提到水通道蛋白（Aquaporin，AQP），很多人首先想到的是运输水。但随着研究深入，水通道蛋白的意义已从基础水分子转运延伸到脑水肿、自身免疫、脑内液体清除和神经退行性疾病等领域。其中，水通道蛋白4（Aquaporin-4，AQP4）因其在中枢神经系统中的特殊分布和复杂调控，成为当前AQP家族中最受关注的成员之一。
2026年的一项研究尝试将AQP4抑制剂TGN-020靶向递送至卒中病灶，在减轻脑水肿的同时尽可能保留类淋巴系统（glymphatic system）功能[1]。这一结果提示，AQP4并非是简单抑制即可获益的靶点，其作用与病程阶段、空间定位和功能状态密切相关。那从水通道到潜在药物靶点，AQP4的结构、作用机制和疾病关联究竟有哪些特殊之处？
1、AQP4与水通道蛋白（Aquaporin）家族
水通道蛋白（Aquaporins）是一类广泛存在于细胞膜上的跨膜通道蛋白，主要介导水及部分小分子沿渗透梯度快速跨膜运输。目前哺乳动物水通道蛋白家族通常包括AQP0–AQP12共13个成员，不同成员广泛分布于肾脏、神经系统、肺、肝脏、胃肠道、眼、皮肤和脂肪组织等。按照序列特征和通透性，可大致分为三类：经典水通道蛋白（Classical Aquaporins），包括AQP0、AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6和AQP8，主要参与水运输；水甘油通道蛋白（Aquaglyceroporins），包括AQP3、AQP7、AQP9和AQP10，除水外还可运输甘油、尿素等小分子；超级/非经典水通道蛋白（Superaquaporins / Unorthodox Aquaporins），包括AQP11和AQP12，更多分布于细胞内膜系统，具有较为特殊的结构和功能[2]。
Figure 1. Three Classes of Aquaporins [3]
不同AQP成员具有明显的组织特异性。例如，AQP0主要存在于晶状体；AQP2是肾集合管水重吸收的重要调节蛋白；AQP5广泛参与唾液腺、泪腺和呼吸系统液体分泌。而AQP4则是中枢神经系统中最丰富、最重要的水通道蛋白之一，尤其集中分布于星形胶质细胞，并在脑血管周围的星形胶质细胞终足（astrocyte endfeet）高度富集[2,4]。正是这种特殊的空间分布，使AQP4成为连接脑水稳态、血脑屏障、类淋巴系统以及多种神经系统疾病的重要节点。
2、AQP4的结构
和大多数水通道蛋白一样，AQP4单体具有典型的6次跨膜α螺旋结构，由5个连接环区A–E（Loop A–E）相连。其中，环区B（Loop B）和环区E（Loop E）分别向膜内折入，并包含水通道蛋白家族高度保守的NPA基序（NPA motif；Asn-Pro-Ala），两个NPA区域在膜中央附近相互靠近，共同参与形成水分子通过的通道[2]。
Figure 2. Structure of AQP4 [2]
AQP4存在多种亚型，包括AQP4a、AQP4b、AQP4c、AQP4d、AQP4e、AQP4f和AQP4-Δ4，其中研究最深入的是 AQP4a（M1）和AQP4c（M23）。两者均具有完整6次跨膜结构，但M23较M1缺少N端22个氨基酸，这一差异会显著影响AQP4的高阶组装。
AQP4单体首先组装成四聚体，多个四聚体还可进一步形成正交粒子阵列（Orthogonal Arrays of Particles，OAPs）。M23具有较强的自主OAP形成能力，而M1通常需与M23共同参与组装，并可限制OAP进一步扩大，因此M1/M23比例会影响OAP的大小和组织方式。在中枢神经系统中，OAP尤其富集于血管周围的星形胶质细胞终足。由此可见，AQP4的天然状态不仅取决于其跨膜结构，还受到亚型组成、四聚体形成和OAP高阶组装的共同影响[5]。
