创伤性脑损伤(traumatic brain injury，TBI)是青少年和及成年人死亡和残疾的最常见原因。^[1]据报道，发达国家每年TBI发生率约为150~250/10万，而我国约为100~200/10万。^[2]我国颅脑创伤数据库相关资料的分析结果显示重型TBI患者死亡率为27.23%，不良预后率(预后不良是指患者死亡，植物生存及重度残疾)为53.17%。^[3] TBI后的脑水肿是其最常见的病理生理过程和严重的并发症，可导致颅内容积增加，引起颅内压增高，脑血流量减少，脑疝，脑干受压等，占导致TBI患者死亡因素的大约50%。^[4]由于脑水肿对TBI患者的预后有重要的影响，因此，能否有效消除脑水肿成为临床上提高TBI救治水平的一个关键环节。

水通道蛋白(aquaporins, AQPs)又称水孔蛋白，是广泛分布于动植物细胞膜上的具有高度选择性的水通道特异小分子跨膜蛋白质家族，目前在哺乳动物中发现了13种亚型(AQP0-AQP12)。水通道蛋白4(aquaporin-4，AQP4) 是水通道蛋白家族成员之一，在哺乳动物脑组织中含量最丰富。AQP4主要在星形胶质细胞和室管膜细胞中的表达，此外，在蛛网膜下腔和血管周围的星形胶质细胞表面和星形胶质细胞终足包围毛细血管壁形成的胶质界膜表达丰富，这种分布称为极化分布。这种分布特征表明，AQP4可能在维持大脑的水平衡中起着关键的作用，是神经胶质细胞、脑脊髓液和血管进行水分调节和运输的重要结构基础。^{[5, 6]}目前研究认为AQP4与创伤性脑水肿的形成密切相关，且随着TBI时间的延长及脑水肿类型的演变，AQP4的表达部位及表达量随之发生变化。

1 创伤性脑水肿 1.1 脑水肿的概述及分类

脑水肿是各种因素引起的体液过多聚积在脑细胞内和细胞外间隙致使脑容积增大的临床综合征。其常见病因有TBI、脑出血、缺血性脑卒中、炎症、脑肿瘤及低钠血症等。血管源性水肿是指由于血脑屏障(BBB)破坏后毛细血管通透性增加引起液体和蛋白质等渗漏到脑组织间隙导致脑组织周围水肿，表现为细胞间隙增宽。细胞毒性水肿是由于细胞内渗透活性物质增加引起，通常是由于离子泵功能障碍或细胞外低渗性液体随后进入细胞，导致细胞肿胀(主要是星形胶质细胞)，表现为细胞间隙减小。

1.2 创伤性脑水肿的类型及机制

对创伤性脑水肿的研究表明，随着TBI时间延长，脑水肿可以包括上述脑水肿类型中的一种或多种。鲁宏等^{[7, 8]}通过病理学观察发现，创伤侧早期(＜24 h)首先出现以BBB破坏为特征的血管源性水肿，继而出现细胞毒性水肿并存的混合性水肿，且随时间延长两种水肿逐渐加重；中期(24~72 h)主要是以细胞毒性水肿为主的混合性水肿；晚期(72 h~7 d)细胞毒性水肿明显减轻，而血管源性水肿仍然存在。此外，与创伤侧比较，对侧非创伤区水肿表现较轻，在时间上滞后于创伤侧，先出现细胞内水肿，继而出现血管源性水肿并存的混合性脑水，且血管源性水肿减轻早于细胞内水肿。

创伤性脑水肿的发生机制仍不清楚，目前认为其发生发展涉及到多种机制，包括血脑屏障破坏、Ca²⁺超载、氧自由基毒性作用、脑微循环障碍、能量代谢障碍、神经递质毒性作用、细胞因子释放及自主神经功能异常等。最近的研究显示，脑挫伤后1 h损伤侧脑组织即出现明显BBB破坏，并相继出现血管源性水肿和细胞毒性水肿并存的混合性水肿^[8]。Laird等^[9]研究认为固有免疫反应参与了创伤性脑水肿的形成，TBI后坏死的神经元释放出高迁移率族蛋白1(HMGB1)，激活小胶质细胞Toll样受体4(TLR4) 和AQP4，启动小胶质细胞释放白细胞介素-6(IL-6)；反过来，小胶质细胞IL-6增加星形胶质细胞的AQP4的表达，从而引起ICP升高且促进TBI后的脑水肿。而抑制TLR4可减轻神经炎症反应，并有限的延迟创伤后水肿。袁方等^[10]研究通过促进NF-κB p65亚基的K310乙酰化及核转位进而增强NF-κB信号通路的活性，引起AQP4、MMP-9、促炎性细胞因子IL-1β、IL-6, 、TNF-α等靶基因表达的上调，增加对BBB的破坏，加剧创伤性脑水肿的形成。而抑制TBI诱导的IL-1β和TNF-α的表达，小胶质细胞活化及AQP4的表达，减弱TBI诱导的氧化应激(通过增强超氧化物歧化酶及谷胱甘肽过氧化物酶，降低NADPH氧化酶的活性)，可显著降低脑含水量和血管通透性^[11]。目前认为各机制间不是独立起作用的，而是复杂联系和相互影响的，且各机制均可能参与了对AQP4表达的调节。

