”轉導是否是通過Ca2+內流調控細胞骨架結構,從而調節內皮細胞的屏障功能,這一問題有待進一步研究。

1.3TRPV4在晶狀體中的表達與功能晶狀體借懸韌帶固定于后房中,房水的成分及其滲透壓的穩定性對維持晶狀體的正常代謝發揮重要作用。近年的研究表明,TRPV4不僅表達于晶狀體上皮細胞中[25],在晶狀體纖維細胞中同樣有其表達[26]。Nakazawa等[26]對TRPV1和TRPV4在成年小鼠晶狀體中表達和空間定位進行了探究,研究發現TRPV1和TRPV4在晶狀體上皮、外皮質和核中均有表達,但在亞細胞水平略有不同,在上皮和外皮質中,TRPV1和TRPV4定位于細胞質中,而在晶狀體核中,主要定位于纖維細胞膜上。

TRPV4在晶狀體內的主要功能是感知機械和滲透壓的變化。在細胞體積調節方面,當晶狀體暴露于低滲環境并發生腫脹時,可通過激活TRPV4,啟動信號級聯,增加Na+/K+-ATP酶的活性,產生調節體積減少,恢復晶狀體體積[27]。相反,高滲性晶狀體收縮則通過激活TRPV1使NKCC1磷酸化,從而增加其活性并產生調節容積增加,使晶狀體容積恢復到正常水平[28]。Gao等[29-30]發現在晶狀體核與表面細胞之間存在著很大的靜水壓力梯度,這是水可以通過縫隙連接流出的基礎。這種壓力梯度受到一種雙重反饋途徑的嚴格調控,即利用TRPV1和TRPV4分別感知靜水壓力的下降或上升。當細胞受到正壓力和刺激時,通過激活TRPV4進一步增加Na+/K+-ATP酶的活性;反之,則通過TRPV1抑制Na+/K+-ATP酶的活性,這種雙向調控是維持晶狀體透明和光學特性所必需的。

1.4TRPV4在睫狀體中的表達與功能睫狀體是葡萄膜的中間結構,前接虹膜根部,后以鋸齒緣為界移行為脈絡膜,主要包括無色素上皮、色素上皮、基質、睫狀肌和睫狀體上腔5個部分,主要負責房水的分泌和排出。研究表明,TRPV4在無色素上皮細胞中有功能性表達,它負責感知滲透壓變化,當無色素上皮細胞水腫產生低滲效應時,PLA2途徑釋放花生四烯酸及其衍生物可間接激活TRPV4介導的Ca2+內流,最終介導房水生成增多[31]。褪黑素在調節晝夜節律、凋亡和氧化應激的病理生理過程中發揮著重要作用,近年研究也發現其在近視、青光眼及視網膜病變中具有潛在保護和治療作用[32]。Alkozi等[33]發現TRPV4參與睫狀體無色素上皮細胞分泌褪黑素這一過程,具體為當無色素上皮細胞上的TRPV4激活時,可激活褪黑素合成的兩個關鍵步驟,包括:烷基胺N-乙酰轉移酶(aralkylamine N-acetyltransferase, AANAT)磷酸化增加以及激活鈣調素和鈣調素依賴蛋白激酶Ⅱ。同時,睫狀肌通過調節懸韌帶還可引起晶狀體內靜水壓梯度的變化。當晶狀體懸韌帶完好時,睫狀肌松弛增加了睫狀體與晶狀體之間的距離,導致細胞內靜水壓力下降,并可被抑制TRPV4所阻斷;睫狀體收縮使睫狀體向晶狀體方向移動,引起細胞內靜水壓升高和Akt磷酸化增加,并被TRPV1抑制或PI3K p110a催化亞單位基因缺失所阻斷[34]。

1.5TRPV4在小梁網中的表達與功能小梁網是一種分子篩樣結構,通過調節房水流出阻力維持眼內壓力平衡,但其精確的液流感知機制仍不清楚。很多研究發現在人小梁網組織及Schlemm管中均有TRPV4功能性表達[35-36]。目前研究中關于TRPV4對眼內壓的影響仍有爭議。Ryskamp等[35]發現TRPV4通道是小梁網內機械敏感的Ca2+信號機制的關鍵組成部分,并且TRPV4依賴性細胞骨架重塑調節著小梁網的剛度和房水的流出,無論是系統性給藥還是眼內注射TRPV4拮抗劑均可使青光眼模型小鼠眼壓下降。Patel等[36]的研究表示液流或剪切力可激活小梁網上的TRPV4通道引起Ca2+內流激活內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)從而增加房水流出,敲除小梁網特異性TRPV4基因會導致小鼠眼壓升高,藥理性激活TRPV4通道則可以增加房水的流出從而降低眼壓。Uchida等[37]發現機械刺激可激活TRPV4使小梁網前列腺素釋放增加從而降低眼壓。TRPV4依賴肌醇多磷酸5磷酸酶(inositol polyphosphate 5-phosphatase,OCRL)定位到小梁網初級纖毛以便正確定位和發揮功能。在正常情況下,TRPV4與OCRL相互作用可引起eNOS活性增強從而通過增加壓力依賴性引流來降低眼壓[38]。Yarishkin等[39]發現機械門控的花生四烯酸激活的鉀離子通道-1(mechanogated and arachidonic acid-activated TWIK-related K+1,TREK-1)與TRPV4共同作為小梁網膜電位、壓力敏感性、鈣穩態和跨細胞滲透性的關鍵分子,激活TREK-1可使小梁網內Ca2+濃度增加,但這一過程可被TRPV4拮抗劑所抑制,表明小梁網的張力穩態可能是由平衡的、壓力依賴的TRPV4和TREK-1機械傳感器的激活共同調節。考慮到以上研究的給藥方法、條件和動物年齡不同,目前關于TRPV4通道對小梁網的眼壓調控尚未達成共識。

