TRPV4在氧化应激相关疾病中的作用及其机制研究进展

刘天珍，王鸣刚，崔冰冰，苗路伟，高玉海，陈克明，马慧萍

瞬时受体电位香草素受4型通道蛋白(Transient receptor potential vanilloid 4, TRPV4)，因其对Ca2+的高通透特性引起了学术界广泛关注。近几年相关研究表明，TRPV4与氧化胁迫的发生密不可分；在众多疾病发生、发展过程中均伴随过度的氧化应激。鉴于目前抗氧化应激药物的临床应用尚不理想，并且与TRPV4通道有关的药物已逐渐进入临床研究，因此探索TRPV4通道在氧化应激中的作用及机制意义非凡。

1 TRPV4概述

1.1TRPV4的结构 TRPV4是作为瞬时感受器电位通道蛋白家族(Transient receptor potential，TRP)中类香草素亚家族的成员之一，该家族还包括 TRPV1，TRPV2，TPRV3，TRPV5，TRPV6[1]。TRPV4蛋白在人类中由 TRPV4基因编码，含有871个氨基酸；与其他家族成员类似，TRPV4含有六个跨膜片段(S1～S6)，其N端和C端朝向细胞质，在S5和S6之间存有一个离子通道孔可保障阳离子的顺利通过；另外其N端具有六个ANK重复序列，一些分子(如磷脂酰肌醇4,5-二磷酸)可以牢固地结合到ANK重复序列末端，从而抑制TRPV4发挥作用[2-3]。TRP通道为一类非选择性阳离子通道，主要对 Ca2+和Na+具有通透性并在膀胱、心脏、肺脏、肾脏等组织器官中显著表达[4]。

1.2TRPV4的功能 TPRV4作为Ca2+通道蛋白，可参与机体多种生理过程并与多种疾病的发生息息相关。现已阐明TRPV4在经过感知渗透压、血流切应力、炎症等刺激后被激活，参与全身渗透压调节、维持细胞内Ca2+平衡等生理过程，还可参与细胞的增殖、凋亡和自噬等[5]。还有研究表明，TRPV4 基因突变可导致多种骨骼和神经病变，如3型短躯干症、Kozlowski型脊柱干骺端发育不良症、间向性发育不良等。在这些疾病中 TRPV4 基因突变均导致 TRPV4通道功能增强，但在某些疾病如家族性指端粗短畸形中 TRPV4 基因突变反而使其功能减弱。可以肯定的是，TRPV4 基因突变均伴有TRPV4 通道功能的变化，通过影响下游的核转录因子的表达和蛋白-蛋白相互作用参与疾病发生过程，然而其详细机制尚不明确[6-7]。

2 氧化应激概述

氧化应激(oidative stress，OS)是由于细胞中的活性氧(reactive oxygen species，ROS)、活性氮等自由基过度产生和(或)抗氧化防御机制减弱，所导致自由基的生成和清除之间的平衡失调而引起的组织、器官的病理反应[8]。然而蛋白质、核酸和脂质会被胞内过量的自由基氧化或损伤，从而诱导细胞自噬和凋亡的发生。因此，氧化胁迫被认为是自由基对机体产生的负面影响，亦是导致癌症、冠心病以及糖尿病等慢性致死性疾病的元凶之一[9]。

3 TRPV4与氧化应激的联系

TRPV4由于其结构、性质以及在机体中的广泛分布决定了其重要的生理意义。当机体受到外界不良刺激时，TRPV4被激活后介导细胞外Ca2+内流引起细胞内钙超载。当胞内环境为Ca2+负荷时钙蛋白酶被高浓度的Ca2+激活，其活性显著增高。并引发黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶，导致ROS等自由基数量的增加。其次，Ca2+依赖性磷脂酶A2被激活从而产生更多的花生四烯酸，并通过环氧合酶和脂加氧酶的作用产生大量的H2O2和·OH。再次，积蓄于线粒体的Ca2+可使细胞色素氧化酶系统功能失调，O2经单电子还原形成氧自由基增多。与此同时，Ca2+还可使硫氧还蛋白过氧化物酶、过氧化氢酶等抗氧化酶活性下降，使得机体抵御损伤的能力大幅下降。最终导致机体内部氧化与抗氧化失衡，引起氧化应激[10-11]。当机体产生大量自由基时，由于膜脂质的过氧化及其通透性的增强，Na+-K+-ATP酶失活，细胞内Na+浓度升高，Na+与Ca2+互换加强；恶化了线粒体膜的损伤并影响ATP的生成，肌浆网摄取Ca2+减少，上述过程均会使细胞内Ca2+负荷增加[12]。因此TRPV4与钙超载、自由基的产生及氧化应激都存在着复杂而紧密的关系，但其机理有待进一步研究。

