充血性心力衰竭水潴留的机制——Aquaporin 2水通道蛋白的作用
作者：许顶立 任昊
单位：第一军医大学南方医院，广州510515
关键词：Aquaporin 2水通道；充血性心力衰竭；水潴留
生理科学进展000213 摘要 水潴留是充血性心力衰竭的重要病理生理表现。长期以来人们对心力衰竭时水重吸收增加的肾脏机制所知甚少。Aquaporin水通道(AQP)家族的发现是水通道生物学研究的一个新的里程碑。研究发现充血性心力衰竭时肾脏AQP2水通道基因mRNA和蛋白的表达明显上调；AQP2的上调主要由血管加压素所介导，V2受体拮抗剂可显著降低此上调；在充血性心力衰竭时肾脏AQP2表达的改变是选择性的，不伴有肾脏AQP1和AQP3蛋白表达的增加。证实AQP2水通道是充血性心力衰竭时调节水潴留的关键性蛋白质，进一步深化了人们对充血性心力衰竭时水潴留机制的认识。
学科分类号 R541.6
, 百拇医药
自从Agre及其同事发现哺乳动物红细胞膜上存在Aquaporin水通道蛋白(AQP)以来，目前已经确定了10种AQP家族成员，使人们对水通道的生物学研究进入了一个新的阶段[1，2]，许多研究者反复自问的一个问题就是“这种AQP的生理学重要性究竟是什么？”本综述就AQP2水通道在充血性心力衰竭(CHF)时水潴留发病机制中的作用进行简要介绍。
一、充血性心力衰竭水潴留机制研究的回顾
水钠潴留是充血性心力衰竭最重要的病理生理改变之一，也是心源性水肿的最主要发病机制，同时还是充血性心衰出现症状的重要原因，并可导致心脏功能的进一步受损。早在19世纪，Hope(1832)提出的“后向性心衰学说”和Starling(1896)、Mackenzie(1913)提出的“前向性心衰学说”就已开始对充血性心衰时水钠潴留的机制进行了探索。但直到半个世纪前Merrill提出“肾脏学说”，人们才认识到充血性心力衰竭时的水钠潴留主要是由于肾脏的调节功能的异常而产生的[3]，肾脏是充血性心衰发病机制的中心环节之一。
, 百拇医药
由于在充血性心衰时肾脏本身的内在功能是正常的(如果将这个肾脏移植到正常环境时肾脏功能可以完全恢复正常)，因而人们对引起肾脏钠和水潴留的传入和传出机制进行了大量的研究。认识到心力衰竭时水钠潴留的肾内机制主要为肾血浆流量降低、肾小球滤过率降低、肾小球滤过分数增高，近曲小管对钠水重吸收加强，远曲小管对钠和/或水重吸收加强，肾内血流重新分布等。而导致这些改变的机制除心力衰竭时由于心输出量和有效循环血量减少导致的血液动力学改变因素外，心力衰竭时过度激活的神经内分泌因素起着至关重要的作用。与压力感受器激活，交感神经兴奋、肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活、血管加压素(抗利尿激素，AVP)分泌增加以及心钠素、肾脏前列腺素和缓激肽系统的改变有密切关系[3]。
而在CHF水潴留机制的研究中，人们普遍认为除肾内机制外，氯化钠重吸收时的强制性(obligatory)水重吸收，血管紧张素Ⅱ和血管加压素的增高是CHF时水潴留和低钠血症发生的主要原因[3]。血管加压素被认为是CHF水潴留的中心环节。血管加压素通过与位于肾脏集合管主细胞基底侧膜上的V2受体结合，激活腺苷酸环化酶，增加细胞内cAMP而增加水的重吸收。然而，长期以来对水重吸收的肾脏细胞机制的了解相当贫乏。肾脏AQP水通道家族的发现是水通道生物学研究的一个新里程碑。
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二、Aquaporin 2(AQP2)水通道蛋白的生理调节
到目前为止，已知可在肾脏表达的AQP水通道家族成员至少有6种，即AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP6和AQP7。AQP2是1993年由Fushimi等报道的，最初的命名为AQP-CD。AQP2主要表达在肾脏集合管主细胞的管腔侧细胞膜和胞质内，由271个氨基酸组成。研究表明AQP2是受AVP调控的最主要的肾脏水通道蛋白，在调节机体水平衡中起着至关重要的作用[1，2]。
