长期以来, 人们普遍认为细胞内外的水分子是以简单的跨膜扩散方式来通过脂质双层膜, 但某些细胞如红细胞、肾近曲小管上皮细胞对渗透压引起的水通透性很高, 很难单纯以简单扩散来解释。Agre (1991年)在研究红细胞膜上人类RH抗原时时意外发现水通道蛋白(Aquaporins, AQPs), Preston (1992年)等^[1]先后完成对AQP1 DNA分子结构和功能鉴定, 证明了该蛋白就是人们苦苦寻找的水通道蛋白, 二者因此获得了2003年的诺贝尔化学奖。近年来, 有关AQPs的研究取得了较为深入的进展。大量研究显示:水通道蛋白在人类疾病方面起了重要作用。但有关AQPs与放射性损伤研究极少, 本文就此作一综述。

1 AQP的分子结构

水通道蛋白(aquaporins, AQPs)是近年来发现的分布于哺乳动物细胞膜上的特异转运水的蛋白质, 广泛分布于各种组织中, 其相对分子量为28Kd。

目前对AQPs的结构研究以AQP1最为清楚。AQP1以四聚体的形式存在于细胞膜上, 四个单体间对称分布。每个单体三维结构为"沙漏"模型^{[2, 3]}, 中间部分直径约0.3nm, 大小约为1个单水分子, 它们在功能上都可以作为独立的水通道。AQP1一级结构含6个跨膜区段并5个环相连(Loop A、B、C、D、E), 含2个胞内环(B、D)和3个胞外环(A、C、E), B环和E环显著疏水, 且均含有天冬酰氨-甫氨酸-丙氨酸(NPA)的重复序列。分别位于细胞内和细胞外的B和E环袢向下行, 然后在浆膜的NPA位折叠, 形成一个单水通道。虽然大多数水通道对水分子具有高度选择性, 但是有些水通道除对水通透外, 对其他物质也有通透性, 如AQP3、AQP7、AQP8、AQP9可转运不等量的尿素、甘油^[4]。另外大部分AQPs功能可被汞制剂所抑制, 称为汞敏感AQPs, 而AQP4和AQP7为汞不敏感AQPs, 其功能不被汞制剂所抑制^[4]。

2 水通道蛋白分类、分布

哺乳动物AQPs迄今为止已发现13种AQPs (AQP0~ AQP12), 除AQP2(血管加压素调控的AQP, 对尿浓缩起重要作用)仅分布于肾脏外, 其余各种水通道在机体内有较广泛的分布^[5]。它们大多选择性地分布在那些与体液吸收或分泌有关的上皮细胞及可能协同跨细胞转运的内皮细胞中, 执行着各部位的水分重吸收、液体分泌和细胞内外水平衡功能^[6-8]。在同一细胞膜上可以含有多种AQPs, 如AQP2、3、4就同时存在于集合管主细胞基缘膜。转基因小鼠研究显示:缺失AQP1的小鼠表现中度多尿, 尿渗透压明显降低^[9]。而同时缺乏AQP1和AQP3的小鼠呈现严重多尿^[10]; 在36 h禁水后, AQP1缺失小鼠不能进一步浓缩尿液, 血液渗透压增高, 处于频死状态, 而AQP3敲除小鼠却有部分尿浓缩能力; AQP4基因敲除则较度影响尿的浓缩能力^[11]。然而这些敲除AQPs小鼠的尿稀释能力均表现正常。由此推测:不同AQPs在同一组织的不同部位单独起作用, 也许它们的功能存在着潜在的差异。

3 放射性损伤与水通道蛋白 3.1 放射性脑水肿与水通道蛋白

急性放射性脑水肿是临床上应用放射治疗脑部疾病时较为严重的照射后副反应, 限制了其剂量应用。研究显示:急性放射性脑水肿主要是血管源性脑水肿。血管源性脑水肿是由于血脑屏障受损、破坏, 使毛细血管通透性增加, 一些血浆大分子物质如蛋白等经血管壁渗透到细胞外液中, 水分渗出增多, 积聚于血管周围及细胞间隙所致^[12]。Manley等^[13]研究发现, 在细胞毒性脑水肿模型, AAQP4基因敲除后小鼠脑水肿程度减轻, 预后改善, 生存率提高。Papadopoulos等^[14]研究发现, 在血管性脑水肿模型中, AQP4基因敲除后小鼠其颅内压(ICP)更高、脑内水含量增加, 因而提示AQP4在其中的作用并不相同, 并且AQP4介导的跨分子水转运对血管源性脑水肿的液体清除可能更重要。以上实验研究充分说明了AQP4在血管源性脑水肿损伤机制中扮演着重要角色。姜交德等研究发现^[15]:单次50Gy伽玛刀照射大鼠大脑半球中线右旁开2 mm (中心点在双外耳道连线上), 检测照射后不同时间段脑含水量和AQP4的表达。结果显示:伽玛刀照射后12h脑含水量和靶区、靶周围区AQP4表达增加, 2 d达到高峰, 14 d后仍高于正常, AQP4表达的灰度值和脑含水量呈显著负相关, 由此推测:AQP4与急性放射性脑水肿的形成密切相关。

