肺水通道蛋白与肺内液体平衡

2021
06/25

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古麻今醉
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吕钦 杨堃

昆明医科大学第一附属医院麻醉科 650032

国际麻醉学与复苏杂志,2021,42(05):553-556.

DOI:10.3760/cma.j.cn321761-20191219‑00294

 基金项目 

国家自然科学基金(81560320);

云南省高层次卫生计生技术人才培养基金(H‑201647)


REVIEW ARTICLES

【综述】

水,对于细胞的运行、生命的维系有着不可或缺的作用。20世纪80年代以前,人们一直认为水是通过简单扩散的方式穿梭于细胞内外,由膜两侧的渗透压驱动产生被动转运。如今,由于水通道蛋白(aquaporin, AQP)的发现,学者们对水在细胞膜上的运动规律有了正确的认识:水可以被AQP主动转运。我们知道,肺泡上皮细胞与毛细血管内皮细胞之间的“气血屏障”是气体交换的重要场所,该结构内的液体平衡对肺的气体交换和疾病演变有着极其重要的影响。因此,研究AQP在肺中的作用成为揭示肺内液体平衡的重要课题,本文就此方面进行综述。


 

1 肺AQP的结构、分布及生物学功能

     

1.1 AQP的结构

AQP是一类与水的跨膜转运有关、专一转运水的细胞膜蛋白。该蛋白首先由美国科学家彼得·阿格雷于1988年在研究红细胞膜结构时无意中发现 ,并于2003年获得诺贝尔化学奖。AQP1是第一个被发现的AQP,其相对分子质量为28×103,基因定位于人染色体7p14,由6个跨膜的螺旋段和2个不跨膜的短螺旋段组成,每4个AQP1单体在细胞膜上形成一个稳定的四聚体,形状似一个“沙漏”模型 。每个AQP1单体都是一个独立的功能单位,而构成的四聚体中间又形成第5个独立的水孔隙通道 。无论是单体,还是孔隙通道都可通过极性与偶极力帮助水分子以适当的角度通过,从而起到选择性转运水的作用。


1.2 肺AQP的分布

到目前为止,AQP家族在哺乳动物中已经发现13种(AQP0~AQP12),按照转运特性分为三大类。第一类是传统的AQP(0、1、2、4、5、6、8),只允许水分子通过;第二类被称为水‑甘油通道蛋白AQP(3、7、9、10),可允许水分子和其他小溶质分子通过;第三类为最近新发现的AQP(11、12),它们的生物学功能还有待研究。


AQP在人体组织中都有不同类型的表达,如在肺组织中,使用原位杂交和免疫荧光定位发现:AQP1主要分布于支气管周围血管床、脏层胸膜以及淋巴管;AQP3主要分布于气道上皮细胞表层和腺泡的基底细胞膜;AQP4主要分布于纤毛管基底侧细胞膜和腺体细胞基底侧细胞膜;AQP5主要分布于肺泡上皮Ⅰ型细胞、Ⅱ型细胞、呼吸道黏膜下腺泡细胞以及呼吸道柱状上皮细胞;AQP8主要分布于气管、支气管的腺体细胞。据统计,AQP1在肺组织各部位表达量各不相同,在毛细血管内皮表达最为强烈,肺泡表达稍弱于毛细血管内皮 。AQP5主要表达于肺泡Ⅱ型上皮细胞的顶膜面及Ⅰ型上皮细胞的腔膜面和基侧膜面。


1.3 肺AQP的生物学功能

1.3.1 水的转运

对水分子的主动转运是AQP的主要功能,也是其命名的主要依据。该功能是由其分子结构决定,其中最重要的是在细胞膜上形成的跨膜性孔隙结构,此孔隙结构即为转运水的通道。这些通道在一些含水量高且液体变化快的器官中起至关重要的作用。例如,在肺组织中,水分子在毛细血管内皮细胞与肺泡上皮细胞间的跨细胞流动与AQP5和AQP1有密切关系,而这些水的运动对于气道水化、有效的气道防御以及过量肺泡液的再吸收起着必不可少的作用 。在肾组织中,水的重吸收可由近端小管上皮细胞顶膜中的AQP1和肾集合管上皮细胞中的AQP2进行 。在脑组织中,星形胶质细胞质膜上高度表达的AQP4在血脑屏障的水交换中发挥重要作用 。在唾液腺中,腺体细胞膜上的AQP3和AQP5是形成唾液(即跨细胞水流转运)的重要环节 。


1.3.2 细胞迁移

AQP除了能促进水的转运之外,还能促进肿瘤细胞的迁移和发展。肿瘤细胞经转染AQP1后,迁移能力提高2~3倍 。AQP5的过度表达可导致癌细胞经表皮生长因子受体、细胞外信号调节激酶(extracellular signal‑regulated kinase, ERK)1/2和p38促分裂原活化蛋白激酶(mitogen‑activated protein kinase, MAPK)转移的途径活化增强 ,其机制可能是激活相关信号通路 。


1.3.3 脂质代谢

一些被称为“水‑甘油蛋白通道”的AQP能转运甘油等小分子结构,在皮肤、脂肪、肝等组织中起脂质代谢的作用 。其中,AQP7被证实能促进脂肪细胞释放甘油,还有一些AQP,如AQP3、AQP9、AQP10和最近发现的AQP11,也有助于脂肪库的甘油流出 。


 

2 AQP与肺内液体平衡

     

