碳酸酐酶通过催化二氧化碳与碳酸氢根的可逆转化，维持组织酸碱平衡和气体运输。不同同工酶的异常表达可参与肿瘤酸化、青光眼、神经兴奋性异常及代谢紊乱。

        关键词：碳酸酐酶；CA IX；CA XII；酸碱稳态；二氧化碳转运；肿瘤微环境；缺氧；青光眼；碳酸酐酶抑制剂；靶向治疗

1 碳酸酐酶家族的分子特征与同工酶分类

1.1 碳酸酐酶的催化结构

        碳酸酐酶（carbonic anhydrase，CA）是一类催化二氧化碳与水可逆生成碳酸氢根和质子的金属酶。人源α-碳酸酐酶活性中心通常含有一个Zn²⁺，由三个组氨酸残基配位，并通过结合水分子或氢氧根完成催化。活性中心入口周围的亲水和疏水区域分别参与质子转移及二氧化碳定位，决定不同同工酶的催化效率和抑制剂结合特征。

1.2 催化反应与质子转移

        CA催化过程包括Zn²⁺结合水去质子化、氢氧根进攻二氧化碳、碳酸氢根形成与释放以及活性中心再生。组氨酸质子穿梭残基可将质子从活性中心转移至外部缓冲体系，使反应速率显著高于二氧化碳自发水合。不同组织中的缓冲能力、离子环境和底物浓度会影响实际催化速率。

1.3 人碳酸酐酶同工酶分类

        人类已发现多种α-碳酸酐酶同工酶，可根据亚细胞定位分为胞质型、膜结合型、线粒体型和分泌型。CA I、CA II、CA III、CA VII和CA XIII主要位于胞质，CA IV、CA IX、CA XII和CA XIV定位于细胞膜，CA VA和CA VB位于线粒体，CA VI属于分泌型同工酶。CA VIII、CA X和CA XI缺乏典型催化活性，通常称为碳酸酐酶相关蛋白。

1.4 同工酶间的功能差异

        不同CA同工酶具有不同的催化效率、组织表达和细胞定位。CA II催化效率较高，广泛参与红细胞气体运输、肾脏酸碱调节和眼房水生成；CA IX和CA XII主要定位于细胞外侧，适合调节肿瘤细胞周围的酸碱环境；线粒体CA VA和CA VB则为丙酮酸羧化酶、氨甲酰磷酸合成酶等酶提供碳酸氢根。

表1 人碳酸酐酶主要同工酶的分类与功能

2 碳酸酐酶介导的二氧化碳转运与酸碱平衡调控

2.1 组织与红细胞中的二氧化碳转运

        组织代谢产生的二氧化碳进入红细胞后，在CA I和CA II催化下迅速转化为碳酸氢根和质子。碳酸氢根通过阴离子交换蛋白排出红细胞，并与血浆中的氯离子交换；质子则主要由血红蛋白缓冲。该过程提高了血液携带二氧化碳的能力，并限制组织局部酸化。

2.2 肺部二氧化碳释放

        静脉血到达肺毛细血管后，血浆碳酸氢根重新进入红细胞，与质子结合形成二氧化碳和水。CA II加速这一逆向反应，使二氧化碳能够快速扩散进入肺泡并随呼气排出。血红蛋白氧合还会促进质子释放，进一步推动碳酸氢根向二氧化碳转化。

2.3 肾脏碳酸氢根重吸收与泌酸

        肾小管上皮细胞利用CA II和膜结合型CA IV催化管腔及细胞内的二氧化碳—碳酸氢根转化。该反应与Na⁺/H⁺交换、质子泵和碳酸氢根转运蛋白协同，实现滤过碳酸氢根的重吸收和尿液酸化。抑制肾脏CA会增加碳酸氢根排泄，并可能引起代谢性酸中毒和电解质变化。

2.4 跨膜离子转运协同

        CA可与单羧酸转运蛋白、碳酸氢根转运蛋白、阴离子交换蛋白及质子转运系统形成代谢复合体。CA催化产生或消耗的碳酸氢根和质子可被邻近转运蛋白迅速利用，从而提高乳酸、质子和碳酸氢根跨膜转运效率。

