水通道蛋白（AQPs）是一类主要负责在细胞膜中传递水分子的通道生物大分子[1]。水通道蛋白-4（AQP4）是一个关键的亚型，其表达水平与多种癌症的预后密切相关，尤其是胶质母细胞瘤（GBM）和乳腺癌[2][3]。研究表明，AQP4可以在大脑中组装成正交粒子阵列（OAPs），并能够诱导胶质瘤细胞的凋亡[4]。AQP4的生物功能与脑肿瘤的发生、进展、预后和治疗靶点选择密切相关，因此吸引了大量研究兴趣[5]。此外，AQP4在胶质母细胞瘤和星形胶质细胞瘤中的过度表达已被证明会促进肿瘤细胞迁移并增强治疗抵抗性[6]。临床证据还表明，高水平的AQP4表达与放疗效果降低和患者预后不良显著相关[7]。
许多新的癌症治疗方法，包括高剂量率立体定向体放疗（SBRT）、空间分次放疗（SFR）、FLASH放疗和冷大气等离子体（CAP）疗法、光动力疗法（PDT），都是通过产生高浓度的外源性氧和氮物种（RONS）来发挥治疗效果的[8][9][10]。不同的活性氧和氮物种（RONS）在生物系统中的半衰期明显不同；例如，·OH仅存在几纳秒，ONOOH和ONOO−的半衰期为毫秒级，而H₂O₂可以稳定存在几秒到几分钟。因此，了解它们的扩散特性对于评估其生物氧化效应至关重要[11]。最近的研究表明，AQP4在维持细胞内活性物质的时空稳态中起着调节作用[12]。在分子水平上，这些治疗的效果主要归因于过量的RONS引起的氧化应激，这种应激会触发铁死亡（ferroptosis）、促进凋亡和炎症，并通过损害细胞生物大分子来破坏信号通路。RONS还通过脂质过氧化引起严重的细胞损伤，尤其是在富含多不饱和脂肪酸（PUFAs）的膜中[13]。RONS通过从膜磷脂的PUFA链中抽取氢原子来引发脂质过氧化。这些自由基随后发生加氧和氢原子捐赠反应，形成脂质过氧化物。在含有双键的磷脂（如POPC和POPE）中，这种氧化过程会在酰基链上引入特征性的-OOH基团，从而生成过氧化脂质POPC-OOH和POPE-OOH。这种脂质过氧化过程增强了癌细胞的死亡，从而放大了各种疗法的肿瘤杀伤效果[14]。随着膜脂质过氧化程度的增加，它可以触发多种形式的调控性细胞死亡，包括铁死亡、免疫性细胞死亡（ICD）和氧化爆发相关的炎症反应[15]。
尽管高浓度RONS对癌细胞的强细胞毒性效应在各种现有治疗方法中已被广泛认可，但使用传统实验方法难以阐明它们在治疗后短时间内向细胞膜微观和瞬态扩散的分子机制[16]。此外，脂质过氧化对AQP4传输特性的影响仍不完全清楚[17][18]。这种“黑箱”效应不仅阻碍了RONS对癌细胞的靶向细胞毒性作用，还可能导致正常细胞中RONS的过度积累，从而对健康组织造成附带损害，在某些情况下甚至会促进肿瘤进展[19]。因此，迫切需要了解AQP4在微观层面上对RONS的瞬态调节的时间和空间分布。
基于先前的研究，Tan等人结合NMR光谱技术使用分子动力学（MD）模拟来研究AqpZ的水渗透性和结构动态[20]。Nguyen等人研究了各种膜成分在AQP介导的水传输中的调节作用[21]。Oliveira等人揭示了POPC氧化对Cx26通道的影响[22]，而Hirata等人证明膜表面脂质的氧化会增加质膜张力，从而激活Piezo1和TRP通道并增强阳离子通透性[23]。Martin等人揭示了膜组成对NKG2A/CD94/HLA-E免疫受体复合物信号传导的影响[24]。最近，CHARMM-GUI在线平台加入了构建过氧化膜的构建模块[25][26]。这一工具提供了大量的过氧化脂质膜结构和相关力场参数，为脂质过氧化研究带来了突破，并为研究RONS的更复杂的空间调节行为奠定了基础。
在本研究中，我们研究了两种关键膜脂质——POPC和POPE的混合物在过氧化条件下对AQP4结构和功能的影响。同时，我们通过考察AQP4在跨膜电压和脂质过氧化共同作用下的调节能力，尽可能地模拟临床治疗场景，这种情况在新兴的癌症疗法中很常见[27]。结果表明，不同程度的脂质过氧化可以引起AQP4的结构变化，从而调节其促进RONS传输的能力。发现过氧化脂质基团（-OOH）倾向于在AQP4的跨膜区域积聚，这表明脂质过氧化可能通过特定的蛋白质-脂质相互作用改变蛋白质结构。AQP4在放疗环境中对RONS传输的调节将有助于阐明AQP4调节RONS时空分布的机制。这种理解将为开发针对AQP4的组合治疗策略提供理论基础，并可能有助于减少治疗抵抗性和最小化副作用。