2.1 正常肺组织

在正常肺组织中,气道水化、黏膜分泌物和肺泡液的生成都与气道上皮细胞膜和内皮细胞膜的透水性有关,这些都依赖于AQP对水的选择性运输作用。20世纪80年代以前,学者们一直认为水通过肺泡上皮细胞是依靠毛细血管静水压和气血屏障的通透性,直到AQP的发现,研究人员才证实水可以被其主动转运。美国加州大学心血管研究所Verkman实验室发现,在AQP1或AQP5基因缺失小鼠的肺组织中,肺泡毛细血管间的水通透性下降90% ,而AQP1基因均敲除的小鼠,其胸膜腔的水通透性降低40% ,说明AQP对肺组织中液体平衡调节有重要作用。


2.2 肺损伤

既往认为,肺损伤后血管内皮细胞膜通透性的改变和毛细血管静水压的升高是肺水肿形成的主要原因。然而,随着相关研究的深入,发现水的异常跨膜转运以及清除障碍在急性肺损伤的发生、发展中起到至关重要的作用,并且无论肺损伤程度如何,都存在AQP表达的下降或活性降低。在肺挫伤组织中发现,AQP1表达下降会阻碍肺间质水肿组织内的液体重吸收,从而导致肺泡、肺间质和毛细血管之间大量的液体积聚,引发或加重肺水肿 。而AQP1的表达也随着肺水肿的逐渐减轻而逐步增强 。因此,AQP1的表达水平与肺水肿的严重程度密切相关。


 

3 肺AQP的调节

     

3.1 正向调节

近年来,许多研究发现,一些药物及方法可促进肺AQP的表达上调。其机制各不相同,但多与抑制炎性因子有关。


3.1.1 右美托咪定(dexmedetomidine, Dex)

Dex是一种高选择性α2肾上腺素能受体激动剂,发挥镇静、镇痛、抗焦虑、抑制交感神经兴奋及器官保护等作用 。近年来发现,Dex能通过增加AQP1和AQP5的表达来缓解急性肺损伤和高氧引起的肺水肿 。此外,Dex对肺泡液清除率有一定影响,通过增加钠通道的表达和抑制ERK1/2通路促进AQP的表达 。其还能降低MAPK3/4/6、ERK1/2、p38 MAPK和应激活化蛋白激酶的磷酸化,减少转录因子(ETS样蛋白1、C‑Jun和激活转录因子‑2)的表达来减轻炎症反应 。其中,通过抑制p38 MAPK信号通路介导的抗炎路径是影响AQP表达的主要路径 。虽然许多研究证明Dex具有正向调控AQP表达的作用,但其潜在机制尚未完全阐明,仍需进一步研究。


3.1.2 乌司他丁

乌司他丁是一种蛋白酶抑制剂,能够抑制胰蛋白酶、磷脂酶A2等多种水解酶活性,产生抑制炎症反应和清除氧自由基的作用。有研究发现,乌司他丁可降低术中单肺通气和急性肺损伤时血液炎性因子的浓度和促进AQP的表达,从而对肺组织起到保护作用,且呈剂量相关性 。


3.1.3 其他因素

胸段硬膜外阻滞不仅可以改善心力衰竭兔的血流动力学参数,降低心房利钠肽、血清内皮素‑1的水平,而且能部分纠正肺组织AQP4 mRNA的异常表达 。全氟化碳能降低再灌注损伤大鼠血TNF‑α浓度、增加肺AQP1和钠通道蛋白的表达,减轻肺水肿及炎症反应 。上述对AQP的影响及其详细机制尚待研究。


3.2 负向调节

有研究发现,一些因素对AQP有负向调节作用(即表达下降),如内毒素、金黄色葡萄球菌α毒素、放射性照射及汞等。当肾髓质上皮细胞受到内毒素损害时,AQP2表达下降,且随着作用时间的延长呈逐渐降低的趋势 。金黄色葡萄球菌α毒素能抑制小鼠肺微血管内皮细胞AQP1表达,其机制可能与爆发性炎症反应有关 。另外,放射性照射可以引起肺毒性,导致放射性肺炎或纤维化,引起AQP的表达下降,但其发病机制尚不清楚 。汞能与AQP的Cys183结合并封闭孔隙,也可以与其肽链上的半胱氨酸结合,阻塞水通道,从而抑制AQP的表达 。


 

4 展 望

     

综上所述,AQP的发现不仅改变了人们对水分子运输的传统观念,更重要的是揭示了各器官组织中水的运动规律、细胞迁移的成因及疾病演变的奥秘,特别是为肺相关疾病的发生、发展提供良好的评价指标和诊断依据。肺AQP(尤其是AQP1、AQP4、AQP5)的表达与肺内液体平衡密切相关,其中AQP1和AQP5是肺损伤的重要标记物,它们对肺水清除功能的发现为临床治疗肺损伤、肺水肿提供了良好思路。然而,能否通过使用促进肺AQP表达的药物,或应用肺AQP激动剂或阻断剂来减轻或预防肺水肿及肺损伤均有待深入研究。目前,肺AQP的绝大多数研究仍局限于动物实验,相关临床应用报道较少,这是未来研究中需要关注的重点。



主管:中华人民共和国

          国家卫生健康委员会

主办:中华医学会   徐州医科大学

ISSN:1673-4378   CN: 32-1761/R



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关键词:
AQP1,毛细血管,肺水肿,细胞膜,肺水,蛋白,液体

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