4 TRPV4与氧化应激相关疾病

4.1心肌缺血再灌注损伤 心肌缺血后再灌注损伤(I/R)是指发生于急性心肌梗死后血栓自容再通或人工再通后对心肌细胞造成的二次损伤。恢复血流这一过程往往伴随着自由基的生成、钙超载等。临床上会出现心肌顿抑、心律失常、心力衰竭等危及患者生命的症状[13]。I/R损伤的病理机制复杂多样，目前学术界普遍认为由细胞内Ca2+负荷、自由基所引发的氧化胁迫是造成I/R损伤的主要原因，此外炎症作用及高能磷酸化合物的缺乏等也与之相关[14]。已有研究证实TRPV4广泛表达于心血管系统并参与该类疾病的发生、发展[15]。

Jones等[16]研究表明，过量Ca2+进入心肌细胞是造成I/R损伤的主要原因，并发现老年人心脏组织及老年大鼠心肌细胞内TRPV4蛋白的表达量明显升高；老年大鼠心肌细胞处于I/R损伤早期时，细胞内Ca2+浓度迅速升高并引起心脏收缩增强；但当使用TRPV4阻断剂(HC-067047)后症状消失或减弱；TRPV4(-/-)基因敲除大鼠心肌组织内症状较弱或不会出现以上症状。既往文献报道，TRPV4通道在大鼠I/R损伤模型中mRNA、蛋白水平表达明显上调且伴随细胞内Ca2+浓度增加，抗氧化酶活力降低及氧化指标升高，加剧了细胞凋亡与坏死；使用HC-067047后上述现象可发生逆转，使用TRPV4激动剂(GSK1016790A)后上述现象加重。因此TRPV4在I/R损伤中作用重要，有望成为介导此类损伤的重要靶标[17-18]。

4.2膀胱过度活动症 膀胱过度活动症(Overactive Bladder，OAB)是一种以尿急为特征的症候群，常伴有尿频和夜尿增加等症状[19]。随着我国社会人口老龄化的增加，OAB的发生率逐年上升，这既影响了患者的身心健康，又加重了社会养老负担。Janssen等[20]发现TRPV4和TRPV1在膀胱传入神经通路中起到关键作用，膀胱中的低阈值神经纤维可对较低的压力做出反应，高阈值神经纤维仅在高压(>20 cmH2O)下被激活传递痛感。TRPV1受体在高阈值神经纤维中表达，并与炎症反应和疼痛的产生密切相关。Roberts等[21]发现，TRPV4在豚鼠膀胱平滑肌及膀胱尿路上皮细胞等组织细胞中表达，且在老年豚鼠膀胱中表达更为显著。TRPV4在膀胱尿路上皮细胞中被激活并促使Ca2+内流从而促使尿路上皮产生大量的ATP，ATP是使处于休眠状态的膀胱C纤维传入神经产生兴奋而引发膀胱感觉过敏的元凶之一。值得注意的是由钙超载诱导产生的ATP是正常排尿反应中的数倍。TRPV4基因的突变也可能与OAB存在潜在的联系。Landouré等[22]发现，腓骨肌萎缩症2型患者不仅表现出进行性肌肉消瘦和感觉功能丧失，且OAB的发生率很高，有时还会出现失禁行为。Zhang等[23]发现羧苄酮(CBX)可抑制TRPV4通道引发的氧化性尿路上皮损伤，并改善环磷酰胺(CYP)引起的膀胱功能障碍。CBX具有抑制TRPV 4引起的Ca2+内流和细胞损伤，可减轻CYP和丙烯醛(CYP的代谢产物)诱导的膀胱炎及细胞损伤，并有效地减弱了氧化应激。Everaerts等[24]发现TRPV4可降低健康大鼠和小鼠由CYP引起的膀胱炎导致的排尿频率。由此可见TRPV4在OAB中起到了至关重要的作用，有望成为治疗该疾病的重要靶标。

4.3急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS) ARDS是以顽固性低氧血症为显著特征的临床综合征，该病因发病机制复杂、致死率高而倍受关注。现有研究表明，肺部炎症反应暴发和肺微血管内皮屏障功能损伤是ARDS的病理生理特点，且过多的ROS和胞内Ca2+浓缩异常升高在该疾病中起到至关重要的作用[25]。Suresh等[26]研究表明在外缘H2O2刺激下大鼠肺微血管内皮细胞和人肺微血管内皮细胞将处于氧化应激的状态，蛋白酪氨酸激酶(Fyn基因的产物)使TRPV4磷酸化引起胞内Ca2+浓度升高，并使得肺微血管内皮屏障通透性增强。在使用外部氧化剂或诱导细胞产生更多ROS时屏障功能进一步恶化。与之类似，处于激活状态下的TRPV4会引位于肺泡的毛细血管和上皮细胞肿胀，导致肺泡充血。过量的Ca2+还可导致肺水肿等。使用TRPV4抑制剂可降低细胞中的Ca2+的浓度并减轻肺水肿以及心力衰竭期间出现的静脉压升高[27-28]。

