AQP4/Kir4.1蛋白调节脑组织间液流动特性的机制研究

For a long time, little attention was paid to the research of the neuronal living circumstance-interstitia fluid(ISF).In our previous study, the clearance velocity and direction of ISF in extracellular space (ECS) were various in different regions in the rat brain. As the largest number of nerve cells in the brain, astrocytes (AS) play an important role in regulating ECS characteristics through their physiological properties and functions. AQP4/Kir4.1 are distributed in the membrane of AS and can modulate the traffic of water/K+, which markedly influence the volume, the number of processes and functions of AS. Since the previous study revealed that the expression levels of AQP4/Kir4.1 were also various in different regions,we hypothesize that AQP4/Kir4.1 can regulate the flow characteristics of ISF through modulating the physiological properties of AS. We will explore the roles of AQP4/Kir4.1 in regulating ISF flow characteristics by using MRI, fluorescence redistribution after photobleaching and gene knockout methods in vivo and in vitro. The results will provide an important theoretical foundation for clinically treating nervous system disease by in situ drug injection in the brain.

长期以来，人们对神经元的生存环境-脑组织间液（interstitial fluid，ISF）研究较少。先期实验中，我们发现大鼠不同脑区细胞外间隙（extracellular space，ECS）内ISF的清除速度和流向等明显不同。作为脑内数量最多的神经细胞，星形胶质细胞（astrocyte，AS）的生理特性和功能变化对ECS的影响极为显著。AQP4/Kir4.1分布于AS表面并调控其内部水/钾离子的运动，对AS的体积、突起数目和功能等产生巨大影响。由于我们同时发现各脑区AQP4/Kir4.1表达水平也相应不同，由此假设，AQP4/Kir4.1蛋白通过调节AS的生理性质而间接调控ISF的流动特性。我们将使用核磁共振成像、荧光漂白和基因敲除等手段于在体和离体水平对该假设进行验证，探索AQP4/Kir4.1通过AS调节ISF流动特性的机制，为脑内原位注射药物治疗神经系统疾病奠定重要理论基础。

长期以来，人们对脑细胞外间隙（interstitial space，ISS）空间构象和脑组织间液（interstitial fluid，ISF）流动特性，即脑内类淋巴系统（glymphatic system)在神经系统疾病中发挥的作用知之甚少，这可能直接导致了许多针对中枢神经系统疾病药物研发的失败。.在本项目中，我们着力研究了脑类淋巴系统的生理特性和调控其功能的相关因素（如星形胶质细胞和水通道蛋白4）以及某些脑功能对该系统的影响（如嗅觉）。同时，应用蛛网膜下腔出血、阿尔茨海默病等模型进一步确认这些影响因素的作用，进行了临床转化的前期研究。.本项目研究结果显示，脑内不同区域的类淋巴系统引流的方向和速率不尽相同，脑生理功能（如嗅觉）将导致脑类淋巴系统引流速率下降，细胞外间液内物质清除速率减慢，而此过程中星形胶质细胞及其表面的水通道蛋白4发挥着重要的调控作用。中枢神经系统疾病（如蛛网膜下腔出血、阿尔茨海默病）将导致脑类淋巴系统引流的损伤，局部脑区出现细胞外间液流动下降，细胞间液物质清除速率减慢等现象，这表明脑类淋巴系统引流的损伤可能是中枢神经系统疾病发生、发展的重要机制之一。本项目的研究结果揭示了脑内微环境的稳定及正常脑功能维持的潜在机制，而对脑类淋巴系统的调控和保护则为临床治疗中枢神经系统疾病提供了一个全新的治疗策略。