水通道与肺内液体转运
水通道与肺内液体转运
宋元林 麻彤晖 白春学 杨宝学
关键词：水通道蛋白(water channel，aquaporin) ；肺内液体转运 从红细胞膜上的水通道蛋白(water channel，aquaporin)被克隆以来，有关水通道的研究取得了系列性的进展。到目前为止已克隆的哺乳动物水通道家族有10个成员，其基因结构、基因表达调控、染色体定位、蛋白结构、组织分布和生理功能得到了较为深入的研究。目前已证明水通道在体内液体转运和某些腺体分泌方面有重要生理作用。伴随水通道的发现和研究，一系列用以测定肺内不同屏障之间主动及被动液体转运的技术和方法亦得到了发展。我们即阐述了肺内水通道的结构、分布、生理功能及可能的临床应用。
一、水通道家族的发现及结构和组织分布及功能
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人们很早以前即对细胞内外水的转运途径进行了研究。一般认为水穿过细胞膜有两种方式，一是弥散通过脂质双分子层，二是细胞膜上存在选择性通透水的通道蛋白[1]。经脂质双分子层的弥散通透性(Pd)与温度相关，温度高低影响水的弥散速度。渗透压梯度引起的水跨膜转运(pf)反映了通道蛋白介导水穿过细胞膜的能力。在许多组织，pf/pd接近1，说明水依靠弥散作用穿过膜。若pf/pd远远大于1，则提示膜上存在水通道。
早期的生物物理学研究发现红细胞及近端肾小管对渗透压改变引起的水的通透性很高，很难单纯以弥散来解释。Macey[2]等进一步证实水穿越红细胞膜可被有机汞制剂所抑制，提示膜上存在一种对汞制剂敏感的水通道蛋白。pf/pd远远大于1也支持有水通道存在。Preston和Agre[3]等在分离、纯化Rh血型相关蛋白时偶然发现人红细胞膜上存在分子量约为28×103的细胞膜整合蛋白，将其克隆。并将其cRNA注入非洲爪蟾卵细胞，细胞膜水的通透性增加8倍[4]，并可被汞制剂抑制，从而证实该蛋白具有水通道功能。此为第一个被克隆的水通道，因其分子量约为28×103，当初命名为CHIP28，后经人类基因委员会命名其为aquaporin1(AQP1)。以后陆续发现该蛋白家族的其他成员。迄今为止已发现10种水通道(AQP0-AQP9)。它们与先前克隆的晶体纤维中的主要内源性蛋白(MIP)有20%～40%的氨基酸序列同源性。目前所发现的水通道均属MIP家族，后经证明MIP亦有弱水通道活性，被命名为AQP0。AQP在人类染色体上均为单一拷备基因，其中AQP1位于7P14[5]，AQP3、7位于9P13[6]，AQP4位于18号染色体q11.2与q12.1连接处[7]，AQP2，5，6及AQP0连锁位于人类染色体12q13[8]，构成一水通道蛋白基因族。AQP8位于16P12[9]。AQP分子量约(27～31)×103。其中AQP0是晶体纤维的主要内源性蛋白，AQP2主要存在于肾脏集合管主细胞的上皮膜，是受抗利尿激素素调节的水通道[10]，与非-X连锁遗传性肾性尿崩症有关[11]。AQP4和AQP7对汞制剂不敏感[12]。虽然大多数水通道对水分子的转运具高度选择性，但是一些水通道除转运水之外，还同时转运其他小分子物质，如AQP3，7，8，9可转运不等量的尿素、甘油[13-19]等。哺乳动物体内水通道的大致分布见表1。
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表1 不同水通道在体内分布
呼吸系统
AQP1：肺毛细血管内皮细胞
AQP3：大气道(气管、支气管)粘膜上皮基底边膜
AQP4：小气道粘膜上皮基底边膜
AQP5：肺泡上皮细胞膜(I型肺泡细胞)
消化系统
AQP1：胆囊颈上皮，肝内胆管上皮，唾液腺毛细血管内皮
腹膜毛细血管内皮，胰腺外分泌腺泡细胞
AQP3：结肠绒毛上皮
, 百拇医药
