水分子在体内的转运主要依靠渗透压的自由扩散，在某些生理和病理生理过程中，特异性水通道蛋白(AQPs)对水分子转运有重要作用[1]。AQPs是一类具有活化能低、选择性高、能迅速转运水分子的跨膜通道蛋白家族，于1988年在美国学者分离纯化红细胞膜Rh血型抗原核心多肽时被发现。AQPs广泛存在于脑、肾脏、眼等部位，已知在哺乳动物中存在13种AQPs表达。眼是由许多不同类型的细胞及组织构成的用以传导视觉的感觉器官，眼组织内正常的水平衡对于维持视网膜、晶状体和玻璃体的正常结构与功能及眼内压调节有着重要的作用。本文就AQPs在眼内的表达及其与眼科疾病的相关性进行综述，为临床治疗与水转运相关的眼科疾病提供研究依据，也为AQPs在眼科系统疾病中的治疗提供新的药物靶点。

1、AQPs在眼内的表达及其生理功能

1.1 AQPs的分子结构

AQPs是一类分子量约为25～30kD的含有250～290个氨基酸的4个对称排列的圆筒状亚基包绕而成的四聚体，每个单体在功能上都独立参与水平衡的代谢调节。一级结构包含6个跨膜区域和5个环，以及N端和C端两个跨膜结构域[2]。

1.2 AQPs在眼内的表达及其生理功能

目前为止，AQPs家族共有10种亚型在眼组织中被发现，发挥着多种重要的生理功能。AQPs在眼组织中表达部位见表1[3,4,5,6,7,8,9]。

1.3 眼组织中重要AQPs的生理功能

1.3.1 AQP0

AQP0在起初被认为是结构蛋白，但通过基因测序发现与AQPs家族基因序列具有同源性，提示它属于该家族成员[10]。AQP0有较弱的水通道活性，受到H+和Ca2+调节[11]。AQP0四周由连接子有序地相连排列于晶状体纤维细胞上，与维持晶状体正常的水代谢及透明度密切相关[12]。

1.3.2 AQP1

AQP1在眼内主要表达于晶状体上皮细胞(lensepithelialcells,LECs)顶端、睫状体非色素上皮细胞和基底外侧膜，其功能也与这种特异性分布相关。(1)维持晶状体透明度：研究发现AQP1缺失会使晶状体含水量异常增高，并可诱发小鼠晶状体混浊而继发白内障[13],故AQP1能维持晶状体透明度，从而对抗白内障的发生。(2)参与房水的产生与调节：睫状体非色素上皮和色素细胞，分别连接房水和睫状体基质，共同协作来产生和分泌房水，AQP1在睫状体中仅分布于非色素上皮[6]。当血液经过睫状体时一部分物质会被滤至血管和色素上皮之间，大部分间隙液被睫状体上皮细胞吸收后分泌至后房形成房水；而非色素上皮的基侧质膜存在大量的Na+-K+-ATP酶，可将滤过的离子和液体泌入后房。同时，AQP1在小梁网、Schlemm管等也存在表达，这些部位的共同点是均不存在Na+-K+-ATP酶且有较高的渗透性，可能是由于AQP1为房水排出提供一个高效通路，让这些部位与睫状体非色素上皮细胞共同参与房水产生与调节[14]。(3)参与角膜基质厚度反应：将AQP1缺陷小鼠与野生型小鼠角膜基质相比，前者纤维间距减少25%,角膜厚度降低20%,并对角膜透明度产生轻微损害[15]。(4)参与角膜细胞损伤的修复：AQP1也表达在角膜细胞中，且在炎症反应和伤口愈合过程中表达增加，AQP1缺乏会降低角膜细胞增殖和迁移的能力[16]。

1.3.3 AQP4

AQP4主要表达于视网膜Müller细胞足突区、角膜内皮细胞、虹膜色素上皮细胞等[17],目前已知具有如下功能：(1)介导视网膜的兴奋性：Müller细胞属于眼内的神经胶质细胞之一，AQP4在Müller细胞中含量非常丰富，在神经活动时可介导足突区的高效水转运，同时Kir4.1通道与AQP4在视网膜Müller细胞形成多蛋白复合体，AQP4也参与了K+的虹吸过程。AQP4对于Müller细胞和双极细胞间的视网膜信号转导极为重要[18];表明AQP4也参与了K+的虹吸过程，此过程对于Müller细胞和双极细胞间的视网膜信号转导极为重要。(2)维持角膜的透明性：角膜内皮与房水接触，细胞膜上存在着相关作用酶使Na+、Cl-和水共同自角膜向房水转运，形成渗透压梯度，角膜上皮细胞中的AQP4与基质和内皮层中的AQP1共同介导水的高效转运[19,20],这一过程与保持角膜的适当水分和维持角膜透明性密切相关。(3)参与房水的产生与调节：AQP4兼有渗透压感受器功能，在渗透压介导的房水产生与调节的过程中发挥重要作用。