另一方面，Balakrishna等[29]在氯气和盐酸诱导的ARDS小鼠模型中首次发现了肺损伤与酰胺类化合物之间的关系。肺损伤会产生一系列内源性TRPV4激动剂-酰胺类化合物，并引起肺部的炎症反应、肺微血管内皮屏障通透性增强进而导致肺水肿和严重的肺缺氧。与ARDS小鼠相比，经HC-067047治疗的小鼠血清中各类炎性细胞因子含量、中性粒细胞数量等显著降低。由此可见，TRPV4抑制作用可抵消肺水肿和肺部炎症，并改善急性肺损伤中的肺功能和血氧饱和度，在ARDS中起到了重要作用，有望成为治疗该病的重要靶标。

4.4糖尿病 糖尿病是一种伴有高血糖及长期代谢紊乱的慢性疾病，其致病机制为胰岛素分泌不足或功能失效，眼、肾、心脏等器官会因长期处于高糖环境而受到慢性损伤或引起功能异常[30]。2型糖尿病中胰岛B细胞凋亡及功能失效是氧化胁迫和内质网胁迫的共同结果[31]。高血糖会造成包括大血管、微血管及神经病变等慢性并发症。

周围型糖尿病神经病变(diabetic peripheral neuropathy，DPN)是糖尿病最常见并发症之一，临床表现为对称性疼痛和感觉异常。高血糖会导致线粒体产生过量的自由基，且葡萄糖氧化和脂质过氧化所产生的中间代谢产物会对机体造成氧化损伤，甚至诱导细胞的凋亡和自噬。众所周知，哺乳动物神经中磷脂含量很高，因此更易受到自由基的攻击。此外，神经元的抗氧化防御能力较弱[32]。细胞内Ca2+超负荷在DPN的病因中也起重要作用。有人利用野生型和TRPV4基因敲除小鼠的DRG神经元研究发现，紫杉醇激活TRPV4引起异常性疼痛并产生过多的ROS，TRPV4拮抗剂可以部分减轻疼痛和氧化应激[33]。

糖尿病性视网膜病变是一种特异性眼底病变疾病，通常视网膜会滋生微动脉瘤并伴随出血和水肿等症状，严重影响了患者生活质量。现有研究表明，TRPV4与糖尿病视网膜水肿形成相关。虽然在TRPV4在糖尿病大鼠模型的视网膜中表达量有所降低，但其活性极高可引起钙离子内流并诱导和放大炎症反应、血视网膜屏障破坏、渗透性增强等，最终导致视网膜水肿。使用TRPV4抑制剂治疗后的大鼠病症得以缓解[34]。Arredondo等[35]研究表明，在非糖尿病情况下血管抑制素可以限制Ca2+、钙调蛋白激活eNOS的过程来减少NO的产生，从而起到保护血视网膜屏障免受TRPV4激活引起的通透性增加。由此可见，TRPV4在糖尿病形成及其并发症中起到了重要的作用，有望成为介导该病的新靶标。

5 总结与展望

综上所述，TRPV4在引起机体氧化胁迫中起到举足轻重的作用。激动 TRPV4 通道后伴随着Ca2+内流的增加还原型辅酶Ⅱ被活化，并且线粒体氧化呼吸链上电子传递的阻断进一步促使 ROS 的生成。同时过量的Ca2+又会抑制抗氧化酶 SOD和 CAT 等抗氧化剂活力进而减少ROS 的清除，最终使 ROS 产生增加，机体损伤加重。反之，抑制 TRPV4后ROS的生成减少，机体损伤减轻。TRPV4通道是氧化应激敏感的TRP通道之一，氧化应激可以激活该通道，TRPV4 通道活化后介导Ca2+内流和氧化应激，这种潜在的正反馈机制进一步加重细胞损伤。正在进行的和即将到来的TRPV4 通道抑制剂的临床试验的结果将为未来的人类疾病研究提供依据，同时进一步的研究将揭示 TRPV4通道抑制剂直接作为多种疾病的治疗剂的真正潜力，TRPV4 有望成为抗氧化应激相关疾病中的新的治疗靶点[36]。