kênh vận chuyển nước aquaporin và phù não

1 ĐẶT VẤN ĐỀ Hội chứng choán chỗ nội sọ là hậu quả của tập hợp các tổn thương, bao gồm tổn thương bành trướng (khối u, máu tụ nội sọ, áp xe não ) và những biến đổi do chúng tác động lên nhu mô não lân cận, gây nên hiện tượng phù não, và chính hiện tượng phù não này là tác nhân gây chèn ép não chính yếu . Hiện tượng phù não thường hiện diện trong các bệnh lý của não: hội chứng choán chỗ nội sọ hay không phải do hội chứng choán chỗ nội sọ (nghĩa là do các nguyên nhân chuyển hóa hay do nhiễm trùng thần kinh ), nhưng con đường sinh lý bệnh cuối cùng của nó là gây tăng áp nội sọ và thoát vị não, dẫn đến tử vong cho bệnh nhân. Vì thế, phù não liên qua mật thiết đến sự sống còn của bệnh nhân cũng như chất lượng cuộc sống bệnh nhân sau tổn thương não. Khống chế được hiện tượng phù não không những giảm nguy cơ chèn ép não mà còn hạn chế được sự tổn thương não thứ phát do phù não, nghĩa là tăng khả năng sống còn và giảm nguy cơ tàn phế cho bệnh nhân. Do đó, ngoài điều trị nguyên nhân gây tổn thương não, điều trị phù não luôn là vấn đề cấp thiết của bác sỹ thực hành lâm sàng nói chung và bác sỹ chuyên khoa thần kinh nói riêng. Phù não xuất phát từ chữ Hy lạp: Oidema nghĩa là sưng nề, vì thế thuật ngữ phù não được áp dụng cho các tình trạng bệnh lý của hiện tượng phù nề não. Mặc dù phù não là vấn đề thường gặp trên lâm sàng và hậu quả của nó ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của bệnh nhân, nhưng vấn đề điều trị phù não hầu như chỉ dựa vào những khái niệm kinh điển, chưa có thay đổi nhiều trong thập kỷ qua. Cơ chế phù não ở mức độ phân tử còn chưa được biết rõ và còn thiếu các thuốc đặc trị cho hiện tượng phù não (Papadopoulos et al, 2002). Gần đây, các phương pháp chính để điều trị phù não bao gồm: giảm áp lực nội sọ, duy trì lưu lượng máu não và gia tăng tái hấp thu dịch (Grande et al, 2 2002), đôi khi phải phẫu thuật để giảm áp nhằm tránh thoát vị não và tử vong cho bệnh nhân (Albanese et al, 2003)[8]. Một trong những tiến bộ vượt bậc về mặt sinh học trong thập kỷ qua là việc phát hiện ra họ phân tử có tên gọi là kênh vận chuyển nước aquaporin (Aquaporin water channels AQPs), chịu trách nhiệm về việc điều chỉnh lượng nước qua màng tế bào (Preston et al, 1992). Sự phát hiện này đã được giải thưởng Nobel về hóa học năm 2003 cho giáo sư Peter Agre. Ngày nay, người ta đã biết rõ rằng AQPs đóng một vai trò quan trọng trong hầu hết các quá trình hấp thu và bài tiết nước trong cơ thể chúng ta, là thành phần thiết yếu trong việc điều chỉnh nội môi nước trong cơ thể (King et al, 2004). Trong đó, đối với hệ thần kinh thì AQP4 đóng một vai trò rất quan trọng trong việc điều chỉnh lưu lượng nước và liên quan mật thiết đến hiện tượng phù não [8]. Sự phát hiện ra kênh vận chuyển nước làm gợi lên niềm hy vọng về tìm kiếm một liệu pháp điều trị mới dựa trên sự hiểu biết ở mức độ phân tử về quá trình phù não [2]. Đăc biệt, việc phát hiện ra vai trò của AQP4 trong việc vận chuyển nước từ máu đến não và giữa các thành phần ngoại và nội bào của tế bào thần kinh là rất quan trọng, đây là mục tiêu chính cho sự tiếp cận mới nhằm điều trị phù não ở mức độ phân tử [6]. 