1.6TRPV4在視網膜視神經中的表達與功能視網膜由神經上皮和色素上皮組成,前界為鋸齒緣,向后止于視盤,負責感知光信號并轉化為電信號最終將神經沖動傳遞至視皮質。TRPV4在視網膜神經節細胞(retinal ganglion cells, RGCs)、Müller細胞、色素上皮以及血管內皮細胞中均有表達,參與調節細胞體積、鈣穩態和存活。

細胞腫脹是引起視網膜神經細胞受損致視力損害的主要原因之一。研究發現,TRPV4是Müller細胞響應滲透變化的敏感因子,細胞腫脹激活PLA2通路,CYP450將花生四烯酸轉化為5,6-EET,進而激活TRPV4通道,隨后引起Ca2+釋放和反應性膠質增生,抑制TRPV4有望成為抑制腫脹和水腫所致中樞神經系統小膠質細胞過度活化的靶點[40-41]。此外,TRPV4和介導血視網膜和血腦屏障液體交換的AQP4通道協同調控視網膜Müller細胞的體積和鈣穩態,TRPV4依賴的Ca2+釋放會激活AQP4基因表達[42]。Toft-Bertelsen等[43]還發現TRPV4本身是一個容積傳感器,當細胞腫脹時可以通過膜拉伸直接激活,這種腫脹直接激活不是以PLA2活性、細胞骨架重塑和激酶活性(PKA、PKC、PKG)的方式發生的,而是以由其N端決定,其中體積變化的傳感器至少部分位于最遠端。在小鼠視網膜脫離模型中,Müller細胞腫脹會激活TRPV4依賴性Ca2+內流促使Müller細胞釋放細胞因子MCP-1致光感受器細胞凋亡,這提示抑制TRPV4可能保護視網膜脫離患者的視力[44]。

血-視網膜屏障(blood-retinal barrier, BRB)的破壞,會導致血管源性水腫和神經組織損傷,最終引起視力喪失。視網膜內皮細胞(retinal endothelial cells, RECs)是維持正常BRB的重要組分之一。研究發現,TRPV1和TRPV4在視網膜內皮細胞上功能性表達,體內及體外實驗均證明特異性的抑制或下敲TRPV4可顯著抑制內皮細胞的成管及遷移能力,這兩種能力是血管生成的關鍵步驟。在氧誘導視網膜病變(oxygen-induced retinopathy, OIR)小鼠模型中,抑制TRPV1或TRPV4任一通道均可減少視網膜新生血管形成并促進缺血的視網膜生理性再血管化[45-47]。以上這些結果表明TRPV1以及TRPV4是視網膜血管新生的調節因子,靶向這些通道可以為抑制視網膜中的病理性血管生成提供新的治療策略,可能成為抗VEGF方法的替代或補充;同時,阻斷這些通道能增強缺血視網膜的生理性血運重建,這在利用這些靶點進行治療方面特別有利。RECs損傷致BRB通透性增加是糖尿病視網膜病變的機制之一。研究發現,在BRB的內皮和視網膜色素上皮中均有TRPV4表達,使用其選擇性拮抗劑GSK2193874可以減輕糖尿病大鼠BRB的破壞;同時,研究者利用人視網膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)單層細胞和內皮細胞系統,進一步發現:GSK2193874在糖尿病和高血糖模擬條件下似乎不參與血管抑制素對RPE所形成外屏障通透性的調節,但血管抑制素可以阻斷TRPV4并維持內皮細胞所形成內屏障通透性。這一結果提示選擇性TRPV4拮抗劑和血管抑制素的協同聯合可以減輕糖尿病引起的BRB的破壞[48-50]。

TRPV4在RGCs、內外叢狀層和雙極細胞中均有表達。功能上,TRPV4通過調節Ca2+內流調節RGCs放電速率,TRPV4的持續激活會導致RGCs凋亡,抑制TRPV4可增加RGCs存活,故TRPV4可能是減輕青光眼性視力損害的潛在靶點[24,51-53]。

2展望

作為一種機體廣泛表達的離子通道蛋白,TRPV4在呼吸、循環、神經、消化和泌尿等多系統多細胞病理模型中發揮著重要作用。TRPV4離子通道蛋白幾乎在眼部所有組織中均有功能性表達,通過感知溫度、滲透壓、剪切應力等變化影響眼部各種復雜生理病理過程,如:在角膜通透性、疼痛和損傷修復;晶狀體調節和白內障;房水產生、流出和青光眼;視網膜水腫調節、血管生成和屏障失調;炎癥;神經退行性變等。雖然在眼科疾病相關領域TRPV4的研究取得了一些進展,但仍相對處于起步階段,隨著對TRPV4在眼科疾病發生發展中作用的認識不斷深入,無論是在視網膜病變、青光眼、白內障還是角膜及眼表疾病領域,TRPV4有望成為眼病治療的新興靶點,為眼病的診斷與預后提供新思路。