AQP4：胃粘膜主细胞和壁细胞基底边膜
AQP5：唾液腺浆液腺泡细胞
AQP8：肝细胞，胰腺腺泡上皮，结肠绒毛上皮，唾液腺浆液腺细胞
AQP9：肝细胞
循环系统
AQP1: 心脏无孔型血管内皮细胞
眼球
AQP1：睫状体非色素上皮，覆盖小梁网的
内皮细胞，角膜内皮及角化细胞
AQP4：视网膜，泪腺上皮基底边膜
, 百拇医药
AQP5：角膜上皮，泪腺上皮
AQP0：晶体纤维
泌尿系统：
AQP1；近曲小管，亨氏袢降支细段上皮细胞浆膜面
AQP2：集合管主细胞胞浆内囊泡和上皮膜
AQP3：皮质及外髓集合管上皮基底边膜
AQP4：内髓集合管上皮基底边膜
神经系统
AQP1：大脑脉络膜上皮
AQP3：大脑表面脑膜细胞基底边膜
, 百拇医药 AQP4：星型胶质细胞终足，室管膜上皮基底边膜
运动系统
AQP1：骨骼肌毛细血管内皮
AQP4：快肌纤维细胞膜
因为AQP1易于大量地从人类红细胞膜上进行纯化，故对水通道蛋白结构的认识大多源于AQP1的研究。早期应用冰冻蚀刻电子显微镜技术[20]研究提示，AQP1在质膜上以四聚体形式存在。AQP1蛋白结晶成功后，电子晶体衍射图分析发现每个单体是一个独立的功能单位。每个单体肽链跨越细胞膜6次，并围绕形成腔型，中间可能即是水分子穿越的孔道[21]，直径大约0.6 nm。氨基酸链在膜两侧形成5个环形结构(LoopA，B，C，D，E)。所有水通道家族成员在B、E环上均含有由3个氨基酸Asn-pro-Ala形成的模体符。在此模体符附近的氨基酸序列在所有水通道中均高度保守。位于红细胞和肾近曲小管的水通道AQP1可被HgCl2抑制，这也解释了早期应用HgCl2作为利尿剂的机理。位于第189位半胱氨酸是汞制剂的作用位点[22]，在此位置插入较半胱氨酸大的氨基酸可明显降低渗透压差引起的水的通透性，提示189位的半胱氨酸可能位于水通道的开口附近。B环上第73位点与189位点一样，只是B环位于细胞外。在189位上半胱氨酸被替换后水通道对汞制剂不再敏感，在73位上引入半胱氨酸后又恢复对汞制剂的敏感，在此位置上替换成大残基的氨基酸后又降低了水的通透性[23]。以上提示73与189号位点位于水通道的开口附近。
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二、水通道在肺内的分布及功能
上表中已列出目前已知的AQP1，3，4，5在肺内的分布位置。肺泡内液体的吸收以前仅以Starling机制来解释，即由于肺泡内外存在流体静力压和渗透压差异而导致水自肺泡吸收。自Matthay等[24]发现了肺泡内液体的主动转运机制后，肺内液体吸收机制受到了挑战。目前认为肺泡Ⅱ型细胞上存在钠通道(ENaC)，基底膜上存在Na-K-ATP酶，Na-K-ATP酶主动将K泵入胞内，将Na泵到胞外，造成胞内、外Na电势差，肺泡内Na顺电势差经上皮膜上的钠通道(ENaC)进入Ⅱ型上皮细胞，Cl-则经上皮细胞之间紧密连接被动进入细胞间隙，再进入间质，由主动转运引起的上皮与间质之间渗透压差则是水经肺泡上皮进入间质的动力。由于I型肺泡上存在AQP5，故肺泡内液体经水通道及通过弥散作用进入间质，最后进入淋巴管和毛细血管。在液体通过气道，肺泡和毛细血管屏障时至少有3种水通道参与，即AQP1，AQP4，AQP5。由于汞制剂的毒性，且目前缺乏其它可用于体内实验的水通道抑制剂，故研究水通道生理功能的最好模型是水通道基因敲除(gene knockout)的动物模型。 与野生型相比，AQP1敲除小鼠肺泡-毛细血管间水的渗透性水通透性较野生型降低10倍[25，26]，在AQP5敲除小鼠亦降低10余倍[27]，AQP1，4均敲除小鼠降低14～16倍[26]，AQP1，5均敲除小鼠降低25～30倍[27]。这显示去除水通道的小鼠肺内毛细血管与肺泡之间的水通透性明显降低。但肺泡液体主动吸收并不受影响[25，27]。