对AQP2的调控主要有两种方式，一是短时调控机制，二是长时调控机制[1，2]。两种机制似乎均有AVP的参与。参与短时调控的机制有：(1)“囊泡穿梭假说”，当AVP水平增高后，细胞质内的囊泡与管腔面细胞膜融合，AQP2通过出胞运动(esocytosis)转移至管腔游离面的细胞膜上，使管腔侧细胞膜上AQP2数量增加，对水的通透性增高，而当血管加压素水平降低时，又重新形成囊泡回到细胞内，管腔侧细胞膜上AQP2的数量也相应减少。有实验证明，突触联接素(synaptobrevin)在囊泡的移动中起重要作用；(2)蛋白磷酸化作用，肾脏集合管主细胞上存在着血管加压素受体V2，与AVP特异性结合后，激活腺苷酸环化酶而产生cAMP，后者成为第二信使，激活蛋白激酶A(PKA)，再激活AQP2，因而导致水通透性增高；(3)上述两种机制共同作用。在长时调控机制中，如慢性AVP的作用、长期限水等，均可使管腔侧膜上和囊泡上AQP2 mRNA和蛋白含量增加，导致水通透性增高。
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三、AQP2水通道蛋白在充血性心力衰竭水潴留中的作用
在AQP2的病理生理学意义的研究中，最初发现尽管血液中有高浓度的AVP，如果AQP2基因突变仍可导致严重的肾原性尿崩症[4]，肯定了AQP2水通道调节机体水平衡的重要性。许多研究表明在尿崩症，获得性尿崩症(如锂剂、低血钾、高血钙等)，肾病综合征动物模型及低蛋白饮食时，肾脏AQP2表达明显减少[1]，引起多尿，机体水排出增加。然而AQP2在机体水潴留时病理生理意义究竟如何昵?
我们在1995年开始对AQP2水通道蛋白在充血性心衰水潴留和低钠血症中的作用进行了研究，自1996年以来我们和Nielsen等相继报道了在充血性心力衰竭大鼠模型肾脏AQP2基因表达上调[5～7]。我们率先报道充血性心力衰竭在血AVP增加的同时有肾脏AQP2基因mRNA和蛋白质表达的上调。AQP2基因的上调主要是由AVP介导的，V2受体拮抗剂可显著降低心力衰竭大鼠肾脏AQP2基因的表达[6]。Niesen等报道了在心力衰竭伴低钠血症时除AQP2蛋白增加外，肾脏存在的其他二种AQP家庭成员AQP1(分布于肾脏近曲小管和髓袢降支)和AQP3(分布于肾脏集合管主细胞基底侧细胞膜)蛋白并没有明显的增加，支持充血性心力衰竭时AQP2是选择性地增加的[7]。我们同时也发现心力衰竭时无论是肾皮质还是肾内髓质，AQP2呈现同样地升高，提示肾间质渗透压对充血性心衰时AQP2水通道的增加并不起主要调节作用[6]。共同证实了AQP2是充血性心力衰竭时调节肾脏水潴留的关键性蛋白质。阐明了充血性心力衰竭时水潴留机制的主要途径是心输出量下降—血AVP增加—肾脏集合管V2受体激活—AQP2激活和/或基因表达上调—水的重吸收增加。
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在随后的研究中，我们也发现机体内可能还有除AVP之外的其它一些调节AQP2表达的因子参与了充血性心力衰竭时水潴留的发生。在心梗后心衰大鼠模型，当心功能处于代偿期，血AVP水平尚在正常范围时就已经出现肾脏AQP2基因表达的轻度增加[8]，其病理生理意义还有待进一步确定。
四、尿液检测AQP2蛋白的临床意义
由于AQP2主要存在于肾脏集合管的胞质内和小管侧细胞膜上，因此部分AQP2蛋白可脱落于小管腔而被尿液冲出，这样膜中AQP2越多，脱落于尿中也越多，提示监测尿液AQP2水平有可能反映肾脏AQP2基因表达水平，因而可能具有较高的实用性[9，10]，我们最近的研究也表明(结果尚未发表)在充血性心衰大鼠模型尿液AQP2浓度与肾脏AQP2基因水平有较好的相关性(r=0.89,P<0.01)，用Western蛋白印迹方法检测发现心衰大鼠尿液AQP2浓度较对照组明显增高约4倍。同时我们还对部分充血性心衰患者尿液AQP2浓度进行了检测，结果也表明充血性心衰患者尿液AQP2浓度较健康对照组明显增加，且在伴有低钠血症的充血性心衰患者增加更明显，提示尿液AQP2浓度可能作为临床监测充血性心力衰竭时水重吸收状态的重要指标。
, 百拇医药
总之，AQP2水通道蛋白是充血性心力衰竭水潴留机制中的关键一环。监测AQP2基因的表达具有十分重要的病理生理学意义。进一步深入研究充血性心力衰竭时AQP2的调控机制，积极寻找和合成AQP2的拮抗剂必将极大地提高充血性心力衰竭的临床治疗水平，这是摆在基础和临床心血管病学者面前的一项艰巨的任务。
广东省自然科学基金资助课题(970355)
参考文献
1，Beitz E. The mammalian aquaporin water channel family: a promising new drug target. Curr Med Chem, 1999, 6∶457～647.