3 1. PHÙ NÃO 1.1. Phù não- một vấn đề lâm sàng Phù não (brain edema) xuất phát từ tiếng Hy lạp nghĩa là “sưng nề”. Phù não được hình thành khi có hiện hượng tích tụ dịch trong nhu mô não, thường gặp trong các bệnh lý não nguyên phát như đột quỵ, chấn thương sọ não, u não và áp xe não Ngoài ra, phù não cũng xuất hiện trong bệnh lý nhiễm trùng hệ thống mà có liên quan với não như sốt rét và các tình trạng ảnh hưởng gián tiếp đến não như suy thận, nhiễm trùng huyết, hạ natri máu và suy gan Sự phù nề não làm tăng áp lực nội sọ, điều này làm rối loạn tưới máu não và có thể gây nên nhồi máu não, thoát vị não và cuối cùng là tử vong [20]. 1.2. Cơ chế và phân loại của phù não Ở người, hộp sọ (skull) chứa nhu mô não, dịch não tủy và máu khoảng 1200- 1400 ml. Sự trao đổi dịch giữa các ngăn này xãy ra ở hàng rào máu não, màng mạch não thất, đám rối mạch mạc não thất bên và các hạt màng nhện. Thêm vào đó còn có khoãng hơn 30ml dịch được tạo ra hàng ngày từ sự chuyển hóa đường. Sự thay đổi về áp lực thẩm thấu và áp lực thủy tỉnh tạo nên sự vận chuyển nước giữa ngăn nội bào, ngăn kẻ, dịch não tủy ở não thất và ngăn mạch ở trong não. Hình 1.1: Các ngăn dịch nội sọ và hướng di chuyển dịch giữa các ngăn[22]. (Intracellular Fluid: dịch ngăn nội bào, Interstitial fluid: dịch ngăn kẻ, CSF: dịch não tủy) 4 Phù não là sự tập trung nhiều nước ở nhu mô não. Hộp sọ ở người trưởng thành là một hộp cứng về mặt cơ học. Khi có hiện tượng gia tăng thể tích trong nhu mô não thì gây nên hiện tượng dịch chuyển dịch giữa các ngăn áp lực thấp như dịch não tủy (khoảng 10mm Hg ở người), ngăn tĩnh mạch (khoảng 10mm Hg) và ngăn áp lực cao như ngăn động mạch (áp lực động mạch trung bình khoảng 105mm Hg) (Giả thuyết Monro-Kellie). Hậu quả là áp lực nội sọ gia tăng, để chống lại sự gia tăng áp lực nội sọ phần lớn dựa vào ngăn tĩnh mạch và ngăn dịch não tủy bằng cách chúng co nhỏ lại [20]. Hình 1.2: Áp lực nội sọ(ICP) . Khi có tổn thương bành trướng, não bù trừ bằng cách giảm ngăn dịch não tủy và giảm lưu lượng máu não nhằm duy trì áp lực nội sọ bình thường (Còn bù). Nếu tổn thương tiếp tục bành trướng thì sẻ phá vỡ cơ chế bù trừ và gây ra tăng áp nội sọ (Mất bù). Igor Klatzo chia phù não ra hai loại: phù có nguồn gốc mạch máu hay phù ngoại bào (vasogenic edema) và phù độc tế bào hay phù nội bào (cytotoxic edema). + Phù não có nguồn gốc mạch máu (vasogenic brain edema) xãy ra khi hàng rào máu não trở nên rò rỉ, cho phép dịch từ huyết tương đi vào nhu mô não. Phù não do u não là một ví dụ điển hình của phù não có