水通道蛋白1在腹膜透析中的研究现状及进展_君娜.pdf

Journal Of Diseases Monitor&Control Feb.2023 Vol.17 No.1水通道蛋白1在腹膜透析中的研究现状及进展（1.内蒙古医科大学 第一临床医学院，内蒙古 呼和浩特 010059；2.内蒙古医科大学附属医院 肾内科，内蒙古 呼和浩特 010050）【摘 要】腹膜透析是终末期肾脏病的替代治疗方案之一，相较于血液透析来说，具有价格低廉、操作方便、血流动力学稳定、对残余肾功能有较好的保护作用等优势。作为腹膜上表达量最大的水通道蛋白家族成员，水通道蛋白1在腹膜透析过程中起着关键的作用。因此本文主要针对水通道蛋白1在腹膜上的分布、对超滤及腹膜纤维化的影响、部分调控机制及遗传学发现作阐述，为腹膜透析患者判断腹膜功能、延缓超滤衰竭、制订个性化透析方案提供新思路。【关键词】水通道蛋白1；腹膜透析；超滤；腹膜纤维化中图分类号：R572.2文献标识码：A文章编号：1673-9388（2023）01-0074-05DOI：10.19891/j.issn1673-9388.（2023）01-0074-05君娜1，赵建荣2*收稿日期：2022-09-18；修回日期：2022-12-28第一作者：君娜（1995），女，2020级在读硕士研究生。E-mail：*通信作者：赵建荣，女，博士，主任医师，硕士研究生导师。研究方向：慢性肾脏病及肾脏替代治疗。E-mail：RESEARCH STATUS AND PROGRESS OFAQUAPORIN 1 IN PERITONEAL DIALYSISJUN Na1，ZHAO Jianrong2*（1.College of First Clinical Medical，Inner Mongolia Medical University，Hohhot 010059，China；2.Department of Nephrology，The Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University，Hohhot 010050，China）【Abstract】Peritonealdialysisisoneofthealternativetreatmentoptionsforend-stagerenaldisease.Comparedwithhemo-dialysis，ithasmanyadvantagesincludinglowprice，easyoperation，stablehemodynamicsandbetterprotectionoftheresidualre-nalfunction.Asthemostexpressedmemberoftheaquaporininperitoneum，aquaporin-1playsavitalroleintheprocessofperito-neal dialysis.Therefore，this article primarily focuses on the distribution of aquaporin-1 in the peritoneum，the influence of ultra-filtration and peritoneal fibrosis，part of the regulatory mechanisms and genetic discoveries，so as to provide new ideals for perito-nealdialysispatientstojudgeperitonealfunction，delayultrafiltrationfailure，anddeveloppersonalizeddialysisprograms.【Keywords】Aquaporin-1；Peritonealdialysis；Ultrafiltration；Peritonealfibrosis腹膜透析（peritoneal dialysis，PD）作为肾脏替代治疗的重要方式在过去几十年迅速发展，我国腹膜透析人群基数庞大1，根据全国血液净化病例登记系统（CNRDS）的数据，2020年底全国在透腹膜透析患者11.4万例，与2012年相比增加了2.1倍2。