在肺泡液体主动重吸收方面，AQP1，5基因同时敲除的小鼠肺泡液体清除率同野生型小鼠比较并无显著性差异，即使经角化上皮生长因子(KGF)预先处理过的转基因小鼠，其清除率亦无明显变化[27]。水通道不影响肺泡液体主动重吸收的原因可能是由于主动重吸收过程缓慢，不足以体现水通道的快速转运功能。在压力升高引起的肺水肿模型中，AQP1敲除小鼠形成肺水肿的速度和程度较野生型减轻[25]，但在AQP5基因敲除的小鼠并无明显改变[27]。以上资料提示AQP1，4，5促进肺内由渗透压改变引起的水的快速转运。AQP1缺失可减轻压力性肺水肿。限于肺内血管支气管分布的复杂性，目前尚未证实是何种途径导致在AQP1缺失小鼠压力性肺水肿减轻，可能是由于肺内血管发育或血管床面积与野生型比较为少，导致在AQP1缺失的小鼠肺毛细血管压力升高造成漏出到肺间质的液体量减少，毛细血管渗透压升高导致的液体漏出很可能主要是通过细胞旁途径而非经过水通道。AQP4存在于小气道粘膜上皮基底膜，该部分气道包括终末支气管和呼吸性支气管。这些支气管的血供来源为支气管动脉，但在呼吸性细支气管水平存在支气管动脉和肺动脉之间的交通。在动物试验中，灌注肺动脉，并在肺泡中滴入等渗液体以研究水的转运，由小气道吸收的液体经肺循环带走。推测在正常肺内小气道液体的吸收先经支气管动脉然后进入肺循环。我们发现去除AQP4的小鼠与野生型比较，肺泡毛细血管水通透性并无明显区别，但在AQP1缺失的小鼠再去除AQP4，肺泡毛细血管间水通透性下降1.4～1.6倍[26]，与肺小气道面积占肺泡面积的1%来算，小气道对液体重吸收所起的作用较以前估计的要大。肺内大部分水通道在胎儿时期表达很低，接近预产期则出现显著变化。AQP4在小鼠出生前2天mRNA水平增加8倍，出生后1天继续增加。出生后第1天可检测到AQP1蛋白存在，一般1周内达到高峰，而AQP5在出生后缓慢增加，直至成年期[28，29]。AQP表达水平的变化提示某些水通道可能参与出生早期肺内液体的快速转运，这对于尽早恢复正常呼吸功能可能具有重要意义。
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我们研究了出生早期野生型小鼠及水通道去除小鼠肺内液体吸收情况及高氧(>95%)、酸吸入、thiourea引起的肺损伤中肺外水的含量[30]，结果发现出生后45 min，AQP1，4，5肺的干湿重比(W/D)与野生型相比，无明显差别。以上3种肺损伤模型中肺的干湿重也无明显区别。说明在出生前后尽管水通道蛋白的表达出现一些戏剧性变化，但相对较缓慢的肺泡内液体吸收(出生后24小时肺干湿重达到成年大鼠值)似乎并不受水通道蛋白的影响。各种肺损伤模型，由于直接或间接损害了肺的微血管，肺内液体的积聚和吸收也不受水通道蛋白的影响。由此可以推测，在液体高效转运的结构，如肾小管、集合管上皮细胞，唾液腺，液体主动转运的速度为0.5 μl.min-1.cm-2 [27] ， 水主要通过水通道转运；在液体转运缓慢的结构，如肺泡上皮，液体主动转运的速度是0.016 μl.min-1.cm-2 [27] ， 正常生理情况下水通过水通道，细胞间连接，以及弥散作用跨膜转运，此时水通道起潜在的作用，一旦在此结构发生病理变化，如造成渗透压差，大量的液体仍通过水通道转运。
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气道湿化功能在气管切开人工气道患者及长期气管切开的患者有重要意义，在此种情况下，吸入气体的加温及湿化功能全部由下呼吸道承担，湿化不全或加温不够除影响呼吸道本身粘膜上皮的分泌及清除功能外，也影响肺泡细胞的正常生理功能。AQP3位于上呼吸道及大气道粘膜上皮基底边膜，AQP4位于大小气道粘膜上皮基底膜，推测AQP3，4可能与气道湿化有关，目前尚缺乏这方面的资料。
三、临床资料