1.3.4 AQP5

晶状体除表达AQP0和AQP1以外，陆续在其中发现AQP5的转录产物[21]。研究证实它参与纤维细胞的分化，表明AQP5是构成晶状体纤维细胞膜的重要组分之一[22,23];且AQP5在晶状体内部的微循环中发挥关键作用，能维持其正常生理功能和透明度，尤其是在发生损伤时起到保护作用[24]。

1.3.5 其他AQPs

AQP3缺失可致小鼠角膜上皮损伤后修复与再生能力下降，表明AQP3与角膜上皮的增殖与迁移有关[25]。AQP9是唯一在视乳头星形胶质细胞及神经节细胞层均表达的AQPs,可能参与其生理代谢活动[26]。

2、AQPs与白内障

白内障是指晶状体混浊或颜色改变所致的光学质量下降的视觉障碍性疾病。研究发现AQP0、AQP1和AQP5在LECs和纤维细胞膜上均有表达[5,6,7,8,9],与各种白内障存在密切联系。

2.1 AQPs与年龄相关性白内障

年龄相关性白内障多见于中、老年人，是最常见的白内障类型，研究证实其发生与AQP0、AQP1的表达量下降有关[27,28,29,30,31,32,33]。

2.1.1 AQP0通路与年龄相关性白内障的关系

研究发现年龄相关性白内障晶状体中AQP0表达量下降[28],而晶状体纤维细胞中的AQP0具有黏附分子的功能，确保光线于视网膜上准确聚焦；随着年龄的增加，会促进AQP0裂解物进入胞质且伴随着细胞膜损伤，形成含AQP0的脂质囊泡，会引起晶状体的核性混浊和对光的散射[30],从而导致白内障的发生。

2.1.2 AQP1通路与年龄相关性白内障的关系

晶状体并不含血管，主要依靠房水和玻璃体的简单扩散及晶状体细胞充足的水转运来保证其营养供应。AQP1在正常LECs中存在表达，但在年龄相关性白内障中表达量降低，这会导致晶状体结构和功能发生紊乱，从而引起白内障。其原因有两方面：(1)AQP1分子结构的中第189位氨基酸残基半胖氨酸(-SH)被氧化后导致Na+-K+-ATP酶的功能发生改变，LECs出现代谢障碍，晶状体随之发生肿胀、变性[31];(2)LECs中cAMP依赖性AQP1磷酸化水平降低以及Ca2+平衡紊乱[32,33],均会导致AQP1的水转运功能异常，晶状体代谢障碍，形成白内障。这些发现提示我们可以通过药物或某些技术手段来促进AQP0和AQP1的表达或抑制其降解，改善年龄相关性白内障的临床症状。

2.2 AQPs与先天性白内障

先天性白内障以常染色体显性先天性白内障(ADCC)最常见，研究证实AQPs的基因改变与先天性白内障发生发展关系最为密切[34,35,36,37,38,39,40]。

2.2.1 AQP0突变与ADCC的关系

目前为止发现了AQP0的多种突变形式均可引起ADCC。人类已知的错义突变包括T138R、E134G、R233K、R33C、V1071、Y177C、R187C[36]、p.D150[37]。在此以前两种举例说明其机制：AQPs发生C→G突变，导致第138位密码子由苏氨酸变为精氨酸(T138R)[38],第二外显子发生A→G突变，导致第134位密码子由谷氨酸变为甘氨酸(E134G)[37];第6个TM结构域远端与C端结构域置换，导致缺失突变Δ213-AQP0发生，致使细胞定位异常[39];通过激活MIP基因3’UTR中的一个未知的受体剪接位点而导致异常剪接，发生MIPc.607-1G>突变[36];杂合子C.2T>C(PMet1)外显子1的突变通过影响起始密码子，可能导致激活新的翻译起始位点或相应蛋白质产生发生障碍[40];在人类中的Asp150His、Tyr219stop的AQP0突变，MIP(c.494G>A)的新突变导致AQP0向纤维细胞的转运功能发生障碍而导致白内障发生。

2.2.2 AQP1突变与ADCC关系

AQP1缺失的小鼠晶状体与野生型小鼠相比，水通透性约下降3倍[41];Ruiz-Ederra等[42]通过体内和体外实验发现，AQP1缺乏小鼠的晶状体在应激条件下均可被诱发出白内障。