3.2 放射性涎腺损伤与水通道蛋白

放射治疗是头颈部肿瘤的主要治疗手段, 而放疗所致的唾液腺损伤不可避免的导致口腔干燥等一系列口腔疾病, 影响长期生存病人的生活质量。目前对唾液腺放射损伤的机制还不十分清楚, 唾液腺放射损伤尚无有效治疗手段。Jin Hwa Choi^[16]等研究显示:SD大鼠晚期放射性颌下腺损伤时腺细胞凋亡增加, 腺泡细胞水通道蛋白5表达降低, 同时伴有导管细胞TGF-β的表达降低, 而Bruce J. Baum^{[17, 18]}等利用转AQP1基因方法治疗小鼠放疗所致的腮腺损伤取得良好疗效。由此可见水通道蛋白可能参与涎腺放射损伤时细胞的液体转运。

3.3 放射性肺损伤与水通道蛋白

大量实验表明:各种生长因子和信号传导、细胞因子表达的改变是介导放射性肺损伤发生发展的重要因素。目前认为, 电离辐射可引起肺内效应细胞即肺泡巨噬细胞、Ⅱ型肺泡上皮细胞、成纤维细胞和血管内皮细胞产生释放多种细胞因子, 启动成纤维细胞的增殖分裂, 导致胶原蛋白的大量合成, 最终形成肺间质的胶原沉积, 血管壁增厚闭合进而发生肺组织的纤维化^[19]。转化生长因子-β1 (Transforming growth factor-β1, TGF-β1)是一种强效的细胞外基质沉积促进剂, 在放射性肺损伤的发生、发展中起最关键的作用^[20-27], 是近年来研究的热点。肺损伤后肺巨噬细胞受到刺激而被激活, 产生大量的TGF-β1, 可达正常情况下的30倍; TGF-β1与肺成纤维细胞膜上TGF-β1的受体结合, 激活细胞内TGF-β1的Smads家族蛋白信号传导途径; 信号传入细胞核内, 激活核内转录蛋白, 启动胶原蛋白的mRNA转录, 合成胶原蛋白, 同时抑制胶原蛋白的降解; 最终, 引起肺纤维化。Vujaskovic等^[28]对27例常规放疗肺癌患者的研究发现:9例发生放射性肺炎患者在治疗中都有持久升高的血浆TGF-β1水平(TGF-β1比率> 1), 而未发生放射性肺炎的患者其血浆TGF-β1比率不变或 < 1。Anscher等^[29]发现:胸部发生放射性肺损伤与放疗结束时持续升高的TGF-β有关, 放疗结束时血浆TGF-β水平从基线值降至正常, 这一现象预测患者不发生放射性肺炎的准确性达90%。除了测量血浆中的TGF-β1值, 还有研究者^[30]检测了肺癌放疗患者的支气管肺泡灌洗液中的TGF-β1水平, 结果表明:受到照射的区域灌洗液TGF-β1水平明显高于未受照区域。因此有的学者推荐, 监测血浆及肺泡灌洗液中TGF-β1水平有助于早期预测放射性肺损伤的发生。

目前文献提及6种AQPs在呼吸道及肺上表达, 而对其中四种的分布研究得较明确:AQP1定位于微血管内皮的质膜、支气管周围血管床、气管粘膜上皮、淋巴管和胸膜, 肺泡Ⅱ型上皮细胞有少量分布。AQP3存在于大气道表面上皮细胞和腺泡细胞基底膜及小气管上皮细胞顶质膜, AQP4分布于大小气道上皮、肺泡内皮细胞、I型肺泡上皮细胞、纤毛管及腺泡细胞的基缘膜。AQP5主要发现在肺泡I型细胞的顶膜面及气道分泌腺细胞上^[31-32]。上呼吸道中AQP1、AQP3、AQP4和AQP5均有表达, 而下呼吸道中主要是AQP1和AQPP5分布。这样的分布使得肺脏树枝型结构的各个层面均有不同的水通道蛋白的表达, 便于其参与肺脏不同部位的水分子运动。

肺泡内水的转运主要有两条途径, 一是伴随钠的主动转运, 二是经肺泡上皮上的AQPs, 肺泡I型细胞占据肺泡膜表面积的90%, 其上有大量AQP5的表达。已知成年人跨肺泡膜的水分子运动是通过跨细胞膜途径完成的, 所以预见AQP5在跨肺泡膜的水分子运动过程中起关键作用, 在生理条件下主要参与构成血气屏障气体侧的水分子通路, 定位于肺泡周围血管内皮的AQP1对于维持血管与间质之间的水运动平衡意义重大。

不同实验室的动物实验相继发现:水通道在肺泡液体转运中起重要作用^[33]; AQP1是肺血管渗透性的决定性因素, 产期大鼠肺AQP1、AQP4、AQP5 mRNA表达增加^[34], 怀孕、充血性心力衰竭时肺AQP1、AQP2表达增加, AQP5缺乏引起气道高反应^[35], 腺病毒感染引起AQP1和AQP5低表达^[36], 谢艳萍等研究显示:脂多糖, 肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β刺激鼠肺微血管内皮细胞AQP1表达下降^[37]。

4 启示与展望

综上所述, 水通道蛋白与放射性损伤所致的多种疾病的发病机制有着密切的关系, 现有的研究正提示和鼓舞着我们是否有朝一日可以利用水通道蛋白作为药物靶点对放射性损伤进行治疗和预防。正在建立的AQP6、7、8、9基因敲除小鼠, 条件AQP2突变敲入小鼠和不同组合的双重和三重基因敲除小鼠, 将会对AQP研究提供更多的生理学资料。另外, 水通道蛋白的发现为我们研究体内水运代谢提供了良好的切入点, 但就目前研究结果来看, AQPs并不能解释所以的现象。特别是限制胸部肿瘤放射治疗疗效的放射性肺损伤与水通道蛋白的研究, 目前未见相关报道, 有待进一步研究。