摘要
神经退行性病症是以神经元的进行性遗失为特点的一类病症，诱因尚不明晰。水通道蛋白4（AQP4）是水通道蛋白家族的成员，对维持脑内水稳态起到重要作用。近些年研究发觉AQP4具有通过类淋巴系统引流脑组织代谢废物、参与物质交换等功能。文中总结了目前AQP4在哮喘病、阿尔茨海默病等神经退行性疾患的发病及进展过程中的作用，并提出未来的研究方向。
神经退行性疾患是一类以神经元的变性遗失及病理蛋白的沉积而造成功能障碍为主要特点的病症，其发病机制尚不明晰，目前觉得可能与病理蛋白的神经毒性以及神经发炎等诱因有关。水通道蛋白4（4，AQP4）是中枢神经系统中最常见的水通道蛋白。近些年研究发觉，AQP4可能在阿尔茨海默病（′s，AD）、帕金森病（′s）等多种神经退行性癌症的病理生理过程中发挥着重要作用。一方面，AQP4作为类淋巴系统（）的组成部份，促使病理蛋白去除；另一方面，AQP4可能也参与神经炎性反应。文中概述了AQP4的结构与功能，及其参与神经退行性疾患发病和进展的可能机制，以期为神经退行性疾患的治疗提供新的方向。
一、AQP4的结构
AQP4的蛋白单体相对分子质量约为30000，包含6个螺旋形跨膜片断和2个较短的部份跨膜螺旋片断，这种片断组成了一个可供单个水份子进出的窄小孔道［1］。依据基因剪接引起的翻译起始点的差别，人类AQP4单体存在2种主要的亚型：以第1个多肽密码子开始的较长的M1-AQP4亚型和从第23个密码子开始翻译的M23-AQP4亚型（图1）。电镜下，AQP4单体在细胞膜上产生稳定的同种四聚体（均由M1-AQP4或M23-AQP4组成）和异种四聚体（由M1-AQP4和M23-AQP4共同组成）。四聚体才能再集聚产生以M23-AQP4为核心的超分子组合体——正交排列颗粒（of，OAP），其外型在冷藏破裂电子显微镜下类似于卵石，大小则取决于M1-AQP4和M23-AQP4的比列［2］。有证据表明，单独抒发的M1-AQP4和含有M1-AQP4的大型OAP才能快速联通到细胞延展方向的质膜上，促使星形胶质细胞迁移，而M23-AQP4通过参与组成小型OAP，才能极化分布在星形胶质细胞终足，与细胞外基质相互作用，将星形胶质细胞锚定在血管周围的基底膜上。星形胶质细胞终足还富含对腹水敏感的Kir4.1钾离子通道等蛋白，AQP4的极化促使细胞才能及时应对质膜内外渗透压以及离子含量的变化。
图1水通道蛋白4（AQP-4）及正交排列颗粒（OAP）结构（本图为作者原创）
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二、AQP4的功能
在中枢神经系统中，AQP4主要在组成血脑屏障的星形胶质细胞终足上抒发，调节脑内水平衡，少部份分布在室管膜细胞上。AQP4对水份子的转运具有不依赖膜电位且无饱和的特点，因而可以使细胞膜对水的渗透性增强数倍至数十倍［3］。这一特点促使AQP4在星形胶质细胞迁移过程中起到重要作用。在神经胶质疤痕产生过程中，AQP4与部分离子通道迅速极化到细胞膜前缘，驱动水份子步入迁移细胞，改变细胞形态，因而加速反应性星形胶质细胞向损伤部位的迁移［4］。
据悉，水份子可以经AQP4流入细胞，通过拉伸细胞膜来激活Kir4.1钾离子通道，促使钾离子内流。AQP4抒发降低才能影响局部细胞膜内外的离子含量以及渗透压，使与其共抒发的Kir4.1钾通道功能增长［5］。等［5］发觉AQP4基因敲除大鼠表现出了肝病诱发阀值的降低、发作持续时间的延长以及外向检波钾通道Kir4.1动力学的衰弱，说明AQP4可能参与脑部激动性的维持与改变。
