【科研进展】水通道蛋白理论在疾病诊断中的

本文原载于：国际医学放射学杂志，年1月刊

作者：中国医院核医学科(杜名，辛军，郭启勇)；通用电气(中国)医疗系统团体(赵周社)

水通道蛋白(AQPs)广泛散布于细胞，介导水分子的跨膜转运。AQPs与人类正常生理活动及多种疾病的产生发展有着密切的联系。以水通道蛋白理论为基础的诊断医学具有巨大的发展潜力，采取正电子核素标记示踪剂PET成像和MR水分子散布加权成像采取多b值、高b值能够显示AQPs散布和表达水平。AQPs份子成像技术对疾病初期诊断和指点个体化医治均具有重要的价值。

水通道蛋白；磁共振成像；散布加权成像；份子成像；份子医治

自Agre等在年发现了水通道蛋白，即水孔蛋白(aquaporins，AQPs)后完全改变了传统观念上水在细胞膜散布(被动转运)观念，创建了水在细胞膜主动转运全新理论基础，迄今在哺乳动物体内发现最少存在13种水通道蛋白(AQP0-AQP12)份子[]。本文对AQPs研究的最新进展予以介绍。

1水通道蛋白分类及散布根据水通道蛋白家族成员的渗透特性可以将其分成两类，一类对水的转运具有高度选择性，包括AQP1、2、4、5和8，其专门转运水，含有水通道蛋白的细胞膜上水的渗透率要高于无水通道蛋白的50倍；另外一类对水的转运具有相对选择性，即水甘油通道蛋白，包括AQP3、7、9和10，除可转运水以外，还可以转运小份子氨基酸及糖类，尤其是甘油和体内代谢的中间产物。一些研究者认为有些水通道蛋白还可以转运多种气体，包括二氧化碳、氨气、一氧化氮和过氧化氢，但存在争议[3]。在人体内，水通道蛋白存在于很多部位，包括大脑、眼睛、肝及肾等；其散布与作用如表1所示。AQP作为新兴的水通道蛋白，目前研究尚少。

2水通道蛋白理论的运用2.1水通道蛋白理论在诊断中的运用研究已证实AQP1可增进肿瘤血管生成和血管内皮细胞迁移，最新研究发现在肝硬化进程中，AQP1可增强水的渗透率，加速了成纤维细胞生长因子引诱的肝窦内皮细胞膜的皱缩。从而促使病理性血管生成[4]，韩等[5]在水通道蛋白理论及基础上，构建大鼠肝纤维化模型，进行13NH3-H20的PET/CT成像，建立3室模型，从而证实大鼠肝纤维化进程中，13NH3-H20从组织间隙到血管内皮细胞转运的进程与AQP1数量及散布有密切关系。也有相干文献报导，AQP1在乳腺癌、神经母细胞瘤和骨髓瘤等多种肿瘤内高表达[1]。在非肿瘤疾病方面，AQP1在类风湿关节炎滑膜细胞膜的表达增加所引发的水代谢及转运机制障碍可能是滑膜炎症和关节腔积液构成的机制之一[6]。另外，Gao等[7]在大鼠实验中证实AQP1的高表达与肺损伤和肺纤维化有密切关系。

AQP2是抗利尿激素调控的水通道蛋白，与肾源性尿崩症存在一定关系。当AQP2表达异常时，抗利尿激素不再受AQP2调控，失去与肾脏的抗利尿激素受体的相互作用，以致肾小管不能浓缩尿液。

AQP3属于水甘油通道蛋白，其表达引发的甘油转运是一些细胞增殖的关键因素。缺失AQP3的小鼠表现为皮肤干燥，结肠上皮细胞再生和角膜的修复延迟。这是由于AQP3的缺失影响了甘油的代谢和生物合成，使得3磷酸腺苷(ATP)减少，并且阻碍了促分裂素原活化蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinases，MAPK)的信号传导[8]。