腹膜透析利用人体自身的腹膜作为透析膜，当腹膜毛细血管中的液体与灌入腹腔的透析液接触时，血液中的溶质扩散到透析液中，透析液中的葡萄糖产生的渗透梯度使水从血液超滤到透析液中，以此来清除体内潴留的代谢产物和过多的水分，同时通过透析液补充机体所必需的物质3。水通道蛋白（aquaporins，AQPs）是一类完整的膜蛋白家族，能够促进水和其他小溶质在生物膜中快速而高选择性地流动，对保持细胞内外环境的稳态起重要作用。水通道蛋白1（aquaporin-1，AQP1）是AQP家族最早被发现的一员，且为腹膜中表达量最大的AQP成员。20世纪90年代，Rippe B教授的研究团队在大量基础实验和数学模型推理的基础 74疾病监测与控制2023 年 2 月第 17 卷第 1 期上提出了著名的“三孔模型”来解释作为腹腔间溶质和水转运的屏障腹膜是如何进行物质交换的，并提出存在一种“微小的仅允许水分子通过”的超小孔结构，是产生“钠筛”现象的物质基础4。后来国内外大量研究证明，这种超小孔结构就是AQP1。AQP1的发现对理解腹膜透析过程中腹膜功能的改变意义重大。本文就水通道蛋白1在腹膜透析中的最新研究进展作如下综述。1 水通道蛋白1与腹膜腹膜的大小接近人体体表面积，解剖结构分为两层，一层是覆盖腹部器官的腹膜脏层，占总表面积的80%；另一层是覆盖膈下表面和前腹壁内表面的腹膜壁层。在组织学方面，腹膜由一层鳞状和立方状纤毛间皮细胞及间皮下间质组织构成，间皮下间质组织含有成纤维细胞、脂肪细胞、胶原纤维、神经、淋巴管和毛细血管3。早期研究者们将AQP1主要定位于腹膜毛细血管内皮及小静脉内皮细胞中，对间皮细胞是否表达AQP1存在争议。然而Lai等5首次在人类腹膜间皮细胞中发现AQP1 mRNA和蛋白，并通过双免疫组化染色证实AQP1蛋白在腹膜间皮细胞中的定位。Schoenicke等6采用免疫组化和半定量评分系统，观察了腹膜透析患者腹膜活检组织中AQP1的表达情况，同样发现AQP1表达于间皮细胞层，且间皮细胞AQP1表达与内皮细胞AQP1表达存在一定的相关性（r=0.69，P0.001）。国内一些研究结论也与其一致，所以目前普遍认为腹膜毛细血管和小静脉内皮细胞、间皮细胞均表达AQP1，而小动脉上未见。近年的研究认为AQP1在维持腹膜间皮细胞的生理功能方面可能起着重要作用。Wang 等7通过比较发现AQP1基因敲除透析组小鼠腹膜纤维化程度最为严重且腹膜厚度增加，电子显微镜观察到AQP1基因敲除透析组基底膜受损，腹膜间皮细胞破坏和分离，根据这一结论提出AQP1在透析期间可以保护间皮细胞。这表示腹膜间皮细胞AQP1的表达情况一定程度上可以反映腹膜间皮细胞的健康状况，其表达的下降可能使腹膜间皮细胞受损。2 水通道蛋白1与超滤腹膜透析作为一种居家治疗方式，尽管具备诸多优势，但仍存在一些难以突破的瓶颈，如超滤。超滤（ultrafiltration）是指清除体内多余水分，恢复正常体液状态，以及溶质清除的能力。超滤量下降所致的容量超负荷可导致充血性心力衰竭、左心室体积增大、肺动脉高压、残余肾功能下降等多种临床不良事件的发生，从而增加患者全因死亡率及心血管疾病病死率8，9。一直以来腹膜透析时腹膜液体交换的最佳解释是由 Rippe等4利用计算机模拟提出的“三孔模型”，该模型认为AQP1是内皮细胞上的超小孔结构，是腹膜水转运的主要限制屏障。早期使用AQP1基因敲除（AQP1-KO）小鼠的研究表明，渗透介导的水转运在AQP1-KO小鼠中显著减少10，后来的研究发现AQP1-KO小鼠完全失去钠筛现象，净超滤下降50%，初始超滤和无溶质超滤减少约70%，而透析液对血浆渗透压的葡萄糖重吸收没有变化，且AQP1的剔除对腹膜的结构没有影响，如腹膜毛细血管的密度或直径11。Zhang 等12的最新研究使用 Cre/loxP 重组系统排除了以往AQP1-KO小鼠的部分胚胎致死率和体质量下降等可能干扰内皮细胞AQP1功能分析的潜在混杂效应，构建了内皮细胞和时间特异性AQP1敲除（AQP1fl/fl；Cdh5-Cre+）小鼠，在1 h葡萄糖浓度3.86%的迷你腹膜平衡试验（mini-PET）中，与对照组（AQP1fl/fl；Cdh5-Cre-）相 比，AQP1fl/fl；Cdh5-Cre+小鼠的 AQP1 相关跨细胞水转运指数显著降低，其中净超滤、钠筛、自由水转运分别减少43.0%、93.0%、57.9%，但尿素和葡萄糖等小溶质的转运速率没有显著改变，证实了在 mini-PET 期间，内皮AQP1的缺失显著减少了自由水转运，而小溶质转运参数没有显著变化，证明了内皮AQP1与腹膜透析中自由水转运的功能相关性，从而进一步验证了腹膜转运“三孔模型”的基本预测。