另一方面，AQP4也被觉得参与了神经炎性反应。Li等［6］的实验结果表明，经内毒素诱导后，AQP4基因敲除大鼠体内中枢神经系统炎性反应更轻，体外培养星形胶质细胞水肿的程度更轻，释放TNF-α和IL-6等促炎细胞因子更少，提示这两个病理过程可能是AQP4依赖性的。并且Chi等［7］发觉AQP4基因敲除哮喘病大鼠中多巴胺神经元遗失更多，小胶质细胞炎性反应更强。AQP4可能也与四肢的炎性反应有关。有研究发觉，AQP4基因敲除大鼠肝脏中CD4+CD25+调节T细胞这一亚群的比列均明显增加，且在实验性内毒素血症中出现免疫功能失调，其腰部过度活跃的免疫反应造成了相比野生型大鼠更高的死亡率［7］。
AQP4与星形胶质细胞的关系促使研究者对它和血脑屏障之间的关系形成了兴趣，但是目前对于AQP4是否有利于维持血脑屏障的完整性与私密性仍存在争议。研究结果表明，血脑屏障的破坏会诱导AQP4的过抒发［8］。Tomαs-等［8］觉得AQP4有利于维持血脑屏障的完整性，但-等［9］在肌萎缩性侧索硬化症的研究中发觉，敲除AQP4才能改善癌症对血脑屏障的破坏。
近些年来类淋巴系统的发觉造成了关注。在类淋巴系统中，AQP4可能通过血管旁途径参与清理脑部代谢废物的过程，维持脑部健康。两者的关系将在下文进一步阐明。
三、类淋巴系统与AQP4
2012年，Iliff等［10］观察到，相比注入脑室的萤光示踪剂，注入蛛网膜下腔的萤光示踪剂步入脑实质的速率显著更快，进一步研究发觉，蛛网膜下腔内的脑脊液才能顺着星形细胞胶质细胞终足包绕小动脉产生的血管周围间隙（space，PVS）弥漫地流入脑实质，而脑间质液体则顺着小静脉旁的PVS去除，这提示脑部中可能存在与淋巴系统功能类似的结构。这一结构被称为类淋巴系统或脑胶质淋巴系统，这些液体清理的途径被称为血管旁途径。类淋巴系统的驱动力主要来自脉络丛形成脑脊液的压力、动脉的搏动与迎合性、血管的舒缩运动以及呼吸运动［11,12］。脑脊液由第三、四脑室内侧的脉络丛分泌，从脑室流入蛛网膜下腔内的PVS，被动脉搏动和血管的舒缩运动共同推进，与间质液体通过AQP4对流，进而流入脑实质，带走脑间质可溶代谢废物后座入毛细血管后小静脉旁的PVS，最后沿静脉系统排出［10］（图2）。
图2血管周围间隙类淋巴系统液体交换示意图（本图为作者原创）
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对类淋巴系统的了解促使对其功能调节的研究成为可能。分布在星形胶质细胞终足上的AQP4是这一液体交换系统的重要通道蛋白。多项独立研究证明，类淋巴系统的功能是AQP4依赖性的。AQP4基因敲除大鼠中脑脊液对流明显减弱，β-淀粉样蛋白（β，Aβ）去除率增长65%，衰老大鼠中AQP4的降解也促使流入类淋巴系统的液体减低［12］。据悉，PVS的容积也影响着引流量。研究结果表明，睡眠状态下，大鼠脑内PVS的空间降低60%，类淋巴系统液体对流交换推进，并在俯卧位下最为显著，可能与变化的脑部压有关［13］。
在此基础上，一些学者进一步对影响类淋巴系统的干预举措展开探究。已有结果表明，多巴胺通过兴奋肾上腺素受体可使动脉搏动降低60%，多巴酚丁胺还能降低小血管平滑肌的搏动作用，推动脑脊液泵入PVS，促使PVS内液体的交换［11］。一些抑制去甲肾上腺素功能的麻醉剂如右旋美托咪定可以改变觉醒状态，明显降低类淋巴系统的运输功能［14］。
四、神经退行性疾患中的AQP4
（一）AD
AD是最常见的神经退行性疾患，其特点是进行性的认知功能亢进和Aβ在脑实质中的沉积。Iliff等［10］在2012年就观察到AQP4抒发上调的大鼠脑内Aβ去除率升高，从而引起沉积降低，表明AQP4在类淋巴系统的引流功能中起着重要作用。