AQP4在大脑和脊髓中广泛表达，特别是参与构成血-脑屏障的星形胶质细胞周足处以及室管膜和软脑膜上皮[1]。AQP4与癫痫有着密切的关系：缺少AQP4的转基因小鼠癫痫发作时间显著延长，这可能与细胞外K+间隙和间隙连接耦合的改变有关。癫痫的组织中发现K+在体内平衡紊乱、上调，并且AQP4亚细胞散布产生改变[9]。同时，AQP4在视膜、内耳和嗅觉器官上皮组织中也有表达。AQP4参与大鼠的神经兴奋性活动，会造成视觉、听觉和嗅觉障碍，比如视神经脊髓炎，并且随着AQP4数量的增加，开始发作的阈值减低，发作的时间和强度增加[10]。对小鼠因急性水中毒和缺血性脑卒中产生的脑水肿(以细胞毒性脑水肿为主)，AQP4的缺失则可以减低病发程度，下降死亡率，但AQP4的缺失会阻碍血管性脑水肿的恢复[1，11]。

AQP5主要散布于肺的I型细胞、上气道的分泌上皮细胞，其功能的异常与部份肺疾病相干。肺水肿时，肺毛细血管壁通透性增加，血管内液体首先在支气管周围聚集，进而渗透肺间质及肺泡内。在氧中毒性肺水肿模型大鼠的研究组发现，大鼠肺内AQP1和AQP5都出现不同程度的下调，因此认为当急性肺损伤时，在水的清除进程中AQP1和AQP5起到了调节作用。但是它们的作用进程其实不完全一致：在清除支气管和脉管周围组织的水份环节中，AQP1作用更突出，而AQP5则主要清除肺泡腔内的水份。AQP5在腺体细胞也有表达。食管癌病人的免疫组化染色显示AQP5的表达与肿瘤大小、组织学类型和肿瘤复发有关[12]。与正常组织比较，AQP5在胃癌组织中也有高表达[13]。乳腺癌发展过程中，AQP5的高表达与乳腺导管上皮细胞极性的丧失有很大的关系[14]。

AQP6存在于肾集合管具有H+-ATP酶的细胞囊泡中，可能参与了胃酸的分泌。在pH值较低时，AQP6独特的阴离子渗透性被激活，在大鼠实验中证实慢性中毒与水负荷增加时，AQP6的表达显著增加[15]。

AQP7主要定位于毛细血管内皮细胞内脂肪组织，参与甘油调理，近3～5年未有突破性研究发现。

AQP8主要散布于消化系统和生殖系统，具有保持体液和电解质平衡的作用。研究表明AQP3和AQP8在肠道炎症和损伤时表达增加[16]。AQP8虽然在大脑中散布少，但在人脑低级别星形细胞瘤的细胞质中表达增加，在高级别星形细胞瘤中表达进一步增加，尤其是恶性胶质瘤[17]。因此推测AQP8可能有助于人脑星形细胞瘤的增殖。在特发性羊水过量的胎盘与胎膜上，AQP8也有着高表达[18]，这说明AQP8在羊水量的调理上有着重要作用。

AQP9属于水甘油通道蛋白，敲除AQP9的大鼠，明显得了高甘油血症和高甘油三脂血症，这说明AQP9可能参与肝脏甘油的摄取和葡萄糖的代谢[19]。AQP9也存在于神经节细胞，研究发现眼压升高时。啮齿类动物的视膜神经节细胞死亡增加，此时AQP9表达减少[20]。这1结果可能是由于AQP9表达的缺失影响视膜神经节细胞存活。

目前关于AQP10～12的研究较少，AQP10仅仅表达于脂肪细胞，乃至在有些动物中发现其是假基因：部份研究者认为AQP10的缺失可能与人类肠结核有一定关系[]。AQP11～12是水通道蛋白家族新亚型，也叫超级水通道蛋白，AQP11与细胞内质联系紧密，并且在肾小管上皮细胞高表达。实验发现，在敲除AQP11的小鼠中发现了新生的、致命的多囊肾[23]。AQP12是新近发现的哺乳动物水通道蛋白家族的成员，在胰腺腺泡细胞特异表达。AQP12定位在细胞内的细胞器，在快速和强烈的刺激下控制胰液的适当分泌[24]。