nguồn gốc từ Còn bù Mất bù 5 mạch máu. Dịch trong phù não có nguồn gốc từ mạch máu nằm ở ngăn ngoại bào và hầu hết tập trung ở chất trắng của não, bởi vì sự chống lại luồng dịch chảy vào nhu mô não (như đã mô tả trên) ở chất trắng kém hơn chất xám võ não. Các dải bịt (Tight junction) của tế bào nội mô vi mạch mở ra trong phù não có nguồn gốc mạch máu. Các phát hiện gần đây về sự liên kết giữa dải bịt với các protein như: occludin, claudin, JAM, ZO-1, ZO-2, ZO-3 có thể giúp phát hiện về cơ chế tổn thương hàng rào máu não ở mức độ phân tử. Ví dụ: u nguyên bào thần kinh đệm và ung thư não do di căn thường kèm với phù não rõ rệt, cho thấy sự biểu hiện bất thường của các protein của tế bào nội mô như occludin, claudin-1, claudin-5 và ZO-1[30],[36]. Vấn đề này sẽ được nói rõ trong chuyên đề 2: “Hàng rào máu não”. + Phù do nhiễm độc tế bào hay phù nội bào (cytotoxic brain edema) là hiện tượng dịch tập trung ở nội bào, phù nội bào hay gặp trong tình trạng nhiễm độc nước hay các tình trạng thiếu oxy não như đột quỵ, chấn thương sọ não hay giảm oxy máu. Phù do nhiễm độc tế bào cũng hậu quả của bệnh lý nhiểm trùng thần kinh như sốt rét thể não, các hồng cầu bị nhiễm Plasmodium falciparum kết dính vào hệ thống mao mạch não và gây tắc nghẽn vi mạch não. Người ta cho rằng, sau đột quỵ hay chấn thương não thì phù nội bào xãy ra chủ yếu ở tế bào hình sao (astrocyte). Sự phù nề tế bào hình sao có lẻ là một biến cố sớm và quan trọng, dẩn đến tổn thương não về sau, bởi do rối loạn cơ chế điều hòa bảo vệ. Trong thực nghiệm, người ta thấy tế bào hình sao thu nhỏ lại để đáp ứng với môi trường áp lực thẩm thấu thấp bằng cách mất các ion nội bào (chủ yếu là K và Cl) và các amino acid (bao gồm các amino acid kích thích gây độc tế bào như glutamate). Tuy nhiên, ở cơ thể sống, người ta chưa rõ cơ chế điều chỉnh thể tích của tế bào hình sao có xãy ra hay không trong quá trình tổn thương nơ ron thần kinh [7] [22]. 6 2. KÊNH VẬN CHUYỂN NƯỚC AQUAPORIN (AQPs) Từ lâu các nhà sinh lý đã phát hiện ra rằng: nước vận chuyển qua màng của nhiều loại tế bào (hồng cầu, tế bào ống thận ) và được giải thích bằng cơ chế khuếch tán đơn giản. Trong thập kỷ qua, họ protein vận chuyển nước có tên gọi là Aquaporin đã được nhận diện [22]. Có ít nhất 11 loại AQP đã được phát hiện ở động vật có vú và nhiều hơn nữa từ động vật lưỡng cư, thực vật, chất men, vi khuẩn và các loại sinh vật bật thấp khác [7],[13],[20] [24]. 2.1. Khái niệm, phân nhóm và phân loại của Aquaporin 2.1.1. Khái niệm Theo Wikipedia, AQP là một protein thiết yếu của màng tế bào, chúng tạo thành các lổ chân lông của màng tế bào sinh học, chúng vận chuyển các phân tử nước giữa trong và ngoài tế bào, trong khi lại ngăn chặn sự vận chuyển các ion và các chất hòa tan khác. Như trên đã nói, AQP là kênh protein vận chuyển nước được phát hiện vào năm 1990. AQP1 là kênh vận chuyển nước được mô tả đầu tiên ở hồng cầu. Hiện họ AQP có 11 loại, được đặt tên từ AQP0 đến AQP10, trọng lượng phân tử của AQP khoảng 30 kDa [22]. 