2 水通道蛋白-4(AQP4) 的结构与功能 2.1 AQP4的分子结构

AQP4蛋白最早是从大鼠肺组织中发现并分布于电兴奋组织^[12]。已知AQP4基因位于人染色体18q11.2与q12.1之间的连接处，由4个外显子组成，分别编码127、55、27及92位氨基酸序列，其间有3个内含子。AQP4是由四个具有独立活性的亚单位组成的四聚体。每个亚单位均由1条疏水性α螺旋肽链经6次跨膜，形成了5个环状结构(A、B、C、D、E环)。其C端、N端及B、E环均位于胞内，其中B、E环是家族成员共有的特征性结构并决定水的通透性；而位于胞膜外的A、C、D主要起连接作用。早期研究认为单体含有Ml及M23两个异构体，且在细胞膜上形成正交排列阵列。而Alikina等^[13]进一步研究表明这两个异构体由3个mRNA编码，即AQP4-M1由M1 mRNA编码，而AQP4-M23由M23 mRNA及M23X mRNA编码；此外，Sorbo等^[14]运用质谱分析的方法从大鼠脑中首次分离出AQP4的第3个异构体。AQP4中的M1和M23按一定比例结合，且M23型比例较高。在正常情况下M23:M1的摩尔比较稳定，但在特殊情况下摩尔比发生变化而改变质膜的通透性。

2.2 APQ4在脑组织的表达与功能

APQ4是哺乳动物脑组织中最重要的水通道蛋白，其在大脑、间脑、中脑、小脑、脑干均有分布，且主要在脑实质与主要液体隔室之间大量表达，即星形胶质细胞足突(血-脑)、胶质界膜(脑-蛛网膜下腔的脑脊液)及室管膜细胞与室管膜下星形胶质细胞之间(脑-脑室的脑脊液)，而在神经元、少突胶质细胞、小胶质细胞和脑膜成纤维细胞内均未见表达。在脑-血液和脑-CSF界面，AQP4定位的成熟模式大约在出生后2周完善，且AQP4的表达在脑干和下丘脑早于大脑皮质和小脑^[15]。AQP4主要在毛细血管内皮细胞、软脑膜和脑室室管膜侧的胶质细胞膜或足突上分布，呈现明显的极性现象，表明水通道蛋白4的分布与脑内水分的转运具有同向性，且对脑脊液的分泌和重吸收同样起着重要的作用。Liang等^[16]运用免疫荧光双标记技术显示在轻度TBI部位血管内皮细胞邻近的星形胶质细胞足突不存在AQP4，且其从足突区易位到星形胶质细胞胞体，表明AQP4可以在星形胶质细胞膜上重新分布。提示内皮细胞可能发出信号给星形胶质细胞并调节AQP4在星形胶质细胞膜上的表达。此外，通过研究体外培养的星形胶质细胞制作的划痕损伤模型表明缺乏内皮细胞的星形胶质细胞损伤后仍然可以通过ERK1/2通路下调细胞膜上AQP4的表达^[17]。分布于海马与小脑神经细胞上的AQP4主要参与调节细胞间隙的大小以及细胞间隙K⁺的浓度，通过与钾离子通道协同调节相关神经元的兴奋性。可见，AQP4的表达与功能在脑组织中存在区域的差异。

3 AQP4与创伤性脑水肿

研究表明TBI后AQP4的表达变化与创伤性脑水肿的形成密切相关，但创伤性脑水肿过程中AQP4表达变化仍然没有统一的认识。相关研究对创伤后的脑水肿类型及AQP4蛋白表达变化的结果互相矛盾。如有些研究显示创伤性脑水肿形成过程中AQP4的表达升高，并认为降低AQP4的表达可能是一种潜在的有用的治疗靶点；然而，也是研究显示创伤性脑水肿的脑组织中AQP4的表达降低。我们认为产生不同结论的原因可能是由于动物创伤模型或创伤后损伤的时间过程的差异。最近的研究表明，创伤性脑水肿是复合性水肿，且随着TBI时间的延长，AQP4表达与定位随着脑水肿类型的演变发生相应的变化。