众所周知，Aβ沉积产生的老年斑会诱导星形胶质细胞和小胶质细胞的反应性炎症和激活，影响癌症进展。AD病人的尸检研究［15,16,17］发觉，AD病人脑中AQP4的总体抒发降低，分布与Aβ阴性老年斑相对应，呈斑块样［16,17］，且观察到了大口径PVS（>6μm）的增多［15］。另一项研究发觉，AQP4在血管周围的分布显著增长，且较大的增长程度与更高的年纪、较多的Aβ沉积与更高的Braak病理分期有关［18］。
尸检一般反映癌症的终末期，并且从癌症早期开始的连续变化也值得关注。淀粉样前体蛋白/早老素-1（/-1，APP/PS1）转基因大鼠研究结果表明，类淋巴系统转运的降低在AD发作初期、广泛Aβ沉积之前就已出现［19］。Yang等［20］使用tg-大鼠模型对老年斑与星形细胞终足之间的空间关系进行了3D重建细胞膜水通道，发觉在斑块产生的初期，AQP4的整体抒发下调，AQP4发生去极化，即从斑块周围的终足结构域重新分布到星形胶质细胞的胞体。由此可以推测，Aβ可能通过引起斑块周围的星形胶质细胞上AQP4极性分布的改变，进而降低类淋巴系统的引流，而类淋巴系统清理功能的增长可能是Aβ大量沉积的诱因之一。
也有研究者发觉，AQP4基因敲除AD大鼠的星形胶质细胞迁移能力损坏，胶质细胞不能有效向斑块募集，并从细胞迁移的角度提出AQP4缺位大鼠脑内Aβ沉积降低的假说：AQP4缺位减弱了星形胶质细胞胞体的迁移能力，不利于在斑块周围与小胶质细胞共同产生神经胶质网，将斑块与周围组织隔离，制止Aβ的进一步扩散和病理的进展［21］。
关于AQP4与认知之间的相关性也值得进一步研究。植物实验发觉AQP4基因敲除APP/PS1大鼠的认知功能障碍相比野生型愈发严重［22］。人群研究中，目前已有2个独立的遗传学研究分别报导了6个影响AD病人认知衰退率的AQP4单碱基多态性位点［23］以及9个与睡眠相关的AQP4单碱基多态性位点［24］。但与AD组织病理学相关的位点并未在两项研究中发觉［23］。
医治策略上，的团队［25］借助血清高渗性对于类淋巴系统的增益作用，向APP/PS1大鼠先后胸腔注射高渗液体以及递送Aβ抗原。结果观察到抗原在脑内的整体分布及与斑块的结合明显降低，提示了基于单克隆抗原医治中枢神经系统疾患疗法的新思路。
（二）哮喘病
哮喘病是第二大常见的神经退行性疾患，主要病理特点是中脑黑质中多巴胺能神经元的进行性遗失、星形胶质细胞的死亡和小胶质细胞的明显降低，伴随着存活神经元内α-突触核蛋白的积累和路易小体的产生。
一项哮喘病病人肺部标本的研究观察到，哮喘病病人皮质中AQP4的分布明显降低，但与α-突触核蛋白呈负相关，这一联系在脑部皮质的Ⅴ~Ⅵ层更为明显［26］。Prydz等［27］发觉，AQP4基因敲除大鼠对于1-苯基-4-羟基-1，2，3，6-四氢呋喃（1--4--1，2，3，6-，MPTP）诱导的神经毒性更为敏感，哮喘病大鼠黑质中血管周围AQP4的密度低于新皮质70%，且在一定范围内随着MPTP药量的降低而降低。在中脑水平，AQP4基因敲除大鼠的内源性α-突触核蛋白的沉积较野生型明显增多［28］。那些研究结果提示AQP4可能参与到哮喘病的病理生理过程中，且与α-突触核蛋白存在相关性。因为目前还没有发觉α-突触核蛋白可以通过类淋巴系统经AQP4清理的有力证据，因而AQP4抒发及分布的改变和α-突触核蛋白沉积的现象之间存在如何的关系仍然有待探求。