2.3 AQPs与糖尿病性白内障

糖尿病性白内障多见于病情严重的幼年型患者，是糖尿病最常见的并发症。研究证实该疾病发生与晶状体中AQP0、AQP1的表达量及构象改变密切相关[43,44]。

2.3.1 AQP0与糖尿病性白内障的关系

AQP0构象会因糖基化而发生改变，以至于钙调蛋白结合力降低，水分蓄积导致晶状体膨胀[45];同时可使连接子退化导致AQP0在此排列紊乱，影响晶状体纤维细胞正常代谢，从而导致糖尿病性白内障的发生[46]。

2.3.2 AQP1与糖尿病性白内障的关系

糖尿病的晶状体囊膜会因机体的高渗状态导致LECs细胞膜上Na+-K+-ATP酶活性受抑，晶状体纤维变性，出现不溶性蛋白的凝聚体[47];且随着疾病发展，葡萄糖的转化过程中会消耗大量的环磷酸腺苷(cAMP)导致AQP1磷酸化水平降低，使晶状体膜的结构和功能受损，AQP0、AQP1表达下降[47],这进一步加剧了物质代谢障碍，加速糖尿病性白内障发生。

3、AQPs与青光眼

青光眼以特征性视神经萎缩和视野缺损为特征，病理性眼压增高是其主要危险因素，眼压异常变化与房水的产生与调节受阻密切相关。如前述，睫状体非色素上皮细胞、Schlemm管等共同参与房水产生与调节[14],Müller细胞参与视网膜的信号转导[17,18,19],在上述细胞中表达的AQPs以AQP1和AQP4为主，接下来就探讨它们在青光眼发生发展中的机制。

3.1 AQP1与青光眼的关系

前述AQP1表达于睫状体非色素细胞、Schlemm管等部位，这些部位虽然没有Na+-K+-ATP酶，却具有较高的渗透性，推测是AQP1为房水排出提供了一个专有通路。若此通路异常，则会导致房水的产生与调节过程受阻，最终演变为青光眼[14]。

3.2 AQP4与青光眼的关系

前文已述AQP1和AQP4共同参与房水的产生与调节，这里主要探讨AQP4与神经节细胞凋亡、视网膜水肿间的关系。研究证实在青光眼的进程中，神经胶质细胞出现活化并伴有明显的结构变化[48],这也是青光眼以视网膜神经节细胞进行性凋亡为最终结局的原因。视网膜星形胶质细胞在受到病理因素刺激时可活化并表达胶质纤维性酸性蛋白质(glialfibrillaryacidicprotein,GFAP)。前述AQP4通过Kir4.1通道参与K+的虹吸，神经节细胞凋亡的始动环节是细胞内K+浓度下降。有趣的是，AQP4表达增加会使神经元细胞内K+浓度降低，GFAP表达增加，阻碍神经信号转导。有学者通过建立慢性高眼压模型来研究AQP4与青光眼的关系发现，AQP4会加速慢性高眼压过程中的视网膜损伤[49],这也预示AQP4有可能成为视神经损伤治疗的新靶点。

4、AQPs与视神经脊髓炎

视神经脊髓炎(NMO)是一种主要累及视神经和脊髓的自身免疫性疾病，研究证实NMO与AQP4和AQP1的表达异常密切相关[50,51,52]。

4.1 AQP4与NMO的关系

1994年，Hasegawa等[53]在动物体内发现了AQP4抗体，揭示NMO的发病机制：AQP4抗体可与嗜中性粒细胞结合产生细胞毒作用而破坏星型胶质细胞胞膜，还可与谷氨酸转运体-2结合并形成免疫复合物，同时激活补体、使谷氨酸的转运被调整，导致少突胶质细胞破坏、髓鞘裂解，最终发生NMO[54],这也证实了NMO是一种自身免疫性疾病，并为免疫抑制剂在NMO中的应用提供依据。多项临床研究发现AQP-4Ab与NMO的关联性很强，现AQP-4Ab在临床中已作为NMO的特征性诊断标志之一，在将来若针对AQP-4Ab与NMO的相关性进行特异性研究，有望为NMO的药物研发提供新思路。

4.2 AQP1与NMO的关系

AQP1在NMO病变易损害区域的星型胶质细胞中广泛存在，且在典型NMO病灶周围表达明显减少[55]。与AQP4在NMO病变区域星型胶质细胞的表达类似的是，AQP1也会在此选择性减少或转移到该细胞的内颗粒中[56];Tzartos等[57]在疑似NMO患者的血清中发现可以检测到AQP-1Ab,后续研究发现NMO患者中AQP-1Ab阳性与AQP-4Ab阴性的临床表现相似，据此推测，在AQP-4Ab阴性NMO患者中，可以考虑对AQP-1Ab进行检测，在将来AQP1Ab可能成为其新型生物标记物。

