水通道蛋白9介导的乳酸和甘油转运在改善慢性脑缺血记忆功能中的作用及其机制研究

Chronic cerebral ischemia leads to insufficient glucose, the concentration of lactic acid and glycerol increased obviously due to the increase of anaerobic glycolysis and the degradation of membrane phospholipids. Lactic acid and glycerol could provide energy for memory formation and relative neural signal transmission after chronic cerebral ishcemia. In previous study, it has shown that aquaporin 9 (AQP9) can transport glycerol, lactic acid and some small molecules other than water; lactic acid transport abnormalities will impair long term memory. Until now, there have been no studies in the world regarding the relationship between AQP9 and memory. In our previous study, we demonstrated that in CCI rats, it was shown cognitive dysfunction, increase in AQP9 expression, lactic acid and glycerol, however, the brain water content did not change significantly. Inhibiting the expression of AQP9 could further damage the learning and memory ability in chronic cerebral ischemia rats. Based on above, we guess AQP9 may be involved in memory protection through mediating lactic acid and glycerol transport after chronic cerebral ischemia. However, the specific role and regulation mechanisms are unclear. Therefore, the objective of the proposed project is to establish chronic cerebral ischemia models in vivo and in vitro, using them to determine the role of AQP9-mediated lactic acid and glycerol transport for memory protection after chronic cerebral ischemia, by specifically knockdown or overexpression of AQP9 in brain. In addition, we will investigate the potential signaling pathways that regulate AQP9 expression, so as to provide good base for developing new medicine for treatment of deterioration of the memory.

慢性脑缺血（CCI）后，由于缺血缺氧，葡萄糖供应相对不足；而因无氧糖酵解的增加及膜磷脂结构的崩解，脑内乳酸和甘油浓度却明显增加；乳酸和甘油等将作为能量底物的重要补充，为记忆等神经活动提供能量。据报道，水通道蛋白9（AQP9）除能转运水之外，还能转运甘油、乳酸等物质；而乳酸的转运异常将导致长时记忆障碍。那么，AQP9是否与学习记忆相关？国内外尚未见报道。我们前期发现：CCI后，动物的认知功能发生障碍，脑组织乳酸和甘油的浓度增加，AQP9表达上调，但脑含水量却无显著变化；而当抑制AQP9表达后，其学习记忆能力进一步受损，提示AQP9与脑的学习记忆有关。据此，我们推测AQP9介导的乳酸和甘油转运，与CCI后的记忆保护有关，但其机制并不清楚。因而本项目拟在前期工作基础上，通过选择性敲除或过表达脑组织中的AQP9，研究正常和CCI条件下，AQP9介导的乳酸和甘油转运对学习记忆的影响及其表达调控机制。

慢性脑缺血是血管性痴呆、Alzheimer病等相关疾病的共同致病因素之一；其可表现为患者在学习、记忆与空间信息处理方面的能力下降，并最终造成认知功能障碍。慢性脑缺血后，由于血流量减少、葡萄糖供应相对不足，而血脑屏障又阻断了大量非葡萄糖的能量代谢底物进入脑内。与此同时，因为脑缺血所致糖酵解的增加和细胞膜磷脂层的破坏，乳酸和甘油等能量代谢底物的含量将会显著增加，这些神经细胞能量代谢的底物，则将取代葡萄糖为包括记忆在内的各种神经活动提供能量底物。此时，乳酸和甘油的转运和利用，就成为脑缺血后能量代谢的重要途径。AQP9作为脑内重要的水通道蛋白家族成员之一，除能转运水之外，还可转运甘油、乳酸等物质，本课题旨在研究AQP9在慢性脑缺血的作用及其表达调控。我们采用2-VO建立大鼠慢性脑缺血模型(CCI)，研究发现随着缺血缺氧时间的延长，水通道蛋白9(AQP9) 的表达亦相应增高，与此同时，脑内记忆相关脑区的乳酸和甘油浓度也显著增加，而脑含水量却无显著改变。离体培养的星形胶质细胞给予慢性缺血缺氧干扰后，其AQP9的表达也随着缺氧时间的延长而不断上调。我们的研究结果提示：脑组织细胞缺血后，随着无氧糖酵解的增加及膜磷脂结构的崩解，甘油和乳酸的含量亦相应增高，而脑含水量无显著变化，AQP9的表达却上调，提示AQP9可能与水转运并不直接相关，而仅与乳酸和甘油的转运有关。此外，我们的实验发现慢病毒感染原代星型胶质细胞敲低AQP9的表达后，细胞内外的乳酸和甘油异常；CCI后，鼠的认知功能发生障碍，记忆相关蛋白CREB和ARC的表达以及MAPK信号通路异常；而采用siRNA抑制AQP9的表达后，其学习记忆能力进一步受损，提示AQP9与脑的学习记忆有关(此部分实验我们将通过腺相关病毒进一步验证)。综上，我们的研究结果提示，正常和CCI条件下，AQP9介导的乳酸和甘油转运是脑内重要的能量代谢底物，为记忆等神经活动提供能量，进而对学习记忆的影响发挥着重要作用，其表达调控与MAPK信号通路密切相关。