谷氨酸引起星形胶质细胞水通道蛋白4表达变化的受体亚型及信号通路研究

Brain edema is the main complication of patients with brain ischemia and the leading cause of acute death. The ultrastructure pathological studies found that astrocyte swelling occurred in the early stage of cerebral edema, indicating the brain edema prevention and treatment should focus on astrocytes. Accumulated evidents show that glutamate is one of the important factors to induce astrocyte swelling, but the underlying molecular mechanism is not clear. Recent studies have demonstrated that aquaporin 4 (AQP4) is specifically localized in the astrocyte plasma membrane and maintain brain water homeostasis. Therefore, it is of important significance to study the effect of glutamate on AQP4 expression and the regulation mechanism for further understanding the pathophysiological process of brain edema. Based on our previous findings that glutamate induced expression change of AQP4 in astrocyte and the ERK signaling pathway is involved in the regulation of AQP 4 expression in cultured astrocytes after scratch-wound, we hypothesized that glutamate regulates AQP4 expression through ERK1/2 signaling pathway in astrocytes. In the present study, we will utilize cultured astrocytes and the established cytotoxiic cerebral edema to verify our hypothesis, combined with cytological, pharmacological, molecular biological methods and RNAi technique. The experiment results will provide new clues for the clinical treatment of brain edema at multi-level and using multiple methods.

脑水肿是脑缺血的重要并发症，是许多脑血管病患者急性死亡的主要原因。超微病理研究发现在脑水肿早期主要表现为星形胶质细胞（AS）肿胀，提示脑水肿防治的重点应该是AS。大量研究表明谷氨酸是引起AS肿胀的重要因素之一，但是分子机制并不清楚。最新的研究发现特异存在于AS膜上的水通道蛋白4（AQP4）介导水分子的跨细胞膜转运，是脑水肿发生发展中的关键因子，因此研究谷氨酸对AQP4的调控作用及机制对于理解脑水肿的病理生理过程有重要意义。 我们前期的工作发现谷氨酸可以引起AS肿胀及AQP4表达变化，并且在AS划痕损伤模型中发现ERK1/2信号通路可以调控AQP4的表达，因此我们假设"谷氨酸通过激活ERK通路调节AQP4表达"，本项目将利用培养的AS及已建立的细胞性脑水肿模型，结合细胞学、药理学和分子生物学方法及RNAi技术进行验证，研究结果将为临床多层次多角度治疗脑水肿提供新的依据及途径。

脑外伤、脑缺氧、脑卒中、癫痫等病理情况下有大量谷氨酸释放到细胞间隙，引起星形胶质细胞肿胀，参与脑水肿的发生发展。但是谷氨酸引起星形胶质细胞肿胀的分子机制目前尚不清楚。依据我们前期的实验结果及文献报道我们推测 “谷氨酸通过激活ERK通路调节AQP4表达引起星形胶质细胞肿胀”。为了验证该假说，我们首先观察了谷氨酸引起培养星形胶质细胞肿胀时水通道家族特别是AQP4的表达变化，并利用RNAi技术证明抑制星形胶质细胞AQP4表达可以阻断谷氨酸引起的星形胶质细胞肿胀，提示AQP4是谷氨酸引起星形胶质细胞肿胀的关键靶分子。然后应用mGluR5特异的激动剂、拮抗剂等药理学的方法，在培养的星形胶质细胞证明mGluR5而非谷氨酸转运体介导了谷氨酸引起的星形胶质细胞肿胀及AQP4表达增加，并在大鼠局部脑缺血再灌注模型上验证了mGluR5与AQP4的共表达关系。我们进一步利用培养星形胶质细胞及大鼠脑缺血再灌注模型检测了与mGluR5激活偶联的信号通路Ca2+浓度变化及ERK通路的激活情况，发现Ca2+及ERK均参与了AQP4 的表达调节。最后，我们应用大鼠局部脑缺血再灌注模型发现神经保护药物亚甲基蓝可以减轻脑水肿，并证明亚甲基蓝可能是通过降低AQP4 的表达及ERK激活发挥减轻脑水肿的保护作用。. 严重的脑水肿已成为脑疾病患者致残致死的重要因素，但是目前脑水肿的治疗方法仍十分有限。谷氨酸是引起脑水肿的重要诱发因子，本项目通过深入、系统的研究，阐明了谷氨酸调节AQP4表达的信号传导机制及引起脑水肿的分子机制，为在细胞水平、分子水平理解脑水肿的发生机制提供了实验依据，干预AQP4表达以及调节mGluR5、ERK信号通路可能为脑水肿的防治提供新的靶点，本研究中发现的亚甲基蓝对抗脑水肿的作用也为临床治疗脑水肿提供了新的选择。