2，李学军，于和鸣. 水通道的分子生物学研究.生理科学进展，1996，27∶19～24.
, 百拇医药
3，Anad IS. Pathogenesis of salt and water retension in the congestive heart failure syndrome. In: Poole-wilson PA, Colucci WS, Massie BM, et al, eds. Heart failure: scientific principles and clinical practice. New York: Churchill Livingstone, 1997.155～171.
4，Deen PM, Verdijk MA, Knoers NV, et al. Requirement of human renal water channel aquaporin-2 for vasopressin-dependent concentration of urine. Science, 1994, 264∶92～95.
5，Xu DL, Martin PY, Ohara M, et al. Upregulation of aquaporin-2 water channel expression in the congestive heart failure rats (Abstract). J Am Soc Nephrol, 1996, 7∶1274.
, http://www.100md.com
6，Xu DL, Martin PY, Ohara M, et al. Upregulation of aquaporin-2 water channel expression in chronic heart failure. J Clin Invest, 1997, 99∶1500～1505.
7，Nielsen S, Terris J, Andersen D, et al. Congestive heart failure in rats is associated with increased expression and trageting of aquaporin-2 water channel in collecting duct. Proc Natl Acad Sci USA, 1997, 94∶5450～5455.
8，许顶立，任昊，Martin PY， 等. 充血性心力衰竭大鼠肾脏Aquaporin 2水通道蛋白基因的表达.中华医学杂志，1998，78∶118～120.
9，Kanno K, Sasaki S, Hirata Y, et al. Urinary excretion of aquaporin-2 in patients with diabetes insipidus. N Eng J Med, 1995, 332∶1540～1545.
10，Rai T, Sekine K, Kanno K, et al. Urinary excretion of aquaporin-2 water channel protein in human and rat. J Am Soc Nephrol, 1997, 8∶1357～1362., http://www.100md.com
单位：第一军医大学南方医院，广州510515
关键词：Aquaporin 2水通道；充血性心力衰竭；水潴留
生理科学进展000213 摘要 水潴留是充血性心力衰竭的重要病理生理表现。长期以来人们对心力衰竭时水重吸收增加的肾脏机制所知甚少。Aquaporin水通道(AQP)家族的发现是水通道生物学研究的一个新的里程碑。研究发现充血性心力衰竭时肾脏AQP2水通道基因mRNA和蛋白的表达明显上调；AQP2的上调主要由血管加压素所介导，V2受体拮抗剂可显著降低此上调；在充血性心力衰竭时肾脏AQP2表达的改变是选择性的，不伴有肾脏AQP1和AQP3蛋白表达的增加。证实AQP2水通道是充血性心力衰竭时调节水潴留的关键性蛋白质，进一步深化了人们对充血性心力衰竭时水潴留机制的认识。
学科分类号 R541.6
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自从Agre及其同事发现哺乳动物红细胞膜上存在Aquaporin水通道蛋白(AQP)以来，目前已经确定了10种AQP家族成员，使人们对水通道的生物学研究进入了一个新的阶段[1，2]，许多研究者反复自问的一个问题就是“这种AQP的生理学重要性究竟是什么？”本综述就AQP2水通道在充血性心力衰竭(CHF)时水潴留发病机制中的作用进行简要介绍。