到目前为止，尚未发现AQP1，4，5敲除小鼠有呼吸异常。已发现的一家族性AQP1缺陷的3个个体[30]，由于尚缺乏完整的肺功能分析指标及确切的疾病记录，还不清楚水通道缺失对肺功能的影响。目前除AQP2突变引起的尿崩症有较为确切的临床及分子证据外，水通道缺失对人类生理功能的重要性需要进一步系统深入的基础和临床研究。
四、展望
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分子水通道的研究已近10年，目前研究方向逐步由分子克隆转向生理功能研究。在肺内液体转运方面，目前的阳性结果是肺内毛细血管与肺泡之间的渗透性水通透性降低，但并不影响肺泡内液体的主动重吸收。另外，AQP3位于大气道上皮基底边膜，AQP4位于大小气道上皮基底膜，故其对气道湿化的重要性值得探讨。胸膜腔内液体的吸收主要通过胸膜壁层的淋巴管，初步资料显示AQP1分布于脏层胸膜毛细血管，故AQP1是否影响胸腔内液体的吸收尚需探讨。我们初步的实验显示小鼠缺失水通道后，毛细血管的脆性似较野生型为大，AQP1广泛分布于肺内毛细血管内皮，故缺乏AQP1后是否影响毛细血管的生长发育，是否影响血管床的结构也值得进一步研究。水通道快速转运水的功能亦为临床治疗肺水肿提供了一条思路，是否可通过抑制水通道以减轻或预防肺水肿的发生，都有待深入研究。
作者单位：宋元林(200032 上海医科大学中山医院肺科)
白春学(200032 上海医科大学中山医院肺科)
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麻彤晖(美国加州大学旧金山分校心血管研究所)
杨宝学(美国加州大学旧金山分校心血管研究所)
参考文献
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宋元林 麻彤晖 白春学 杨宝学
关键词：水通道蛋白(water channel，aquaporin) ；肺内液体转运 从红细胞膜上的水通道蛋白(water channel，aquaporin)被克隆以来，有关水通道的研究取得了系列性的进展。到目前为止已克隆的哺乳动物水通道家族有10个成员，其基因结构、基因表达调控、染色体定位、蛋白结构、组织分布和生理功能得到了较为深入的研究。目前已证明水通道在体内液体转运和某些腺体分泌方面有重要生理作用。伴随水通道的发现和研究，一系列用以测定肺内不同屏障之间主动及被动液体转运的技术和方法亦得到了发展。我们即阐述了肺内水通道的结构、分布、生理功能及可能的临床应用。
一、水通道家族的发现及结构和组织分布及功能
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人们很早以前即对细胞内外水的转运途径进行了研究。一般认为水穿过细胞膜有两种方式，一是弥散通过脂质双分子层，二是细胞膜上存在选择性通透水的通道蛋白[1]。经脂质双分子层的弥散通透性(Pd)与温度相关，温度高低影响水的弥散速度。渗透压梯度引起的水跨膜转运(pf)反映了通道蛋白介导水穿过细胞膜的能力。在许多组织，pf/pd接近1，说明水依靠弥散作用穿过膜。若pf/pd远远大于1，则提示膜上存在水通道。
早期的生物物理学研究发现红细胞及近端肾小管对渗透压改变引起的水的通透性很高，很难单纯以弥散来解释。Macey[2]等进一步证实水穿越红细胞膜可被有机汞制剂所抑制，提示膜上存在一种对汞制剂敏感的水通道蛋白。pf/pd远远大于1也支持有水通道存在。Preston和Agre[3]等在分离、纯化Rh血型相关蛋白时偶然发现人红细胞膜上存在分子量约为28×103的细胞膜整合蛋白，将其克隆。并将其cRNA注入非洲爪蟾卵细胞，细胞膜水的通透性增加8倍[4]，并可被汞制剂抑制，从而证实该蛋白具有水通道功能。