2.5 消化液和脑脊液分泌

        胃肠道、胰腺、脉络丛和眼睫状体中的CA通过提供碳酸氢根或质子参与胃酸、胰液、脑脊液和房水生成。不同分泌上皮中的离子转运方向不同，但均依赖CA维持足够的底物供给和渗透压梯度。

3 不同碳酸酐酶同工酶的组织分布与功能分工

3.1 胞质型CA I与CA II

        CA I和CA II在红细胞中共同参与二氧化碳转运，其中CA II催化活性更高，并广泛分布于肾脏、眼、骨、胃肠道和中枢神经系统。CA II缺陷可影响肾小管酸化、破骨细胞功能和颅骨发育，说明其同时参与酸碱平衡、骨重塑和离子分泌。

3.2 CA III与氧化应激调节

        CA III主要表达于骨骼肌和脂肪组织，催化效率低于CA II，但含有可发生可逆氧化修饰的半胱氨酸残基。CA III可能通过蛋白质巯基修饰和抗氧化反应帮助肌肉及脂肪细胞应对氧化压力，其功能不能仅依据二氧化碳水合活性评价。

3.3 神经系统CA VII与CA XIV

        CA VII主要位于神经元胞质，CA XIV位于神经元和脑血管相关细胞膜。二者可调节神经活动引起的细胞内外pH变化，并影响GABA_A受体介导的碳酸氢根通量。CA活性过高可增强部分神经元去极化和网络兴奋性，因而成为癫痫等疾病的研究靶点。

3.4 线粒体CA VA与CA VB

        线粒体CA通过产生碳酸氢根支持丙酮酸羧化、脂肪酸合成、糖异生和尿素循环。CA VA在肝脏中较丰富，CA VB分布更广。抑制线粒体CA可改变葡萄糖、脂质和氨基酸代谢，但也可能影响正常能量稳态。

3.5 分泌型CA VI

        CA VI由唾液腺等组织分泌，可参与口腔、食管和上消化道表面的pH缓冲。其表达或活性变化可能影响牙釉质保护、味觉感知和黏膜环境，但其作用通常依赖唾液流量和其他缓冲体系。

3.6 非催化性碳酸酐酶相关蛋白

        CA VIII、CA X和CA XI缺乏完整的Zn²⁺催化中心，主要通过蛋白相互作用参与神经系统发育和信号调节。此类蛋白不适合采用传统磺酰胺类CA抑制剂评价，其功能研究应侧重蛋白表达、结合伙伴和细胞定位。

4 CA IX与CA XII介导的肿瘤微环境酸化

4.1 缺氧诱导的CA IX表达

        CA IX由CA9基因编码，其启动子含有缺氧反应元件。肿瘤缺氧使HIF-1α稳定并与HIF-1β形成转录复合物，显著上调CA IX。由于许多正常组织中CA IX表达有限，而缺氧肿瘤细胞表面表达较高，CA IX兼具缺氧标志物和膜靶点价值。

4.2 CA IX维持肿瘤细胞内pH

        高糖酵解和线粒体代谢持续产生乳酸、质子和二氧化碳。CA IX在细胞外催化二氧化碳水合，产生碳酸氢根和质子；碳酸氢根可通过转运蛋白重新进入细胞并缓冲细胞内酸负荷，质子则保留在胞外。该过程使肿瘤细胞维持相对偏碱的胞内环境，同时形成酸性细胞外微环境。

4.3 CA XII的酸碱调节作用

        CA XII同样位于细胞膜外侧，可与碳酸氢根转运蛋白协同调节细胞内外pH。其表达可见于部分乳腺癌、肾癌、结直肠癌和其他实体瘤，但与CA IX相比，CA XII在多种正常上皮组织中也有生理表达。CA XII的生物标志物价值需要结合肿瘤类型、膜定位和共表达分子判断。

4.4 酸性微环境的形成

        CA IX和CA XII并不是肿瘤酸化的唯一来源，而是与乳酸生成、MCT1/MCT4介导的乳酸转运、Na⁺/H⁺交换、质子泵及碳酸氢根转运共同构成酸排出网络。单独检测CA表达不能完整反映肿瘤酸化程度，应结合乳酸、细胞外pH和缺氧指标分析。