2025年的一项冷冻电镜（cryo-EM）研究将全长AQP4 M1亚型重构于脂质纳米盘（lipid nanodisc）中，解析出2.1 Å分辨率的四聚体结构，并显示AQP4的高阶组装会影响胞外构象表位的呈现[6]。这说明，在抗体发现和药物筛选中，仅有完整序列还不够，AQP4在膜环境中的组装状态同样值得关注。
3、AQP4的分布、核心功能及作用机制
AQP4主要表达于中枢神经系统星形胶质细胞，并高度富集于脑血管周围的星形胶质细胞终足、室管膜及脑—脑脊液界面[4,7]。这种极化分布使其处于血液、脑脊液（CSF）与脑间质液（ISF）交换的关键位置，主要参与脑内水稳态、细胞容量调节以及脑水肿形成与清除。
从作用机制看，AQP4本身并不消耗三磷酸腺苷（ATP）或主动泵水，而是作为双向水通道，根据细胞膜两侧的渗透压梯度快速促进水分子通过。AQP4在星形胶质细胞终足的高密度聚集，可提高局部水交换效率，并参与脑脊液-脑间质液交换及类淋巴系统相关液体运输[2,4]。
AQP4的作用还取决于其是否处在正确的位置。其膜定位和极化受到细胞骨架锚定、亚型组装及翻译后修饰等多层机制调控；当这种极化分布被破坏时，即使总AQP4表达量没有明显下降，其水运输和脑内液体清除相关功能也可能受到影响[7]。
4、AQP4与哪些疾病密切相关？
4.1 AQP4与脑水肿
AQP4在脑水肿中的作用具有明显的阶段依赖性。在缺血性卒中早期的细胞毒性水肿阶段，离子稳态失衡造成水进入星形胶质细胞，AQP4可加快这一过程；而当血脑屏障破坏、血管源性水肿占主导时，AQP4又可能促进组织中过量水分向血液或脑脊液清除。因此，AQP4在不同阶段可能发挥相反作用，也解释了为什么药物开发更需要把握干预时机，而非持续、无差别地抑制AQP4[4]。
4.2 AQP4与视神经脊髓炎谱系疾病（NMOSD）
在视神经脊髓炎谱系疾病（NMOSD）中，AQP4的角色从水通道转变为关键自身抗原。AQP4-IgG可识别星形胶质细胞表面的AQP4，并进一步触发补体及细胞介导的免疫损伤，造成星形胶质细胞损伤，继而引发脱髓鞘和神经元损伤[6,8]。这一机制使AQP4同时具有疾病标志物和治疗干预靶点的双重意义。与脑水肿中直接调节水通道活性不同，NMOSD相关策略更关注阻断AQP4-IgG与天然构象表位的结合，或抑制其后续免疫效应。
4.3 AQP4与类淋巴系统及神经退行性疾病
在类淋巴系统中，AQP4的关键并不只是表达量，而是其在血管周围星形胶质细胞终足上的极化分布。AQP4去极化可能降低脑脊液-脑间质液交换和代谢物清除效率，并与睡眠障碍、脑衰老及多种神经退行性疾病相关[7]。
在阿尔茨海默病（AD）研究中，AQP4极化异常被认为与β-淀粉样蛋白（Aβ）、Tau蛋白等代谢物清除受损有关。不过，这一领域目前仍以机制和动物研究为主，从脑内液体清除异常到人类疾病进展之间的因果关系仍需进一步验证。因此，AQP4更适合作为一个正在快速发展的潜在治疗靶点，而非已经得到临床验证的AD靶点。
5、AQP4靶向药物研究进展
目前，直接靶向AQP4的药物研发总体仍处于早期转化阶段，尚无相关治疗药物获批上市。公开管线中，AER-271/SIM0800已完成I期研究，是目前推进较靠前的直接AQP4小分子项目；TGN-020、ORI-TRN-002、TGN-073及Aquaporumab等仍以临床前研究为主。整体研发思路也已从单纯抑制水通道，逐渐扩展到通道抑制、功能增强、极化调控和自身抗体阻断等多种策略。
5.1 AQP4小分子抑制剂
小分子抑制剂是目前AQP4直接靶向研究中推进最深入的一类，主要希望通过降低缺血早期AQP4介导的水进入，减轻细胞毒性水肿。
AER-271（SIM0800/SIM0307/SIM1910-09）是其中最具代表性的临床阶段项目。AER-271为活性AQP4抑制剂AER-270的静脉前药，由Aeromics开发，后由先声药业在大中华区推进。美国和中国均已完成I期研究；截至目前，公开资料尚未显示II期试验正式启动。