此为第一个被克隆的水通道，因其分子量约为28×103，当初命名为CHIP28，后经人类基因委员会命名其为aquaporin1(AQP1)。以后陆续发现该蛋白家族的其他成员。迄今为止已发现10种水通道(AQP0-AQP9)。它们与先前克隆的晶体纤维中的主要内源性蛋白(MIP)有20%～40%的氨基酸序列同源性。目前所发现的水通道均属MIP家族，后经证明MIP亦有弱水通道活性，被命名为AQP0。AQP在人类染色体上均为单一拷备基因，其中AQP1位于7P14[5]，AQP3、7位于9P13[6]，AQP4位于18号染色体q11.2与q12.1连接处[7]，AQP2，5，6及AQP0连锁位于人类染色体12q13[8]，构成一水通道蛋白基因族。AQP8位于16P12[9]。AQP分子量约(27～31)×103。其中AQP0是晶体纤维的主要内源性蛋白，AQP2主要存在于肾脏集合管主细胞的上皮膜，是受抗利尿激素素调节的水通道[10]，与非-X连锁遗传性肾性尿崩症有关[11]。AQP4和AQP7对汞制剂不敏感[12]。虽然大多数水通道对水分子的转运具高度选择性，但是一些水通道除转运水之外，还同时转运其他小分子物质，如AQP3，7，8，9可转运不等量的尿素、甘油[13-19]等。哺乳动物体内水通道的大致分布见表1。
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表1 不同水通道在体内分布
呼吸系统
AQP1：肺毛细血管内皮细胞
AQP3：大气道(气管、支气管)粘膜上皮基底边膜
AQP4：小气道粘膜上皮基底边膜
AQP5：肺泡上皮细胞膜(I型肺泡细胞)
消化系统
AQP1：胆囊颈上皮，肝内胆管上皮，唾液腺毛细血管内皮
腹膜毛细血管内皮，胰腺外分泌腺泡细胞
AQP3：结肠绒毛上皮
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AQP4：胃粘膜主细胞和壁细胞基底边膜
AQP5：唾液腺浆液腺泡细胞
AQP8：肝细胞，胰腺腺泡上皮，结肠绒毛上皮，唾液腺浆液腺细胞
AQP9：肝细胞
循环系统
AQP1: 心脏无孔型血管内皮细胞
眼球
AQP1：睫状体非色素上皮，覆盖小梁网的
内皮细胞，角膜内皮及角化细胞
AQP4：视网膜，泪腺上皮基底边膜
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AQP5：角膜上皮，泪腺上皮
AQP0：晶体纤维
泌尿系统：
AQP1；近曲小管，亨氏袢降支细段上皮细胞浆膜面
AQP2：集合管主细胞胞浆内囊泡和上皮膜
AQP3：皮质及外髓集合管上皮基底边膜
AQP4：内髓集合管上皮基底边膜
神经系统
AQP1：大脑脉络膜上皮
AQP3：大脑表面脑膜细胞基底边膜
, 百拇医药 AQP4：星型胶质细胞终足，室管膜上皮基底边膜
运动系统
AQP1：骨骼肌毛细血管内皮
AQP4：快肌纤维细胞膜
因为AQP1易于大量地从人类红细胞膜上进行纯化，故对水通道蛋白结构的认识大多源于AQP1的研究。早期应用冰冻蚀刻电子显微镜技术[20]研究提示，AQP1在质膜上以四聚体形式存在。AQP1蛋白结晶成功后，电子晶体衍射图分析发现每个单体是一个独立的功能单位。每个单体肽链跨越细胞膜6次，并围绕形成腔型，中间可能即是水分子穿越的孔道[21]，直径大约0.6 nm。氨基酸链在膜两侧形成5个环形结构(LoopA，B，C，D，E)。所有水通道家族成员在B、E环上均含有由3个氨基酸Asn-pro-Ala形成的模体符。在此模体符附近的氨基酸序列在所有水通道中均高度保守。位于红细胞和肾近曲小管的水通道AQP1可被HgCl2抑制，这也解释了早期应用HgCl2作为利尿剂的机理。位于第189位半胱氨酸是汞制剂的作用位点[22]，在此位置插入较半胱氨酸大的氨基酸可明显降低渗透压差引起的水的通透性，提示189位的半胱氨酸可能位于水通道的开口附近。B环上第73位点与189位点一样，只是B环位于细胞外。在189位上半胱氨酸被替换后水通道对汞制剂不再敏感，在73位上引入半胱氨酸后又恢复对汞制剂的敏感，在此位置上替换成大残基的氨基酸后又降低了水的通透性[23]。以上提示73与189号位点位于水通道的开口附近。
