【综述】水通道蛋白4在神经退行性疾病中的研究进展
文章来源：中华神经科杂志, 2021,54(8) : 828-832.
作者：王之韵 斯晓莉 浦佳丽 张宝荣
摘要
神经退行性疾病是以神经元的进行性丢失为特征的一类疾病，病因尚不明确。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。近年研究发现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在帕金森病、阿尔茨海默病等神经退行性疾病的发病及进展过程中的作用，并提出未来的研究方向。
神经退行性疾病是一类以神经元的变性丢失及病理蛋白的沉积而导致功能障碍为主要特征的疾病，其发病机制尚不明确，目前认为可能与病理蛋白的神经毒性以及神经炎症等因素有关。水通道蛋白4（aquaporin 4，AQP4）是中枢神经系统中最常见的水通道蛋白。近年研究发现，AQP4可能在阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）、帕金森病（Parkinson′s disease）等多种神经退行性疾病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（glymphatic system）的组成部分，促进病理蛋白清除；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病发病和进展的可能机制，以期为神经退行性疾病的诊治提供新的方向。
一、AQP4的结构
AQP4的蛋白单体相对分子质量约为30 000，包含6个螺旋形跨膜片段和2个较短的部分跨膜螺旋片段，这些片段组成了一个可供单个水分子进出的狭窄孔道［1］。根据基因剪接造成的翻译起始点的差异，人类AQP4单体存在2种主要的亚型：以第1个氨基酸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 单体在细胞膜上形成稳定的同种四聚体（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）。四聚体能够再聚集形成以M23-AQP4为核心的超分子组合体——正交排列颗粒（orthogonal arrays of particles，OAP），其外观在冷冻断裂电子显微镜下类似于鹅卵石，大小则取决于M1-AQP4 和M23-AQP4的比例［2］。有证据表明，单独表达的M1-AQP4和富含M1-AQP4的小型OAP能够快速移动到细胞延伸方向的质膜上，促进星形胶质细胞迁移，而M23-AQP4通过参与组成大型OAP，能够极化分布在星形胶质细胞终足，与细胞外基质互相作用，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含有对水肿敏感的Kir4.1钾离子通道等蛋白，AQP4的极化使得细胞能够及时应对质膜内外渗透压以及离子浓度的变化。
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）
Figure 1 Schemetic figure of the structure of aquaporin 4 (AQP4) and orthogonal arrays of particles (OAP) (this picture is original by the authors)
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表达，调节脑内水平衡，少部分分布在室管膜细胞上。AQP4对水分子的转运具有不依赖膜电位且无饱和的特性，因此可以使细胞膜对水的渗透性提高数倍至数十倍［3］。这一特性使得AQP4在星形胶质细胞迁移过程中起到重要作用。在神经胶质瘢痕形成过程中，AQP4与部分离子通道迅速极化到细胞膜前缘，驱动水分子进入迁移细胞，改变细胞形态，从而加速反应性星形胶质细胞向损伤部位的迁移［4］。
此外，水分子可以经AQP4流入细胞，通过拉伸细胞膜来激活Kir4.1钾离子通道，促进钾离子内流。AQP4表达减少能够影响局部细胞膜内外的离子浓度以及渗透压，使与其共表达的Kir4.1钾通道功能下降［5］。Binder等［5］发现AQP4基因敲除小鼠表现出了癫痫诱发阈值的增加、发作持续时间的延长以及内向整流钾通道Kir4.1动力学的减退，说明AQP4可能参与大脑兴奋性的维持与改变。
另一方面，AQP4也被认为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基因敲除小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肿胀的程度更轻，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。但是Chi等［7］发现AQP4基因敲除帕金森病小鼠中多巴胺神经元丢失更多，小胶质细胞炎性反应更强。AQP4可能也与全身的炎性反应有关。有研究发现，AQP4基因敲除小鼠脾脏中CD4+CD25+调节T细胞这一亚群的比例均显著降低，且在实验性内毒素血症中出现免疫功能失调，其全身过度活跃的免疫反应导致了相比野生型小鼠更高的死亡率［7］。
AQP4与星形胶质细胞的关系使得研究者对它和血脑屏障之间的关系产生了兴趣，然而目前对于AQP4是否有利于维持血脑屏障的完整性与通透性仍存在争议。研究结果表明，血脑屏障的破坏会诱导AQP4的过表达［8］。Tomαs-Camardiel等［8］认为AQP4有利于维持血脑屏障的完整性，但Watanabe-Matsumoto等［9］在肌萎缩性侧索硬化症的研究中发现，敲除AQP4能够改善疾病对血脑屏障的破坏。