很多学者研究了药物对TBI后脑水肿的作用及其与AQP4的表达变化的关系，试图找到早期预防脑水肿的靶点并截断脑水肿的继发性性损伤。相关研究^[18-22]发现通过减少AQP4、胶质纤维酸性蛋白(GFAP)、促炎性细胞因子(IL-1β和TNF-α)的表达，降低NF-ΚΒ的活性，抑制小胶质细胞活化等可显著降低脑水肿。Soltani等人^[23]的研究进一步证实了上述的观点，显示降低IL-6及AQP4的表达可减轻TBI后的脑水肿；而增加IL-6及AQP4的表达可促进脑水肿的形成。有趣的是，乙醇可以通过减少AQP4的表达减轻创伤性脑水肿，改善TBI后的认知和运动功能^[24]。这些研究均表明脑水肿的减轻与AQP4表达的降低密切相关。有学者通过干扰AQP4的表达，研究其对创伤性脑水肿的影响。发现AQP4缺失可以减少损伤后脑细胞的死亡、水含量、血脑屏障破坏、星形胶质细胞肿胀及减轻病变体积，认为抑制AQP4的表达对脑损伤的进一步恶化具有潜在的保护作用^[16]。Fukuda等^[25]研究显示，与正常组相比，AQP4 siRNA组大鼠急性期的运动功能和慢性期的记忆功能有改善。表明AQP4表达下降可以减轻脑水肿的形成，增强小胶质细胞的活化，降低BBB的破坏，减少星形胶质细胞的增生和神经元细胞的死亡。但Yao等^[26]研究显示，与野生型小鼠相比，TBI后AQP4敲除不影响血脑屏障及早期血管源性脑水肿，仅能减轻细胞毒性脑积水，导致出现神经功能温和的改善。并认为TBI后细胞毒性和血管源性并存的机制，使得与细胞毒性水肿占主导地位的疾病相比，AQP4敲除后神经功能改善较小。Blixt等^[27]表明脑水肿是由包括锚定紧密连接蛋白减少相关的早期BBB破坏以及细胞毒性水肿和AQP4蛋白表达下降等多种机制引起。血管源性水肿的出现部分是由于血脑屏障的紧密连接中断引起的，且AQP4蛋白表达下降导致脑水肿加重。与此结果相一致是，Tourdias等^[28]研究显示血管源性水肿时AQP4的表达有时间滞后现象，在水肿的发展期，其表达轻中度上调，但经历延迟期后，其表达显著上调。此外，有研究^[7.8]显示，创伤侧的AQP4蛋白在1 h表达下调，6 h最低，12 h开始回升，之后升高至24 h达峰值，呈“V”形变化，而非创伤侧脑组织AQP4蛋白的表达在6 h开始缓慢上升。表明当出现血管源性水肿时，AQP-4表达逐渐减少，而当细胞毒性水肿出现后AQP-4表达开始增多，在细胞内水肿高峰时AQP-4的表达也升至最高。随着研究的深入，有学者提出推测，TBI后AQP4表达的变化可能不是导致脑水肿形成的原因，而是扮演着机体自我保护的角色。如Ren等^[29]运用小鼠轻中度TBI模型探讨AQP4的表达与定位的研究显示，TBI对AQP4的最突出的作用是反应性星形胶质细胞的突触小结AQP4的极化定位丢失引起AQP4分布失调。提示TBI后AQP4的表达和定位的改变可能不参与促进急性期脑水肿的形成，而可能是对抗脑水肿和颅内压变化的一种代偿性机制。

4 结语与展望

对创伤性脑水肿复杂的发病机制缺乏详细的洞悉是制约创伤性脑水肿临床治疗效果的主要因素。目前临床上对减轻创伤后水肿的治疗方案仍然不理想，部分原因是缺乏可行的治疗靶点。AQP4与TBI脑水肿关系的研究表明创伤性脑水肿是复合型脑水肿，AQP4的表达和定位与水肿的类型有密切关系。深入研究创伤性脑水肿的复杂的发病机制，发现治疗急性期脑水肿的靶点将为TBI后脑水肿的治疗提供理论指导，可以极大减少患者的死亡率和致残率，有很大的现实意义。