图1 CA IX协同乳酸、质子与碳酸氢根转运维持肿瘤细胞酸碱稳态

4.5 酸性环境对免疫和基质的影响

        低细胞外pH可抑制细胞毒性T细胞和自然杀伤细胞效应，促进免疫抑制性髓系细胞和肿瘤相关巨噬细胞形成，并改变细胞外基质降解和胶原重塑。CA IX或CA XII抑制可削弱酸性屏障，但能否恢复抗肿瘤免疫还取决于乳酸水平、缺氧程度和其他免疫抑制通路。

表2 CA IX与CA XII在肿瘤酸碱调节中的作用差异

5 碳酸酐酶与肿瘤生长、侵袭及治疗耐受

5.1 肿瘤细胞增殖与存活

        肿瘤细胞需要在高代谢和缺氧条件下维持稳定的胞内pH。CA IX和CA XII通过促进碳酸氢根再摄取，减少细胞内酸化对糖酵解酶、DNA合成和蛋白质功能的抑制，从而支持肿瘤细胞持续增殖和存活。

5.2 侵袭与细胞外基质降解

        酸性细胞外环境可增强部分蛋白酶活性，削弱细胞间黏附并促进细胞外基质重塑。CA IX还可与细胞黏附和迁移相关蛋白形成复合体，改变细胞极性及运动能力，使缺氧肿瘤细胞更易向周围组织侵袭。

5.3 肿瘤干性与转移

        缺氧、酸化和HIF信号可共同维持肿瘤干细胞样表型，提高细胞对营养不足和氧化压力的耐受。CA IX高表达细胞常具有较强的克隆形成、迁移和远处定植能力，但CA IX也可能只是缺氧适应网络的重要组成，而不是唯一驱动因素。

5.4 化疗耐受

        弱碱性药物在酸性细胞外环境中容易发生质子化，降低跨膜进入肿瘤细胞的效率。CA介导的pH梯度还可影响药物囊泡隔离、外排和细胞死亡信号，使部分化疗药物活性下降。抑制CA IX或CA XII可改善药物进入，但其效果取决于药物理化性质和肿瘤血流。

5.5 放疗与缺氧耐受

        缺氧降低放射线诱导的氧固定效应，并限制DNA自由基损伤稳定化。CA IX高表达可用于识别缺氧和放疗抵抗区域，抑制CA IX可能通过破坏酸碱适应增加细胞应激，但不能替代改善肿瘤氧合或直接增加DNA损伤的治疗。

5.6 靶向治疗和免疫治疗耐受

        酸性微环境可降低免疫细胞代谢能力并改变受体信号，同时促进肿瘤细胞进入缓慢增殖或干性状态，降低部分靶向药物敏感性。CA抑制剂与免疫检查点抑制剂、放疗或代谢抑制剂联合具有机制互补性，但需要避免将所有耐药现象归因于CA单一通路。

6 碳酸酐酶在青光眼、神经系统疾病与代谢性疾病中的作用

6.1 青光眼与房水生成

        睫状体上皮中的CA II和CA IV为碳酸氢根生成提供催化支持，推动钠离子和水向后房转运并形成房水。抑制CA可减少房水生成并降低眼压。局部用药能够减少全身酸碱和电解质影响，是青光眼CA抑制剂的重要应用方式。

6.2 癫痫与神经元兴奋性

        神经元CA II、CA VII和CA XIV可加速二氧化碳—碳酸氢根平衡，并影响GABA_A受体通道中的碳酸氢根外流。抑制CA能够降低部分GABA能信号的去极化成分并改变细胞内pH，因此Topiramate、Zonisamide等具有CA抑制作用的药物可参与神经兴奋性控制，但其抗癫痫作用还涉及其他离子通道和递质系统。

6.3 脑脊液生成与颅内压

        脉络丛上皮中的CA参与碳酸氢根和脑脊液分泌。Acetazolamide等系统性CA抑制剂可减少脑脊液生成，用于研究或干预颅内压升高相关状态。治疗过程中需关注代谢性酸中毒、低钾血症、肾结石和感觉异常等影响。

6.4 肾脏与骨代谢异常

        CA II是肾小管泌酸和破骨细胞骨吸收的重要酶。CA II功能缺陷可同时引起肾小管酸化障碍和骨重塑异常；药理性抑制则可增加碳酸氢根排泄，并在长期应用时影响钙盐溶解度和结石风险。