近年来类淋巴系统的发现引起了关注。在类淋巴系统中，AQP4可能通过血管旁途径参与清除大脑代谢废物的过程，维持大脑健康。二者的关系将在下文进一步阐述。
三、类淋巴系统与AQP4
2012年，Iliff等［10］观察到，相比注入脑室的荧光示踪剂，注入蛛网膜下腔的荧光示踪剂进入脑实质的速度明显更快，进一步研究发现，蛛网膜下腔内的脑脊液能够沿着星形细胞胶质细胞终足包绕小动脉形成的血管周围间隙（perivascular space，PVS）弥漫地流入脑实质，而脑间质液体则沿着小静脉旁的PVS清除，这提示大脑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，这种液体清除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产生脑脊液的压力、动脉的搏动与顺应性、血管的舒缩运动以及呼吸运动［11, 12］。脑脊液由第三、四脑室外侧的脉络丛分泌，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动，与间质液体通过AQP4对流，从而流入脑实质，带走脑间质可溶性代谢废物后排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）
Figure 2 Schematic diagram of fluid exchange in the perivessel-space of glymphatic system （this picture is original by the authors）
对类淋巴系统的了解使得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基因敲除小鼠中脑脊液对流显著减慢，β-淀粉样蛋白（amyloid β，Aβ）清除率下降65%，衰老小鼠中AQP4的降解也使得流入类淋巴系统的液体减少［12］。此外，PVS的体积也影响着引流量。研究结果表明，睡眠状态下，小鼠脑内PVS的空间增加60%，类淋巴系统液体对流交换加快，并在侧卧位下最为明显，可能与变化的颅内压有关［13］。
在此基础上，一些学者进一步对影响类淋巴系统的干预措施展开探究。已有结果表明，多巴胺通过激动肾上腺素受体可使动脉搏动增加60%，多巴酚丁胺能够增加小血管平滑肌的搏动作用，加快脑脊液泵入PVS，促进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，显著增加类淋巴系统的运输功能［14］。
四、神经退行性疾病中的AQP4
（一）AD
AD是最常见的神经退行性疾病，其特征是进行性的认知功能减退和Aβ在脑实质中的沉积。Iliff等［10］在2012年就观察到AQP4表达下调的小鼠脑内Aβ清除率下降，继而导致沉积增加，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沉积形成的老年斑会诱导星形胶质细胞和小胶质细胞的反应性增生和激活，影响疾病进展。AD患者的尸检研究［15, 16, 17］发现，AD患者脑中AQP4的总体表达增加，分布与Aβ阳性老年斑相对应，呈斑块样［16, 17］，且观察到了大口径PVS（>6 μm）的增多［15］。另一项研究发现，AQP4在血管周围的分布明显下降，且较大的下降程度与更高的年龄、较多的Aβ沉积与更高的Braak病理分期有关［18］。
尸检通常反映疾病的终末期，但是从疾病初期开始的连续变化也值得关注。淀粉样前体蛋白/早老素-1（amyloid precursor protein/presenilin-1，APP/PS1）转基因小鼠研究结果表明，类淋巴系统转运的减少在AD发作早期、广泛Aβ沉积之前就已出现［19］。Yang等［20］使用tg-ArcSwe小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，发现在斑块形成的早期，AQP4的整体表达上调，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。由此可以猜测，Aβ可能通过引发斑块周围的星形胶质细胞上AQP4极性分布的改变，从而减少类淋巴系统的引流，而类淋巴系统清除功能的下降可能是Aβ大量沉积的原因之一。
也有研究者发现，AQP4基因敲除AD小鼠的星形胶质细胞迁移能力受损，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缺失小鼠脑内Aβ沉积增加的假说：AQP4缺失减慢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形成神经胶质网，将斑块与周围组织隔离，阻止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。动物实验发现AQP4基因敲除APP/PS1小鼠的认知功能障碍相比野生型更加严重［22］。人群研究中，目前已有2个独立的遗传学研究分别报道了6个影响AD患者认知衰退率的AQP4单核苷酸多态性位点［23］以及9个与睡眠相关的AQP4单核苷酸多态性位点［24］。但与AD组织病理学相关的位点并未在两项研究中发现［23］。
治疗策略上，Benjamin的团队［25］利用血浆高渗性对于类淋巴系统的增益作用，向APP/PS1小鼠先后腹腔注射高渗液体以及递送Aβ抗体。结果观察到抗体在脑内的整体分布及与斑块的结合显著增加，提示了基于单克隆抗体治疗中枢神经系统疾病疗法的新思路。