TGN-020则长期作为经典AQP4抑制研究工具。2026年的研究进一步采用病灶靶向递送策略，将TGN-020富集至卒中区域，在减轻脑水肿的同时尽量减少对全脑类淋巴系统功能的影响[1]。此外，Origenis于2024年报道新型抑制剂ORI-TRN-002，在表达AQP4的非洲爪蟾卵母细胞模型中，其半数抑制浓度（IC50）为2.9 ± 0.6 μM，目前仍处于临床前优化阶段[9]。
5.2 AQP4增强剂
与抑制策略相反，AQP4增强剂尝试提高通道功能或恢复其血管周围定位，主要面向类淋巴系统功能和神经退行性疾病研究。
TGN-073是具有代表性的AQP4促进剂/增强剂。2026年的一项研究显示，在PS19 Tau蛋白病小鼠模型中，TGN-073可增强类淋巴系统相关的脑脊液流入，降低Tau蛋白积累、神经元损失和胶质细胞反应，并恢复血管周围AQP4富集；在AQP4缺失小鼠中，这些效应基本消失，支持其作用具有AQP4依赖性[10]。
类似思路也出现在新的药物发现项目中。山东第一医科大学2025年公开的AQP4相关嘌呤类化合物61被报道可与AQP4结合，并在细胞实验中增强AQP4极化、减轻星形胶质细胞衰老，目前仍处于早期发现阶段。
5.3 抗体及抗原特异性免疫策略
AQP4的另一类独特开发方向来自NMOSD。这里的核心并不是改变水通道通透性，而是阻止致病性AQP4-IgG与星形胶质细胞表面AQP4结合。
代表性项目Aquaporumab是由加州大学旧金山分校（UCSF）相关研究团队开发的工程化抗AQP4单克隆抗体。其抗体Fc区经改造后不再触发补体依赖性细胞毒作用（CDC）和抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用（ADCC），同时保留高亲和力AQP4结合能力，可竞争性占据AQP4胞外表位、阻断患者致病性AQP4-IgG结合；目前仍处于临床前研究阶段[11]。
这些不同方向反映出AQP4药理调控的核心特点：治疗目标并不是统一地“关掉”或“打开”通道，而是根据疾病类型、病程阶段和AQP4的空间状态进行针对性调节。
6、缔码生物 Nanodisc：助力 AQP4 天然构象研究与药物研发
前文的结构和疾病研究都指向同一个问题：AQP4的药理识别高度依赖天然膜环境中的正确折叠和高阶组装。尤其是视神经脊髓炎谱系疾病中的抗体识别涉及胞外构象表位，2025年的冷冻电镜研究也采用脂质纳米盘（lipid nanodisc）重构全长AQP4来解析其结构[6]。因此，对于抗体筛选、结合评价等研究，能否提供接近天然状态的全长AQP4，往往比单纯是否有蛋白更关键。
针对多跨膜蛋白天然构象保持这一研究难点，缔码生物依托自主搭建的膜蛋白表达平台，开发了两种不同膜稳定体系的纳米盘（Nanodisc）全长AQP4蛋白：聚合物型（polymer-based）和肽型（peptide-based）。其中，聚合物型纳米盘采用聚合物稳定AQP4及其周围的膜环境，有助于维持完整跨膜结构和天然样构象；肽型纳米盘采用肽类稳定体系，不含磷脂成分，更适合细胞实验及需要避免磷脂背景干扰的应用。两种形式均保留全长AQP4，可根据研究需求用于抗体发现与筛选、构象依赖性结合研究、细胞实验、药物结合评价及AQP4相关机制研究。
Human AQP4-M1 full-length protein - synthetic nanodisc ( FLP100504)
Human AQP4-M1 full-length protein - PeptiNanodisc (FLP400504)
Human AQP4-M23 full-length protein - synthetic nanodisc (FLP100509)
Human AQP4-M23 full-length protein - PeptiNanodisc (FLP400509)
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References
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