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二、水通道在肺内的分布及功能
上表中已列出目前已知的AQP1，3，4，5在肺内的分布位置。肺泡内液体的吸收以前仅以Starling机制来解释，即由于肺泡内外存在流体静力压和渗透压差异而导致水自肺泡吸收。自Matthay等[24]发现了肺泡内液体的主动转运机制后，肺内液体吸收机制受到了挑战。目前认为肺泡Ⅱ型细胞上存在钠通道(ENaC)，基底膜上存在Na-K-ATP酶，Na-K-ATP酶主动将K泵入胞内，将Na泵到胞外，造成胞内、外Na电势差，肺泡内Na顺电势差经上皮膜上的钠通道(ENaC)进入Ⅱ型上皮细胞，Cl-则经上皮细胞之间紧密连接被动进入细胞间隙，再进入间质，由主动转运引起的上皮与间质之间渗透压差则是水经肺泡上皮进入间质的动力。由于I型肺泡上存在AQP5，故肺泡内液体经水通道及通过弥散作用进入间质，最后进入淋巴管和毛细血管。在液体通过气道，肺泡和毛细血管屏障时至少有3种水通道参与，即AQP1，AQP4，AQP5。由于汞制剂的毒性，且目前缺乏其它可用于体内实验的水通道抑制剂，故研究水通道生理功能的最好模型是水通道基因敲除(gene knockout)的动物模型。 与野生型相比，AQP1敲除小鼠肺泡-毛细血管间水的渗透性水通透性较野生型降低10倍[25，26]，在AQP5敲除小鼠亦降低10余倍[27]，AQP1，4均敲除小鼠降低14～16倍[26]，AQP1，5均敲除小鼠降低25～30倍[27]。这显示去除水通道的小鼠肺内毛细血管与肺泡之间的水通透性明显降低。但肺泡液体主动吸收并不受影响[25，27]。在肺泡液体主动重吸收方面，AQP1，5基因同时敲除的小鼠肺泡液体清除率同野生型小鼠比较并无显著性差异，即使经角化上皮生长因子(KGF)预先处理过的转基因小鼠，其清除率亦无明显变化[27]。水通道不影响肺泡液体主动重吸收的原因可能是由于主动重吸收过程缓慢，不足以体现水通道的快速转运功能。在压力升高引起的肺水肿模型中，AQP1敲除小鼠形成肺水肿的速度和程度较野生型减轻[25]，但在AQP5基因敲除的小鼠并无明显改变[27]。以上资料提示AQP1，4，5促进肺内由渗透压改变引起的水的快速转运。AQP1缺失可减轻压力性肺水肿。限于肺内血管支气管分布的复杂性，目前尚未证实是何种途径导致在AQP1缺失小鼠压力性肺水肿减轻，可能是由于肺内血管发育或血管床面积与野生型比较为少，导致在AQP1缺失的小鼠肺毛细血管压力升高造成漏出到肺间质的液体量减少，毛细血管渗透压升高导致的液体漏出很可能主要是通过细胞旁途径而非经过水通道。AQP4存在于小气道粘膜上皮基底膜，该部分气道包括终末支气管和呼吸性支气管。这些支气管的血供来源为支气管动脉，但在呼吸性细支气管水平存在支气管动脉和肺动脉之间的交通。在动物试验中，灌注肺动脉，并在肺泡中滴入等渗液体以研究水的转运，由小气道吸收的液体经肺循环带走。推测在正常肺内小气道液体的吸收先经支气管动脉然后进入肺循环。我们发现去除AQP4的小鼠与野生型比较，肺泡毛细血管水通透性并无明显区别，但在AQP1缺失的小鼠再去除AQP4，肺泡毛细血管间水通透性下降1.4～1.6倍[26]，与肺小气道面积占肺泡面积的1%来算，小气道对液体重吸收所起的作用较以前估计的要大。肺内大部分水通道在胎儿时期表达很低，接近预产期则出现显著变化。AQP4在小鼠出生前2天mRNA水平增加8倍，出生后1天继续增加。出生后第1天可检测到AQP1蛋白存在，一般1周内达到高峰，而AQP5在出生后缓慢增加，直至成年期[28，29]。AQP表达水平的变化提示某些水通道可能参与出生早期肺内液体的快速转运，这对于尽早恢复正常呼吸功能可能具有重要意义。