AQP4在哮喘病中还可能起到抑制发炎、减轻氧化应激负担的作用。一项临床研究发觉，在癫痫病病人的外周血测量到了相比对照组更低的AQP4抒发［29］。植物实验研究发觉，MPTP诱导AQP4基因敲除大鼠形成的实验性癫痫病模型相比野生型大鼠具有更强烈的小胶质细胞与星形胶质细胞炎症反应，和更严重的多巴胺能神经元遗失，在黑质致密部尤为显著［7，30］。在哮喘病发病和进展中起到重要祛痰作用的TGF-β1在AQP4基因敲除大鼠中脑和外周血中的含量较低，这可能加重胶质炎性反应，加速酪谷氨酸羟化酶阴性神经元的遗失［28］。MPTP诱导后，研究者在AQP4基因敲除大鼠的中脑观察到了促炎性细胞因子IL-1β和TNF-α水平的上升以及核因子kappa-B讯号通路的激活［31］，这一通路被广泛地觉得在氧化、凋亡和炎性反应中被激活。这种研究结果提示我们，在癫痫病病理进程中，AQP4可能还承当推动胶质细胞讯号传递以及抑制炎性反应、保护神经的作用。
（三）肌萎缩侧索硬化（，ALS）
ALS是一种致命的神经退行性疾患，以脑干、脑干、皮质中运动性神经元的选择性功能亢进及死亡为主要特点，主要的病理标志是星形胶质细胞的囊肿［9］。AQP4的抒发和分布在ALS中和钾离子通道功能有关。一项研究发觉，ALS病人脑干中AQP4的抒发降低，尤其是在灰质中［9］。SOD1大鼠是实验性ALS的模型大鼠。研究发觉，SOD1大鼠的脑干、脑干和皮质中都发觉了星形胶质细胞膜上AQP4的过量抒发［32］，并伴随着Kir4.1钾离子通道蛋白的降低。AQP4的分布在实验性ALS模型中发生了去极化，从终足联通到了膨胀变型的胞体［33］。在癌症末期，AQP4的抒发在末端脚疼痛处也降低，有助于缓解便秘与组织损伤［34］。Kir4.1钾离子通道蛋白和AQP4一般共同定位在星形胶质细胞终足上，AQP4跨膜转运水分子的行为有利于Kir4.1钾离子通道的激活，而AQP4的去极化可能会降低这些作用，促使钾离子的内流减弱［5，35］，影响局部的水钾平衡，改变神经亢奋性。
其实细胞膜水通道，AQP4在ALS疾患进展中的变化可能与星形胶质细胞发生病理变化有关，水钾平衡的失调会造成神经元微环境的衰弱，因而造成神经元功能障碍和死亡。-等［9］发觉敲除AQP4才能改善ALS导致的大鼠血脑屏障破坏，但这种大鼠却有着更早的起病和更短的平均寿命。AQP4和血脑屏障在ALS中的关系还尚不明朗。
（四）亨廷顿街舞病（′s，HD）
HD是由亨廷顿（，HTT）基因突变造成的神经退行性疾患，致使神经毒性突变型HTT（HTT，mHTT）蛋白的形成。在近来有借助鞘内注射通过类淋巴系统输送反义寡核酸（ASO）到脑部深层结构抑制mHTT蛋白形成的诊治策略，静脉输注间充质干细胞还能增益这一疗效，在实验室中取得了良好的结果，这提示了AQP4作为小分子抗生素运输通道的潜在可能性［36］。
五、总结与展望
AQP4对类淋巴系统的运作至关重要，且参与神经退行性疾患的发病和进展的多个进程（表1）。目前，有关AQP4的研究主要通过基因敲除大鼠进行，假如才能通过抗生素提高AQP4的功能以及抒发，对认识AQP4的生理作用以及新疗法的开发都能带来新的启发。现有研究发觉，AQP4在神经退行性疾患个别阶段的抒发和分布发生了变化，未来的研究应着眼于连续性，描述AQP4在神经退行性疾患从起病到终末期不同阶段的连续变化，结合AQP4的功能，阐述癌症的病理生理机制。类淋巴系统概念的提出带来看待神经退行性癌症的发病机制和医治策略的新视角，而这一领域的研究急切地须要新的成像方式来观察不同状态下脑脊液的流体循环动力学，进而理解AQP4在其中饰演的角色。通过类淋巴系统，AQP4除了可以作为小分子抗生素运输的通道，降低抗生素步入中枢神经系统的比列，也可以作为调节消除功能的潜在靶向改善癌症预后。
为此，AQP4可能是神经退行性疾患发病及进展过程中的重要蛋白以及潜在的调控靶向，但具体机制仍需进一步研究，以明晰在每位环节的具体作用，因而加深对癌症的认识，促进新疗法的研究与举办。
参考文献略