一、充血性心力衰竭水潴留机制研究的回顾
水钠潴留是充血性心力衰竭最重要的病理生理改变之一，也是心源性水肿的最主要发病机制，同时还是充血性心衰出现症状的重要原因，并可导致心脏功能的进一步受损。早在19世纪，Hope(1832)提出的“后向性心衰学说”和Starling(1896)、Mackenzie(1913)提出的“前向性心衰学说”就已开始对充血性心衰时水钠潴留的机制进行了探索。但直到半个世纪前Merrill提出“肾脏学说”，人们才认识到充血性心力衰竭时的水钠潴留主要是由于肾脏的调节功能的异常而产生的[3]，肾脏是充血性心衰发病机制的中心环节之一。
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由于在充血性心衰时肾脏本身的内在功能是正常的(如果将这个肾脏移植到正常环境时肾脏功能可以完全恢复正常)，因而人们对引起肾脏钠和水潴留的传入和传出机制进行了大量的研究。认识到心力衰竭时水钠潴留的肾内机制主要为肾血浆流量降低、肾小球滤过率降低、肾小球滤过分数增高，近曲小管对钠水重吸收加强，远曲小管对钠和/或水重吸收加强，肾内血流重新分布等。而导致这些改变的机制除心力衰竭时由于心输出量和有效循环血量减少导致的血液动力学改变因素外，心力衰竭时过度激活的神经内分泌因素起着至关重要的作用。与压力感受器激活，交感神经兴奋、肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活、血管加压素(抗利尿激素，AVP)分泌增加以及心钠素、肾脏前列腺素和缓激肽系统的改变有密切关系[3]。
而在CHF水潴留机制的研究中，人们普遍认为除肾内机制外，氯化钠重吸收时的强制性(obligatory)水重吸收，血管紧张素Ⅱ和血管加压素的增高是CHF时水潴留和低钠血症发生的主要原因[3]。血管加压素被认为是CHF水潴留的中心环节。血管加压素通过与位于肾脏集合管主细胞基底侧膜上的V2受体结合，激活腺苷酸环化酶，增加细胞内cAMP而增加水的重吸收。然而，长期以来对水重吸收的肾脏细胞机制的了解相当贫乏。肾脏AQP水通道家族的发现是水通道生物学研究的一个新里程碑。
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二、Aquaporin 2(AQP2)水通道蛋白的生理调节
到目前为止，已知可在肾脏表达的AQP水通道家族成员至少有6种，即AQP1、AQP2、AQP3、AQP4、AQP6和AQP7。AQP2是1993年由Fushimi等报道的，最初的命名为AQP-CD。AQP2主要表达在肾脏集合管主细胞的管腔侧细胞膜和胞质内，由271个氨基酸组成。研究表明AQP2是受AVP调控的最主要的肾脏水通道蛋白，在调节机体水平衡中起着至关重要的作用[1，2]。
对AQP2的调控主要有两种方式，一是短时调控机制，二是长时调控机制[1，2]。两种机制似乎均有AVP的参与。参与短时调控的机制有：(1)“囊泡穿梭假说”，当AVP水平增高后，细胞质内的囊泡与管腔面细胞膜融合，AQP2通过出胞运动(esocytosis)转移至管腔游离面的细胞膜上，使管腔侧细胞膜上AQP2数量增加，对水的通透性增高，而当血管加压素水平降低时，又重新形成囊泡回到细胞内，管腔侧细胞膜上AQP2的数量也相应减少。有实验证明，突触联接素(synaptobrevin)在囊泡的移动中起重要作用；(2)蛋白磷酸化作用，肾脏集合管主细胞上存在着血管加压素受体V2，与AVP特异性结合后，激活腺苷酸环化酶而产生cAMP，后者成为第二信使，激活蛋白激酶A(PKA)，再激活AQP2，因而导致水通透性增高；(3)上述两种机制共同作用。在长时调控机制中，如慢性AVP的作用、长期限水等，均可使管腔侧膜上和囊泡上AQP2 mRNA和蛋白含量增加，导致水通透性增高。
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三、AQP2水通道蛋白在充血性心力衰竭水潴留中的作用
在AQP2的病理生理学意义的研究中，最初发现尽管血液中有高浓度的AVP，如果AQP2基因突变仍可导致严重的肾原性尿崩症[4]，肯定了AQP2水通道调节机体水平衡的重要性。许多研究表明在尿崩症，获得性尿崩症(如锂剂、低血钾、高血钙等)，肾病综合征动物模型及低蛋白饮食时，肾脏AQP2表达明显减少[1]，引起多尿，机体水排出增加。然而AQP2在机体水潴留时病理生理意义究竟如何昵?