2.1.2. Phân nhóm và phân loại của Aquaporin Họ AQP được chia làm 3 nhóm theo chức năng (dựa vào tính thấm nước chứ không dựa vào cấu trúc phân tử của chúng): + Nhóm Aquaporin: bao gồm AQP0, AQP1, AQP2, AQP4, AQP5,AQP6 vận chuyển nước. + Nhóm Aquaglyceroporin: bao gồm AQP3, AQP7 và AQP8 vận chuyển nước, glycerol và ure. + Kênh vận chuyển các chất hòa tan trung tính: gồm AQP9 vận chuyển nước, glycerol, ure, purin, pyrimidine và monocarboxylates. AQP10 gần đây phát hiện nhiều ở tá tràng và hổng tràng, chúng vận chuyển nước và các chất hòa tan trung tính nhưng không vận chuyển ure và glycerol [11],[17]. 7 Sự khác biệt về mặt lý học giữa các nhóm AQP thì chưa được biết. AQP được phân bố mọi nơi ở mô của động vật có vú. Ngày nay có 6 loại AQP ở não của loài gặm nhấm được mô tả, đó là AQP1, AQP3, AQP4, AQP5, AQP8 và AQP9. Hình 2.1: Phân nhóm và phân loại: Aquaporins chỉ vận chuyển nước, trong khi Aquaglyceroporins vận chuyển nước và các chất hòa tan nhỏ chẳng hạn glycerol [19],[31],[32]. 2.2. Cấu trúc phân tử và phân bố Aquaporin trong cơ thể 2.2.1. Cấu trúc phân tử của aquaporin Hình ảnh cấu trúc của AQP1 phản ánh đặc điểm cấu trúc chung của họ Aquaporin. Phân tích về mặt sinh hóa thì AQP là một polypeptide có trọng lượng phân tử khoảng 30 kDa và nó hiện diện ở dạng tứ phân trong màng tế bào. Nhưng không giống như các kênh ion khác, kênh vận chuyển nước nó không nằm trong trục của tứ phân (trung tâm của tứ phân) mà nó nằm trong mỗi tiểu phân, nghĩa là mỗi tiểu phân chứa một kênh vận chuyển nước. Các 8 cấu trúc dạng xoắn ốc của mỗi tiểu phân AQP nằm phía bên ngoài của tứ phân thì có tính kỵ nước, trong khi phía bên trong hướng đến trung tâm của tứ phân lại có tính ưa nước [19]. A 1 A 2 Hình 2.2: Cấu trúc của Aquaporin. A1: Phân tử AQP dạng tứ phân, dấu hoa thị biểu hiện vị trí vận chuyển nước của mỗi tiểu phân. A2: Cấu trúc của mỗi tiểu phân AQP, mũi tên biểu hiện sự vân chuyển nước cả 2 hướng đi qua kênh.(Extracellular: Ngoại bào, Intracellular: Nội bào) Nghiên cứu cấu trúc của mỗi tiểu phân, chúng được cấu thành từ hai phần, mỗi phần bao gồm 3 khối xoắn ốc dạng α với đầu tận cùng là amino- và carboxyl- nằm trong tế bào chất. Giữa hai phần được nối với nhau bởi 2 vòng nối, mỗi vòng nối chứa các thành phần là Asn-Pro-Ala. Đây chính là thành phần được cho là tạo thành lổ chân lông trong màng tế bào, xác định vận chuyển nước có tính chọn lọc [17]. 