李藝萱，劉晉萍

機(jī)體內(nèi)環(huán)境維持高度依賴水在全身的分布、酸堿平衡和電解質(zhì)水平。 近年來，水通道蛋白（aquaporins，AQPs）在機(jī)體水平衡過程中的作用已成為一個(gè)倍受關(guān)注的領(lǐng)域。 AQPs 是跨細(xì)胞和跨上皮水運(yùn)動起主要作用的蛋白，對水的跨膜運(yùn)輸和調(diào)控有重要作用。 體外循環(huán)（extracorporeal circulation， ECC）是一種非生理循環(huán)，期間由于手術(shù)創(chuàng)傷、管路刺激、低溫、主動脈阻斷、心臟停跳和復(fù)跳、輸血等操作引起的機(jī)體強(qiáng)烈炎癥反應(yīng)、缺血缺氧再灌注損傷以及血流動力學(xué)改變等不良后果，很容易打破體內(nèi)水平衡狀態(tài)。 研究ECC 期間各系統(tǒng)AQPs 的變化規(guī)律，可為ECC 期間體液失衡不良反應(yīng)現(xiàn)象提供理論依據(jù)， 指導(dǎo)臨床更好的調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)環(huán)境的水穩(wěn)態(tài)， 提高圍術(shù)期對液體平衡的管理，達(dá)到更好的預(yù)后。

1 水通道蛋白的概述

目前哺乳動物質(zhì)膜上發(fā)現(xiàn)13 種的AQPs 介導(dǎo)水跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)，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(gè)水孔和六個(gè)跨膜α-螺旋結(jié)構(gòu)域，能選擇性允許水或部分不帶電荷揮發(fā)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(jìn)行單一水滲透稱為經(jīng)典AQPs，包括AQP0、AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6和AQP8；第二類轉(zhuǎn)運(yùn)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(guān)AQPs，僅AQP11、AQP12 兩種，稱“超水AQPs”或“非正統(tǒng)AQPs”［4］。

2 AQPs 對機(jī)體重要臟器的影響

2.1 對心血管系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)中，在缺血、缺氧和停搏液條件下導(dǎo)致心肌組織含水量增加，同時(shí)發(fā)現(xiàn)AQP1 和AQP4表達(dá)均增加，可能是由于microRNA-214 下調(diào)起作用。 心臟手術(shù)還會導(dǎo)致術(shù)后心肌頓抑和心肌水腫，即使在間質(zhì)區(qū)域少量水分增加也會導(dǎo)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(guān)。 ECC術(shù)后約2 h 心臟AQP4 基因表達(dá)增加，心肌水腫程度達(dá)到峰值［6］。 同時(shí)研究表明AQP1 和AQP4 可能對年齡相關(guān)性高血壓的發(fā)展和心臟缺血的趨勢有重要預(yù)測作用。 ECC 產(chǎn)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(xì)血管膜，更易發(fā)生普遍的水腫和毛細(xì)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(hù)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(hù)的有效靶點(diǎn)［8］。 研究發(fā)現(xiàn)富氫溶液抑制AQP1 表達(dá)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(dá)，減少ECC 手術(shù)期間的心肌水腫［9］。

2.2 對呼吸系統(tǒng)的影響 氣道和肺的表面廣泛存在各類AQPs 促進(jìn)水的選擇性和快速雙向運(yùn)動。AQP1 主要在微血管內(nèi)皮中表達(dá)，AQP4 在氣道上皮中表達(dá)，AQP5 廣泛在肺泡上皮表達(dá)，AQP3 在呼吸道及基底膜中表達(dá)，AQP8 和AQP9 在肺組織中也有表達(dá)，但其具體細(xì)胞定位還不清楚［10］。 機(jī)械通氣的潮氣量和暴露時(shí)間將會影響AQPs 的表達(dá)，高潮氣量可誘發(fā)加重肺水腫，AQP1 和AQP5 均在高潮氣量條件下表達(dá)降低且隨著機(jī)械通氣暴露時(shí)間的延長而增加［11-12］。 在ECC 條件下激活炎癥細(xì)胞、加速釋放的炎性因子，打破了AQPs 控制支氣管擴(kuò)張的釋放和支氣管收縮的去除液體分泌的平衡，誘導(dǎo)急性肺損傷出現(xiàn)明顯的水腫［13］。 ECC 低溫刺激細(xì)胞因子的釋放更明顯，有著更廣泛的內(nèi)皮損傷和內(nèi)皮激活，由于上游促炎細(xì)胞因子腫瘤壞死因子-α 的信號作用，AQP5 表達(dá)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(xì)胞表面AQP4 及AQP5 可發(fā)現(xiàn)細(xì)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(chǎn)生過度快速氣道反應(yīng)［16］。 AQP1 和AQP5表達(dá)的上調(diào)明顯有助于ECC 術(shù)中氧氣和紅細(xì)胞攜氧的調(diào)控，促進(jìn)氧氣通過血?dú)馄琳?，緩解肺部炎癥，減弱油酸或脂多糖誘導(dǎo)的肺損傷［17］。