（二）帕金森病
帕金森病是第二大常见的神经退行性疾病，主要病理特征是中脑黑质中多巴胺能神经元的进行性丢失、星形胶质细胞的死亡和小胶质细胞的显著增加，伴随着存活神经元内α-突触核蛋白的积累和路易小体的形成。
一项帕金森病患者脑部标本的研究观察到，帕金森病患者皮质中AQP4的分布显著增加，但与α-突触核蛋白呈负相关，这一联系在大脑皮质的Ⅴ~Ⅵ层更为显著［26］。Prydz等［27］发现，AQP4基因敲除小鼠对于1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）诱导的神经毒性更为敏感，帕金森病小鼠黑质中血管周围AQP4的密度高于新皮质70%，且在一定范围内随着MPTP用量的增加而增加。在中脑水平，AQP4基因敲除小鼠的内源性α-突触核蛋白的沉积较野生型显著增多［28］。这些研究结果提示AQP4可能参与到帕金森病的病理生理过程中，且与α-突触核蛋白存在相关性。由于目前还没有发现α-突触核蛋白可以通过类淋巴系统经AQP4清除的有力证据，因此AQP4表达及分布的改变和α-突触核蛋白沉积的现象之间存在怎样的关系依然有待探索。
AQP4在帕金森病中还可能起到抑制炎症、减轻氧化应激负担的作用。一项临床研究发现，在帕金森病患者的外周血检测到了相比对照组更低的AQP4表达［29］。动物实验研究发现，MPTP诱导AQP4基因敲除小鼠产生的实验性帕金森病模型相比野生型小鼠具有更强烈的小胶质细胞与星形胶质细胞增生反应，和更严重的多巴胺能神经元丢失，在黑质致密部尤为明显［7，30］。在帕金森病发病和进展中起到重要抗炎作用的TGF-β1在AQP4基因敲除小鼠中脑和外周血中的浓度较低，这可能加重胶质炎性反应，加速酪氨酸羟化酶阳性神经元的丢失［28］。MPTP诱导后，研究者在AQP4基因敲除小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信号通路的激活［31］，这一通路被广泛地认为在氧化、凋亡和炎性反应中被激活。这些研究结果提示我们，在帕金森病病理进程中，AQP4可能还承担促进胶质细胞信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（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）
ALS是一种致命的神经退行性疾病，以脊髓、脑干、皮质中运动性神经元的选择性功能减退及死亡为主要特征，主要的病理标志是星形胶质细胞的增生［9］。AQP4的表达和分布在ALS中和钾离子通道功能有关。一项研究发现，ALS患者脊髓中AQP4的表达增加，尤其是在灰质中［9］。SOD1小鼠是实验性ALS的模型小鼠。研究发现，SOD1小鼠的脊髓、脑干和皮质中都发现了星形胶质细胞膜上AQP4的过量表达［32］，并伴随着Kir4.1钾离子通道蛋白的减少。AQP4的分布在实验性ALS模型中发生了去极化，从终足移动到了膨胀变形的胞体［33］。在疾病末期，AQP4的表达在末端脚肿胀处也增加，有助于减轻水肿与组织损伤［34］。Kir4.1钾离子通道蛋白和AQP4通常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的去极化可能会减少这种作用，使得钾离子的内流减缓［5，35］，影响局部的水钾平衡，改变神经兴奋性。
总之，AQP4在ALS疾病进展中的变化可能与星形胶质细胞发生病理变化有关，水钾平衡的失调会导致神经元微环境的紊乱，从而导致神经元功能障碍和死亡。Watanabe-Matsumoto等［9］发现敲除AQP4能够改善ALS造成的小鼠血脑屏障破坏，但这些小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）亨廷顿舞蹈病（Huntingdon′s disease，HD）
HD是由亨廷顿（huntingtin，HTT）基因突变导致的神经退行性疾病，导致神经毒性突变型HTT（mutant HTT，mHTT）蛋白的产生。在最近有利用鞘内注射通过类淋巴系统输送反义寡核苷酸（ASO）到大脑深层结构抑制mHTT蛋白产生的治疗策略，静脉输注间充质干细胞能够增益这一效果，在实验室中取得了良好的结果，这提示了AQP4作为小分子药物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病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小鼠进行，如果能够通过药物增强AQP4的功能以及表达，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。现有研究发现，AQP4在神经退行性疾病某些阶段的表达和分布发生了变化，未来的研究应着眼于连续性，描述AQP4在神经退行性疾病从起病到终末期不同阶段的连续变化，结合AQP4的功能，阐明疾病的病理生理机制。类淋巴系统概念的提出带来看待神经退行性疾病的发病机制和治疗策略的新视角，而这一领域的研究迫切地需要新的成像方法来观察不同状态下脑脊液的流体循环动力学，从而理解AQP4在其中扮演的角色。通过类淋巴系统，AQP4不仅可以作为小分子药物运输的通道，增加药物进入中枢神经系统的比例，也可以作为调节清除功能的潜在靶点改善疾病预后。
因此，AQP4可能是神经退行性疾病发病及进展过程中的重要蛋白以及潜在的调控靶点，但具体机制仍需进一步研究，以明确在每个环节的具体作用，从而加深对疾病的认识，推动新疗法的研究与开展。
参考文献略