9 Hình 2.3: Cấu trúc của một tiểu phân Aquaporin [17]. (Extracellular: Ngoại bào, Intracellular: Nội bào, Solutes: các chất hòa tan). Hinh 2.4: Biểu đồ cấu trúc dạng dãi băng của tiểu phân Aquaporin (lát cắt dọc giữa) [5]. (Extracellular: Ngoại bào, Intracellular: Nội bào). Ngoại bào Nước và các chất hòa tan Nước và các chất hòa tan Nội bào 10 A 3 A 4 Hình 2.5: Cấu trúc trong không gian ba chiều dưới dạng tinh thể học của tiểu phân Aquaporin. A4: thiết diện cắt ngang qua đường giữa tiểu phân AQP1cho thấy lổ chân lông 3Å được bao quanh bởi các thành phần kỵ nước (màu xanh) và các vị trí mang phân tử hydrogen: Asn-192 và Asn-76 (đỏ). A3: thiết diện cắt dọc cho thấy kênh nước được lót bởi các thành phần quan trọng về mặt chức năng (Murata et al.2000),[31]. Sự vận chuyển nước qua kênh của tiểu phân AQP qua hai cơ chế chính. Cơ chế thứ nhất là tùy thuộc vào đường kính của kênh: khoảng 2.8- 8 Å và chỉ cho phép các phân tử có kích cở nhỏ đi qua. Cơ chế thứ hai liên qua đến sự định hướng của một cặp có tính lưỡng cực của cấu trúc NPA. Đặc tính lưỡng cực sẽ tương tác với phân tử nước và tách chúng ra khỏi phân tử hydrogen. Phân tử nước đã được tách khỏi ion H và đi qua kênh. Sự kết hợp giữa đường kính của kênh và giới hạn về phương diện điện tích là đặc tính vận chuyển nước độc đáo của Aquaporin. [...]... sau: luồng dịch gây phù não đi vào nhu 34 mô não trong phù độc tế bào (cytotoxic edema) có liên quan đến sự vận chuyển nước qua hàng rào máu não còn nguyên vẹn và qua chân tế bào hình sao Ngược lại, luồng dịch đi vào não trong phù não có nguồn gốc mạch máu (vasogenic edema) do u não liên quan đến sự vận chuyển nước đi qua kẽ hở của các tế bào nội mô vi mạch (kẽ hở hàng rào máu não) với các tế bào khối... mạch vào nhu mô não qua hàng rào máu não còn nguyên vẹn và các tế bào hình sao có nhiều AQP4,dịch tập trung chủ yếu ở tế bào hình sao và lệ thuộc AQP4 (B trong phù não có nguồn gốc mạch máu, do hàng rào máu não bị hở cho phép dịch từ ngăn mạch vận chuyển trực tiếp vào nhu mô não làm phá vỡ tế bào hình sao và độc lập với AQP4 (Papadopoulos và cs 2004), [24] Theo M.C Papadopoulos và cs, cơ chế phù não. .. tăng hơn và lưu lượng nước não cũng nhiều hơn Hơn nữa, Chuột bị xóa bỏ AQP4 và được cấy các tế bào u sắc tố vào não bộ thì áp lực nội sọ tăng cao và tương ứng với các biểu hiện thần kinh nặng nề xuất hiện nhanh chóng Như vậy, AQP4, chất trung gian vận chuyển nước qua tế bào là chủ yếu, không những gây ra phù não sau 32 ngộ độc nước cấp hay nhồi máu não, mà còn có vai trò thanh thải dịch trong phù não có... đệm tận bên trong và các tế bào lót (Ependyma) đi vào não thất (Papadopoulos et al, 2004) [20], [21], [24] [29] 35 Vì vậy, hình thành phù não trong phù độc tế bào thì lệ thuộc vào AQP4, còn trong phù não có nguồn gốc mạch máu do u não thì độc lập với AQP4 [24],[29] Tuy nhiên, sự bài tiết dịch thừa trong não trong cả hai loại phù não thì đều lệ thuộc vào AQP4 bởi vì dịch thừa đó vận chuyển qua hàng rào... gây thiếu máu não thoáng qua, người ta thấy hiện tượng phù não giảm đi, điều đó chỉ ra có sự giảm luồng nước vào não Vì vậy, α-Syntrophin có vai trò trong điều chỉnh vị trí AQP4, là yếu tố