我们在1995年开始对AQP2水通道蛋白在充血性心衰水潴留和低钠血症中的作用进行了研究，自1996年以来我们和Nielsen等相继报道了在充血性心力衰竭大鼠模型肾脏AQP2基因表达上调[5～7]。我们率先报道充血性心力衰竭在血AVP增加的同时有肾脏AQP2基因mRNA和蛋白质表达的上调。AQP2基因的上调主要是由AVP介导的，V2受体拮抗剂可显著降低心力衰竭大鼠肾脏AQP2基因的表达[6]。Niesen等报道了在心力衰竭伴低钠血症时除AQP2蛋白增加外，肾脏存在的其他二种AQP家庭成员AQP1(分布于肾脏近曲小管和髓袢降支)和AQP3(分布于肾脏集合管主细胞基底侧细胞膜)蛋白并没有明显的增加，支持充血性心力衰竭时AQP2是选择性地增加的[7]。我们同时也发现心力衰竭时无论是肾皮质还是肾内髓质，AQP2呈现同样地升高，提示肾间质渗透压对充血性心衰时AQP2水通道的增加并不起主要调节作用[6]。共同证实了AQP2是充血性心力衰竭时调节肾脏水潴留的关键性蛋白质。阐明了充血性心力衰竭时水潴留机制的主要途径是心输出量下降—血AVP增加—肾脏集合管V2受体激活—AQP2激活和/或基因表达上调—水的重吸收增加。
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在随后的研究中，我们也发现机体内可能还有除AVP之外的其它一些调节AQP2表达的因子参与了充血性心力衰竭时水潴留的发生。在心梗后心衰大鼠模型，当心功能处于代偿期，血AVP水平尚在正常范围时就已经出现肾脏AQP2基因表达的轻度增加[8]，其病理生理意义还有待进一步确定。
四、尿液检测AQP2蛋白的临床意义
由于AQP2主要存在于肾脏集合管的胞质内和小管侧细胞膜上，因此部分AQP2蛋白可脱落于小管腔而被尿液冲出，这样膜中AQP2越多，脱落于尿中也越多，提示监测尿液AQP2水平有可能反映肾脏AQP2基因表达水平，因而可能具有较高的实用性[9，10]，我们最近的研究也表明(结果尚未发表)在充血性心衰大鼠模型尿液AQP2浓度与肾脏AQP2基因水平有较好的相关性(r=0.89,P<0.01)，用Western蛋白印迹方法检测发现心衰大鼠尿液AQP2浓度较对照组明显增高约4倍。同时我们还对部分充血性心衰患者尿液AQP2浓度进行了检测，结果也表明充血性心衰患者尿液AQP2浓度较健康对照组明显增加，且在伴有低钠血症的充血性心衰患者增加更明显，提示尿液AQP2浓度可能作为临床监测充血性心力衰竭时水重吸收状态的重要指标。
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总之，AQP2水通道蛋白是充血性心力衰竭水潴留机制中的关键一环。监测AQP2基因的表达具有十分重要的病理生理学意义。进一步深入研究充血性心力衰竭时AQP2的调控机制，积极寻找和合成AQP2的拮抗剂必将极大地提高充血性心力衰竭的临床治疗水平，这是摆在基础和临床心血管病学者面前的一项艰巨的任务。
广东省自然科学基金资助课题(970355)
参考文献
1，Beitz E. The mammalian aquaporin water channel family: a promising new drug target. Curr Med Chem, 1999, 6∶457～647.
2，李学军，于和鸣. 水通道的分子生物学研究.生理科学进展，1996，27∶19～24.
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3，Anad IS. Pathogenesis of salt and water retension in the congestive heart failure syndrome. In: Poole-wilson PA, Colucci WS, Massie BM, et al, eds. Heart failure: scientific principles and clinical practice. New York: Churchill Livingstone, 1997.155～171.
4，Deen PM, Verdijk MA, Knoers NV, et al. Requirement of human renal water channel aquaporin-2 for vasopressin-dependent concentration of urine. Science, 1994, 264∶92～95.
5，Xu DL, Martin PY, Ohara M, et al. Upregulation of aquaporin-2 water channel expression in the congestive heart failure rats (Abstract). J Am Soc Nephrol, 1996, 7∶1274.
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6，Xu DL, Martin PY, Ohara M, et al. Upregulation of aquaporin-2 water channel expression in chronic heart failure. J Clin Invest, 1997, 99∶1500～1505.
7，Nielsen S, Terris J, Andersen D, et al. Congestive heart failure in rats is associated with increased expression and trageting of aquaporin-2 water channel in collecting duct. Proc Natl Acad Sci USA, 1997, 94∶5450～5455.
8，许顶立，任昊，Martin PY， 等. 充血性心力衰竭大鼠肾脏Aquaporin 2水通道蛋白基因的表达.中华医学杂志，1998，78∶118～120.
9，Kanno K, Sasaki S, Hirata Y, et al. Urinary excretion of aquaporin-2 in patients with diabetes insipidus. N Eng J Med, 1995, 332∶1540～1545.
10，Rai T, Sekine K, Kanno K, et al. Urinary excretion of aquaporin-2 water channel protein in human and rat. J Am Soc Nephrol, 1997, 8∶1357～1362., http://www.100md.com