5、AQPs与视网膜疾病

视网膜是眼球后部最内层组织，其结构精细功能复杂，极易受到内外因素的破坏而发生病变，这里主要介绍糖尿病视网膜病变(DR)和继发于各种眼科疾病出现的视网膜水肿。

5.1 AQPs与DR

DR是糖尿病最常见的慢性并发症之一，是指糖尿病导致的视网膜微血管损害的一系列典型病变，有研究发现AQP1、AQP4在DR的发生发展中起着重要的作用[58]。

5.1.1 AQP1与DR

Madonna等[59]发现DR患者的高渗状态会促进AQP1的表达增加，进而通过渗透调控转录因子诱导内皮细胞表达环氧酶，以此促进新生血管的形成。

5.1.2 AQP4与DR

DR发生发展的关键一步是血-视网膜屏障(blood-retinalbarrier,BRB)功能发生障碍[60],研究表明AQP4在此病理过程中起了重要作用，其机制详见下文。

5.1.3 其他AQPs通路与DR

随着DR病程进展，AQP5、AQP9在视网膜色素上皮细胞中均表达增加，AQP6在外界膜表达下降[61]。由于AQP9可参与乳酸盐运输，推测视网膜色素上皮细胞中表达增加的AQP9参与清除视网膜下间隙的乳酸盐。

5.2 AQPs与视网膜水肿

视网膜水肿一般继发于其他眼科疾病出现，如青光眼、DR等。发生机制一方面与视网膜液体正常转运功能受损有关，另一方面为BRB的功能发生障碍，血浆渗漏至神经上皮层所致。

Müller细胞参与BRB的建立，对视网膜起支持作用，同时和视网膜色素上皮细胞共同介导水的高效转运[62]。Müller细胞受到高糖或应激刺激时会分泌出血管内皮生长因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)等增加血管通透性的因子，同时分泌基质金属蛋白酶，使血管内皮细胞损伤，发生血管渗漏，造成视网膜水肿[63]。前文已述Müller细胞介导水跨膜转运功能的物质基础是AQP4,因此任何造成的AQP4异常表达和影响K+通透性的因素，均可造成视网膜水肿。

6、AQPs与葡萄膜炎

葡萄膜炎包括感染性和非感染性。非感染性又可分为外源性和内源性两类，内源性与自身免疫反应有关，外源性则见于手术及外伤等。有研究发现在自身免疫性葡萄膜炎(ERU)中，AQP11成为调节量最显著的蛋白[64]。Deeg等[65]通过建立马的ERU和视网膜炎症模型，发现在该模型下AQP11在Müller细胞中表达量显著降低，但Müller细胞仍然存在，因此AQP11的减少并不是继发于表达位点的丢失，而是主动从Müller细胞中脱落，研究者推测这可能与神经炎症相关。进一步研究发现若AQP11的表达量异常，可导致细胞肿胀，继发视网膜水肿。这也从侧面推测葡萄膜炎是一种自身免疫性疾病，应用免疫抑制剂局部治疗或许会使患者从中获益。

7、小结和展望

AQPs从1988年被发现以来，许多学者对这个水分子特异性跨膜转运蛋白进行了很多丰富而深刻的研究，AQPs在眼科疾病中的研究也在逐步深入。作为眼部组织中长期活跃存在的AQPs,对于维持正常的眼部结构及生理功能有着重要的生物学意义，同时也介导着多种眼科疾病的发病过程。随着对AQPs在生理和病理状态下表达调控的分子生物学研究的推进，我们将更清楚它在介导病理和病理生理过程中的机制，在未来可通过一定的技术手段对AQPs的表达、结构进行修复及功能改变，有望成为眼科疾病治疗的新药物靶点。有关AQPs家族，仍然有许多奥秘等待我们去探索。

参考文献:

[31]张虹,张金玲.水通道蛋白在大鼠氧化性白内障晶状体上的表达[J].华中科技大学学报(医学版),2007,36(3):374-376.

[41]王玉萍,张文芳,鲁建华.水通道蛋白1在老年性白内障及透明晶状体前囊膜上皮细胞的表达[J].临床眼科杂志,2005,13(3).195-197,289.

[44]张虹,张新芳,王芳,等.糖尿病性白内障晶状体上皮细胞水通道蛋白-1表达变化[J].华中科技大学学报(医学版),2007,36(2):250-252,268,281.

[49]罗莎莎,陈琴,于东毅,等.慢性高眼压状态下小鼠水通道蛋白4基因对视网膜胶质细胞活化的影响[J].中华眼科杂志,2012,48(7):598-603.

文章来源：刘佳豪,金英姬,魏琴琴,胡晔玮,苗馨月,邢源琛,金玉姬,王程.水通道蛋白在眼科疾病中的研究进展[J].国际眼科杂志,2022,22(03):420-424.