2.3 對泌尿系統(tǒng)的影響 大量的研究表明AQPs

對尿濃度和體液穩(wěn)態(tài)很重要，AQP1 在近端小管、降細(xì)支和降直血管細(xì)胞中表達(dá)，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(xì)胞的頂膜和胞內(nèi)小泡中表達(dá)，AQP2 的頂膜表達(dá)受抗利尿激素精氨酸加壓素調(diào)節(jié)［18］。 而ECC 過程中微環(huán)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(zhuǎn)運(yùn)。 大量的膠體預(yù)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(xiàn)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(nèi)轉(zhuǎn)移到腎集合管的頂膜誘導(dǎo)AQP2 表達(dá)［19］。當(dāng)體液環(huán)境處于極端酸堿平衡失調(diào)時(shí)，AQP6 表達(dá)會在長期碳酸氫鹽堿性溶液環(huán)境培養(yǎng)的大鼠體內(nèi)顯著上調(diào)，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(dá)增加，血管加壓素與受體的結(jié)合親和力降低。 此外，尿堿化與尿外體AQP2 排泄量增加有關(guān)，而尿外體排泄量增加與血管加壓素刺激無關(guān)［21］。 ECC 過程中的血流控制和血液保護(hù)最大限度的保持紅細(xì)胞的穩(wěn)定，除了分子氧外，一氧化氮通常也會與血紅蛋白結(jié)合并起反應(yīng)，血液中一氧化氮是動靜脈血液中由一氧化氮合酶介導(dǎo)生成的內(nèi)皮衍生松弛因子，調(diào)節(jié)血管緊張度和體液穩(wěn)態(tài)，在腎臟中影響內(nèi)皮細(xì)胞和球旁器官，保護(hù)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(shí)驗(yàn)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(guān)肽而刺激主細(xì)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(shí)現(xiàn)的［23-24］。

2.4 對神經(jīng)系統(tǒng)的影響 AQP4 在面向腦血管和軟腦膜的星形膠質(zhì)細(xì)胞末端大量表達(dá)，其表達(dá)水平和亞細(xì)胞定位顯著影響腦水轉(zhuǎn)運(yùn)。 AQP4 被認(rèn)為與早期腦水腫形成過程中腦血流量減少有關(guān)，在磁共振圖像上的信號強(qiáng)度以及區(qū)域變化中觀察到AQP4 參與腦缺氧缺血早期的細(xì)胞腫脹和腦水腫。 研究發(fā)現(xiàn)短時(shí)間的ECC 大腦左右兩側(cè)受干擾程度基本相同，結(jié)束后逐漸恢復(fù)正常，ECC 以及主動脈阻斷時(shí)間越長，導(dǎo)致水腫程度越大，也愈加發(fā)展成為不可逆水腫，并且這種反應(yīng)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(xì)胞毒性水腫和加劇細(xì)胞腫脹中起有害作用［26］。 對敲除腦AQP4 的小鼠發(fā)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(dú)立于AQP4 進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)，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(shí)增加AQP4 的功能可以加快水腫消除［27］。 AQPs 表達(dá)上調(diào)劑的使用將增強(qiáng)細(xì)胞外水腫液體的吸收，與皮質(zhì)類固醇聯(lián)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(guān)的水腫。 但是在乳酸導(dǎo)致培養(yǎng)的大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞腫脹模型中發(fā)現(xiàn)，AQP4的表達(dá)在星形膠質(zhì)細(xì)胞細(xì)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(yīng)的活躍致使AQP4 在腦水腫的發(fā)展產(chǎn)生不利作用。 有研究發(fā)現(xiàn)，例如缺氧誘導(dǎo)因子-1α 等炎性因子會通過涉及AQP4 和基質(zhì)金屬蛋白酶-9 的分子途徑級聯(lián)在腦水腫形成和血腦屏障破壞中起作用，抑制缺氧誘導(dǎo)因子-α 或基質(zhì)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(zhì)細(xì)胞中，敲除定位于星形膠質(zhì)細(xì)胞的血管周圍末端的AQP4 后細(xì)胞體積明顯少于AQP4 高表達(dá)的星形膠質(zhì)細(xì)胞；在復(fù)氧后，表達(dá)AQP4 的細(xì)胞體積在第7天逐漸減少恢復(fù)至對照水平，AQP4 在缺氧缺血和復(fù)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(zhì)細(xì)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(zhì)細(xì)胞腫脹的消退［30-32］。

3 結(jié) 語

AQPs 作為一種機(jī)體水運(yùn)輸調(diào)控的一種方式，具有獨(dú)特的機(jī)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(jī)制。 AQPs 參與多種器官的液體穩(wěn)態(tài)維持，調(diào)控AQPs 可以作為器官水腫或脫水治療的新靶點(diǎn)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(jī)制以及抑制或激活ECC 過程中AQPs 對器官保護(hù)作用還未見更深的研究報(bào)道，這一具體過程仍有待進(jìn)一步的研究。