quan trọng về chức năng của chúng trong vận chuyển nước hai chiều qua hàng rào máu não [22], [23], [26] Phù độc tế bào Phù có nguồn gốc mạch máu Hình 3.4 Cơ chế phù não liên quan đến AQP4 (A) trong phù độc tế bào,... giảm phù não ở chuột xóa bỏ AQP4 sau khi bị ngộ độc nước cấp và nhồi máu não Hình A: sự sống sót của chuột đã bị xóa bỏ AQP4 so với nhóm không xóa bỏ AQP4 sau khi gây ngộ độc nước bằng bơm nước vào phúc mạc Hình B: hình ảnh cắt ngang não chuột ở thời điểm 24 giờ sau khi gây nhồi máu não bằng thắt động mạch não giữa Lệch đường giữa và phù não ở chuột không xóa bỏ AQP4, thể tích trung bình của bán cầu não. .. có chứa AQP4 Luồng dịch vận chuyển qua các tế bào thần kinh đệm tận cùng đi vào khoang dưới nhện, vận chuyển qua các tế bào lót trong não thất, qua hàng rào máu não và chân tế bào hình sao để đi vào dòng máu (hình 3.5) 3.3.3.Thay đổi sự hiện diện của AQP1 và AQP9 trong tình trạng bệnh lý AQP1 và AQP9 cũng liên quan đến sự hình thành phù não hoặc cơ chế bù trừ chống lại phù não Trong thực nghiệm như... trong não nhạy cảm với tình trạng tổn thương não, phù não và các thủ thuật thực nghiệm ở não Ở loài gặm nhấm, hiện diện AQP4 gia tăng khi có hiện tượng phù não xãy ra sau tổn thương não như: nhồi máu não hay hạ natri máu [20],[35] AQP4 cũng gia tăng trong phù não do u não ở người, ở đó AQP4 mất tính phân cực và tái phân bố khắp tế bào hình sao (hình 3.1) [34] 26 PHÙ P Hình 3.1 Hình ảnh AQP4 (màu nâu) dưới... cell) và các tế bào nằm ở sàng não thất ba Sự hiện diện AQP9 23 nằm ở các tế bào lót quanh các não thất làm gia tăng khả năng kênh vận chuyển này liên quan đến sự tiết dịch não tủy ở đám rối mạch mạc não thất và sự tái hấp thu của dịch não tủy ở khoang màng nhện [12] Các nghiên cứu gần đây của Badaut và cs (2001) phát hiện AQP9 nằm ở chân tế bào hình sao trong các vùng quanh não thất của nhu mô não và. .. thương tật và tỉ lệ tử vong của bệnh nhân mắc các bệnh lý về thần kinh [20], [22] 3.3 Vai trò AQP trong hình thành phù não và thanh thải dịch phù não Như đã trình bày trên, có nhiều bằng chứng gợi ý rằng protein AQP liên quan đến sự hình thành phù não cũng như vấn đề giải quyết phù não Những chứng cứ đó là: + Thay đổi sự hiện diện của AQP4 ở vùng phù não sau các tổn thương não hay sau u não + Thay . AQP5,AQP6 vận chuyển nước. + Nhóm Aquaglyceroporin: bao gồm AQP3, AQP7 và AQP8 vận chuyển nước, glycerol và ure. + Kênh vận chuyển các chất hòa tan trung tính: gồm AQP9 vận chuyển nước, glycerol,. chúng vận chuyển các phân tử nước giữa trong và ngoài tế bào, trong khi lại ngăn chặn sự vận chuyển các ion và các chất hòa tan khác. Như trên đã nói, AQP là kênh protein vận chuyển nước được. xe não ) và những biến đổi do chúng tác động lên nhu mô não lân cận, gây nên hiện tượng phù não, và chính hiện tượng phù não này là tác nhân gây chèn ép não chính yếu . Hiện tượng phù não