国内一些临床研究从PD患者的腹膜活检发现AQP1在不同腹膜转运功能的PD患者中的表达程度存在差异，其中高转运组患者AQP1蛋白表达明显降低，而低转运组明显增加。这提示AQP1在不同腹膜转运能力中的表达差异13。目前的研究均表明腹膜透析时AQP1对超滤的重要作用，AQP1减少或功能丧失可能导致超滤衰竭（ultrafiltration failure，UFF）。但目前对AQP1与腹膜透析超滤的研究大多集中于内皮细胞，人腹膜间皮细胞也已被证实在质膜上表达AQP1。这表明间皮细胞也可能参与腹膜透析期间的自由水转运。Piccapane等14的最新研究利用人间皮永生细胞系（HMC）为体外模型，测量了AQP1缺失或存在时渗透驱动的跨间皮水通量。根 75Journal Of Diseases Monitor&Control Feb.2023 Vol.17 No.1据间皮AQP1与PD期间超滤量和钠筛现象密切相关的观察结果表明，腹膜间皮细胞层可能是一个额外的选择性屏障，通过AQP1的功能表达调节腹膜透析时的水转运。近年来由于人们对于疾病风险的评估和治疗策略制订的需要，在体液、组织中寻找到特异性较强的生物标志物成为热点。腹膜透析滤出液（peri-toneal dialysis effluent，PDE）的取材简便、标本易得，寻找PDE中特定的生物标记物为评判腹膜功能、预测超滤衰竭开拓了新思路。Corciulo等15研究了30例腹膜透析患者的PDE，首次提出腹膜间皮细胞表达的AQP1通过外泌体在腹膜透析滤出液中释放，并与超滤呈正相关，证实了AQP1丰度与腹膜超滤效率的相关性。国内学者的研究表明高转运及高平均转运组PDE中AQP1水平低于低转运及低平均转运组，多因素Logistic回归分析显示PDE中AQP1水平越高，发生UFF的风险越低，认为监测PDE中AQP1水平可能对早期识别UFF 具有重要意义16。腹膜透析滤出液中的AQP1可能是代表腹膜屏障完整性、反映腹膜功能的潜在非侵入性生物标志物15。利用腹膜透析滤出液AQP1水平来评价腹膜透析充分性、转运特性、测试新型腹膜透析液的生物相容性预计会成为未来腹膜透析发展的新目标。3水通道蛋白1与腹膜纤维化腹膜纤维化是腹膜透析的慢性并发症之一，其病理特点是腹膜表面间皮细胞（HPMC）从上皮细胞转变为成纤维细胞，该过程称为上皮-间充质转化（epithe-lial-mesenchymal transition，EMT）17。EMT、间皮细胞下间质增厚、新生血管生成等会导致腹膜基本结构被破坏，这些改变导致透析充分性不足，被认为是腹膜透析技术失败的主要原因之一18。尽管有越来越多的证据表明AQP1在腹膜透析中的重要性，但AQP1在腹膜纤维化进展过程中的作用仍不明确。Hsu等19建立了次氯酸钠（NaClO）诱导的新型猪腹膜纤维化模型，并发现两次0.1%NaClO给药的处理改变了AQP1的细胞分布，损伤后的间皮和内皮细胞AQP1信号减弱并分散到胞浆中，且AQP1蛋白表达显著下降。由于AQP1需要通过膜定位才能发挥作用，因此AQP1的异常定位将导致AQP1功能障碍。在进一步的机制研究中发现细胞内活性氧（ROS）的积累诱导了NOX4（NADPH oxidases 4）相关的间皮和内皮细胞氧化损伤，进而破坏了细胞骨架结构，影响了细胞胞内AQP1转运和蛋白表达。AQP1的数量和细胞定位障碍干扰了水的转运，导致钠筛消失。上述结果损害了腹膜形态和功能的完整性，导致腹膜透析失败20。但这只是基于动物模型的试验，AQP1在人腹膜纤维化进程中的变化还有待深入研究。4水通道蛋白1的调控近年来一系列调控 AQP1 的机制被报道。AQP1在渗透压刺激作用下可重新分布，控制细胞体积，调节细胞膜通透性从而影响细胞水转运。AQP1向质膜的移位和膜通透性的控制被认为涉及蛋白激酶C和钙信号21。Jiang等22以此为基础将过度表达AQP1的细胞暴露于低渗或高渗培养基中并进行荧光成像，渗透刺激在515 min内诱导AQP1移位到细胞膜上，且低渗刺激导致细胞体积增大；高渗刺激则相反，导致细胞体积减小。