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我们研究了出生早期野生型小鼠及水通道去除小鼠肺内液体吸收情况及高氧(>95%)、酸吸入、thiourea引起的肺损伤中肺外水的含量[30]，结果发现出生后45 min，AQP1，4，5肺的干湿重比(W/D)与野生型相比，无明显差别。以上3种肺损伤模型中肺的干湿重也无明显区别。说明在出生前后尽管水通道蛋白的表达出现一些戏剧性变化，但相对较缓慢的肺泡内液体吸收(出生后24小时肺干湿重达到成年大鼠值)似乎并不受水通道蛋白的影响。各种肺损伤模型，由于直接或间接损害了肺的微血管，肺内液体的积聚和吸收也不受水通道蛋白的影响。由此可以推测，在液体高效转运的结构，如肾小管、集合管上皮细胞，唾液腺，液体主动转运的速度为0.5 μl.min-1.cm-2 [27] ， 水主要通过水通道转运；在液体转运缓慢的结构，如肺泡上皮，液体主动转运的速度是0.016 μl.min-1.cm-2 [27] ， 正常生理情况下水通过水通道，细胞间连接，以及弥散作用跨膜转运，此时水通道起潜在的作用，一旦在此结构发生病理变化，如造成渗透压差，大量的液体仍通过水通道转运。
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气道湿化功能在气管切开人工气道患者及长期气管切开的患者有重要意义，在此种情况下，吸入气体的加温及湿化功能全部由下呼吸道承担，湿化不全或加温不够除影响呼吸道本身粘膜上皮的分泌及清除功能外，也影响肺泡细胞的正常生理功能。AQP3位于上呼吸道及大气道粘膜上皮基底边膜，AQP4位于大小气道粘膜上皮基底膜，推测AQP3，4可能与气道湿化有关，目前尚缺乏这方面的资料。
三、临床资料
到目前为止，尚未发现AQP1，4，5敲除小鼠有呼吸异常。已发现的一家族性AQP1缺陷的3个个体[30]，由于尚缺乏完整的肺功能分析指标及确切的疾病记录，还不清楚水通道缺失对肺功能的影响。目前除AQP2突变引起的尿崩症有较为确切的临床及分子证据外，水通道缺失对人类生理功能的重要性需要进一步系统深入的基础和临床研究。
四、展望
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分子水通道的研究已近10年，目前研究方向逐步由分子克隆转向生理功能研究。在肺内液体转运方面，目前的阳性结果是肺内毛细血管与肺泡之间的渗透性水通透性降低，但并不影响肺泡内液体的主动重吸收。另外，AQP3位于大气道上皮基底边膜，AQP4位于大小气道上皮基底膜，故其对气道湿化的重要性值得探讨。胸膜腔内液体的吸收主要通过胸膜壁层的淋巴管，初步资料显示AQP1分布于脏层胸膜毛细血管，故AQP1是否影响胸腔内液体的吸收尚需探讨。我们初步的实验显示小鼠缺失水通道后，毛细血管的脆性似较野生型为大，AQP1广泛分布于肺内毛细血管内皮，故缺乏AQP1后是否影响毛细血管的生长发育，是否影响血管床的结构也值得进一步研究。水通道快速转运水的功能亦为临床治疗肺水肿提供了一条思路，是否可通过抑制水通道以减轻或预防肺水肿的发生，都有待深入研究。
作者单位：宋元林(200032 上海医科大学中山医院肺科)
白春学(200032 上海医科大学中山医院肺科)
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麻彤晖(美国加州大学旧金山分校心血管研究所)
杨宝学(美国加州大学旧金山分校心血管研究所)
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