2.2水通道蛋白理论在医学成像技术中的运用

2.2.1散布加权成像技术MR散布加权成像(diffusionweightedimaging，DWI)能够为活体水分子的散布及运动等特点提供重要信息，并已成为对脑、肝和前列腺等行MRI检查的常规方法。丈量组织细胞间隙水分子散布信号，其减弱的程度与水分子运动速度相干，用散布敏感度b表示。根据不同的b值取得的影象所丈量的信号值就可以用表观扩散系数(ADC)表示。总结归纳ADC值的变化与组织内水分子变化之间的联系，再以病理为基础，进而研究疾病与AQPs之间的关系。目前利用此技术的研究较多，且取得初步结论。

有动物实验结果表明AQP4基因表达与局部ADC值呈较强的负相干，而在急性脑梗死时局部ADC值与DWI上信号的高低亦呈负相干[]。以乳猪为模型，动态视察研究乳猪脑缺血和再灌注后组织ADC值与AQP4之间关系，二者呈正相干(r=0.)，并发现在乳猪脑缺血和再灌注6h后ADC值到达最低[27]。研究表明鼠脑积水时，出现AQP4高表达现象，ADC值与AQP4之间具有很好的相关性[28]。动物实验和临床研究结果表明ADC值与肝硬化程度呈负相干[]。随着b值提高，良性病灶信号迅速下降。而恶性病灶依然保持相对高信号，当b值为s/mm2时，其可鉴别肝脏病灶的良恶性，并已取得满意的临床结果[32]。

2.2.2份子成像技术PET／CT是将CT解剖影象与PET功能、代谢和份子成像影象相融会，可从份子水平无创、定量测定人体内代谢变化。Nakmura等[33]利11C标记2-(烟酰胺)-1，3，4-噻二唑[2-(nicotinamide)-1，3，4-thiadiazole，TGN-]作为AQP显像剂，结果发现其能够与AQP4和AQP1结合。进而证明AQP4和AQP1在小鼠组织内散布。韩等[5]以13NH3-H20为显像剂，乙酰唑胺为抑制剂，通过PET/CT成像，取得肝纤维化大鼠血流在肝脏内的灌注、散布及代谢的3室模型，通过不同时间点SUV值的测定，证实AQP1与肝纤维化的不同分期有密切关系。

2.2.3CT灌注及超声造影技术目前也有关于CT灌注成像及超声造影评价肝纤维化及肝硬化的研究，其都是从宏观上对肝脏血管的改变进行评价。研究发现在肝硬化的进程中，病理性血管生成与AQP1有着密切关系，因此结合份子免疫可能在水通道蛋白的研究中有所发现，但是临床中要考虑到CT灌注及超声造影对病人存在的损伤性。

2.3水通道蛋白理论在治疗学中的运用目前关于水通道蛋白与疾病的研究愈来愈多，并且发现他们之间存在联系，这为临床诊断奠定了基础，同时也为疾病医治提供了新的思路。目前存在两种份子医治方法，1是利用小份子单克隆抗体，但进展缓慢；另一种为利用AQPs抑制剂。但是关于AQP抑制剂的报导很少，并且意见不一。虽然许多水通道蛋白被巯基反应水银剂(如汞、汞金)所抑制，但由于这些金属离子对AQPs的抑制是非选择性的，并且本身存在很强的毒性，因此不宜应用于临床。关于AQP1的抑制剂有很多报导，包括4乙胺、乙酰唑胺和二甲基亚砜。但是部份研究者在使用敏感的测量方法评估4乙胺和乙酰唑胺的抑制作用效果后，发现其抑制作用很小乃至没有；二甲基亚砜产生的抑制作用也尚不明确[]；而岳等[6]在实验组证实乙酰唑胺对AQP1的表达有很好的抑制作用，近期李等[38]通过体外实验初步得出乙酰唑胺对红细胞上AQP的最低有效抑制浓度。韩等[5]在13NH3-H20实验中也证实乙酰唑胺对AQP1有很好的抑制作用。

3展望随着对AQPs的认识和了解，研究者们愈来愈多地发现这1家族与人类健康密不可分。作为疾病研究的新方向和疾病的特殊标志物，相干AQPs的研究势必有更大的突破。AQPs抑制剂的研究为疾病的医治提供了新的思路，虽然目前还处于初级阶段，但随着研究的深入，其将在人类疾病的医治上首创新的里程碑。

参考文献（略）

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