其进一步的研究发现渗透刺激引起的细胞体积的变化可被钙调蛋白激酶抑制剂而不是蛋白激酶C（PKC）抑制剂所消除，表明在渗透刺激的早期反应中AQP1活性可能通过Ca2+/CamK调节但不依赖于PKC途径。Zhai 等23使用 HEK-293T 细胞来研究 pH 对AQP1基因转录水平的影响，发现AQP1 mRNA水平随着pH值的增加而增加，这种表现与pH对腹膜间皮细胞AQP1基因表达的调节作用非常相似。进一步的研究发现转录因子SPIB在HEK-293T细胞中的过度表达增加了野生型AQP1启动子的活性，但没有增加突变型AQP1基因启动子的活性，并增加了 AQP1mRNA 的表达，这些结果表明转录因子SPIB可能参与pH介导的AQP1表达调节。Yin等24的研究显示PD患者腹膜透析滤出液中的 基 质 金 属 蛋 白 酶（matrix metalloproteinases-7，MMP-7）水平显著升高，且MMP-7水平升高与腹膜超滤量呈负相关，并在机制研究中发现MMP-7激活了丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）-细胞外信号调节激酶1/2（ERK）通路，进而促进AQP1的表达，导致细胞渗透压的改变，使用ERK通路的特异性抑制剂可阻断MMP-7介导的AQP1上调和细胞稳态。此外，糖皮质激素、氧化应激18、低氧等多种因素也参与了 AQP1的调控。AQP1基因表达增加可改善腹膜的超滤功能，增强腹膜细胞的迁移和修复能力25，从而延长腹膜透析的时间。因此，研究AQP1的表达调控具有重要意义，通过调节AQP1可以实现多种重要的生物治疗效果。76疾病监测与控制2023 年 2 月第 17 卷第 1 期5 水通道蛋白1与遗传AQP1在腹膜透析超滤中的关键作用使其自然成为研究遗传因素对腹膜透析预后潜在影响的主要对象。在人群水平上，在腹膜透析初始进行时，从腹膜平衡试验（PET）中即可观察到腹膜特性存在广泛的个体差异，且这种个体差异不能用临床因素或引起肾功能衰竭的原因来解释。一项全基因组关联研究表明，腹膜溶质转移率（PSTR）的遗传率约为 19%，多基因风险评分与 PSTR 显著相关26，为PSTR个体间变异的遗传学基础提供了证据。Morelle等27的一项最新研究发现，AQP启动子常见变异rs2075574与腹膜超滤相关。rs2075574是一种常见的AQP1启动子变体，位于AQP1基因转录起始位点的上游，具有增加启动子活性和后续AQP1基因转录的DNA片段，AQP1变体rs2075574是多态性的，在人类中具有TT、CT和CC三种基因型28。在这项综合研究中研究者发现27，与CC基因型相比，TT基因型患者腹膜中AQP1mRNA水平降低27%，AQP1蛋白水平降低37%；净超滤量较低，死亡或技术失败（即转为血液透析）的综合结果风险较高，以及全因病死率较高，而在CT和CC基因型患者的比较中则无显著差异。但也有学者认为26腹膜超滤量的变异性在个体之间存在，这并不能由AQP1启动子基因型单独解释，也受患者自身心功能和残余肾功能等多因素的影响，且启动子基因型和可变AQP1表达对长期腹膜透析所导致的腹膜自身改变，如血管生成、腹膜纤维化等所产生影响力尚不清楚28。未来，将遗传学特异性转化为精准医学将有助于满足理解腹膜透析和调节透析方案的重要需求。从更深刻的意义来说，完善人类特征的遗传图谱可能会为终末期肾脏病患者治疗方式的选择提供信息，带来个体化的肾脏替代治疗。6 展望与发展综上所述，AQP1与腹膜透析密切相关，我们有必要更好地了解AQP1在腹膜纤维化进程中的潜在作用机制，以及 AQP1 与血管内皮功能、细胞迁移及相关分子之间的复杂关系，针对AQP1的调控机制进行干预，从而多途径、多靶点抑制腹膜纤维化，阻断及延缓腹膜超滤衰竭，开发新型腹透液，以提高腹膜透析效率和患者的生存率。并且随着对AQP1 遗传学研究的不断深入，我们需积极探索AQP1基因变异与腹膜转运功能个体差异之间的潜在关系，为患者提供个体化的肾脏替代治疗方案。参考文献1Li PK，Chow KM，Van de 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