6.5 肥胖与糖脂代谢

        线粒体CA VA和CA VB产生的碳酸氢根可支持丙酮酸羧化、脂肪酸合成和尿素循环。抑制线粒体CA可能减少脂质合成并改变食欲和能量代谢，但代谢效应还受到中枢神经、离子通道及其他药理靶点影响，不能仅依据体重变化判断CA依赖性。

6.6 高原适应与呼吸调节

        CA抑制可引起轻度代谢性酸中毒，刺激通气并改善低氧环境下的呼吸反应。该作用同时会改变肾脏碳酸氢根排泄和血液酸碱状态，因此剂量过高可能加重脱水和电解质失衡。

7 碳酸酐酶抑制剂的作用机制与靶向治疗研究

7.1 磺酰胺类抑制剂

        磺酰胺类化合物去质子化后可直接与活性中心Zn²⁺结合，取代催化水分子并阻断二氧化碳水合。Acetazolamide、Methazolamide、Dorzolamide和Brinzolamide均属于该类，但其组织分布、膜通透性和同工酶选择性存在明显差异。

7.2 非经典Zn²⁺结合抑制剂

        氨基磺酸酯、氨基磺酰胺、二硫代氨基甲酸盐和部分其他金属结合基团也可与CA活性中心Zn²⁺相互作用。此类化合物可通过改变尾部结构调节疏水性、细胞通透性和同工酶选择性，但强Zn²⁺结合并不等同于肿瘤靶向性。

7.3 香豆素类与活性中心入口阻断

        部分香豆素在CA催化下发生内酯水解，生成的产物可结合于活性中心入口区域，而不是直接配位Zn²⁺。由于不同同工酶的活性中心入口结构差异较大，这类抑制剂具有获得同工酶选择性的潜力，但起效速度和代谢稳定性需要单独评价。

7.4 CA IX与CA XII选择性抑制

        肿瘤相关CA抑制剂通常通过引入亲水或带电尾部限制化合物进入细胞，使其优先作用于细胞膜外侧的CA IX和CA XII，并减少对胞质CA I和CA II的抑制。U-104（SLC-0111）属于该类研究化合物，可用于评价CA IX/XII抑制对肿瘤酸化、侵袭和药物耐受的影响。

7.5 CA IX抗体靶向

        CA IX胞外结构域可作为抗体识别位点。Girentuximab等抗CA IX抗体可用于肿瘤定位、免疫效应和放射性核素递送研究。抗体策略不依赖进入酶活性口袋，但疗效受膜表达水平、靶点异质性、内化效率和正常组织表达影响。

7.6 联合治疗策略

        CA IX或CA XII抑制可与化疗、放疗、免疫治疗、乳酸转运抑制及缺氧靶向治疗联合。联合方案的关键是确认CA抑制确实改变肿瘤细胞外pH或胞内酸负荷，并排除药物间药代动力学变化造成的假性协同。

表3 碳酸酐酶抑制策略的作用特点

8 碳酸酐酶的生物标志物价值与药物评价方法

8.1 CA IX组织表达

        CA IX免疫组织化学可显示肿瘤细胞膜表达和缺氧区域分布。评价时应区分完整膜染色、胞质非特异信号和局灶性坏死周围表达，并结合HIF-1α、缺氧示踪和肿瘤类型判断其病理意义。

8.2 CA XII表达与肿瘤分层

        CA XII可通过免疫组织化学、流式细胞术、Western blot和RNA检测评价。由于CA XII也存在于正常上皮，单纯表达阳性不足以证明肿瘤依赖性，应结合膜密度、同工酶活性、细胞外pH和药物敏感性分析。

8.3 可溶性CA IX与体液检测

        CA IX胞外结构域可发生脱落并进入血液或培养上清。可溶性CA IX检测可用于评价肿瘤负荷、缺氧反应和治疗后的变化，但其浓度受肿瘤体积、蛋白酶活性、肾脏清除及检测抗体表位影响。

8.4 酶活与抑制效力评价

        CA抑制剂可通过停流法、比色法、荧光法或质谱方法测定二氧化碳水合和酯酶样活性。主要参数包括Ki、IC₅₀、结合速率和解离速率。不同CA同工酶的催化效率差异较大，跨实验平台比较时必须统一酶浓度、缓冲体系、温度和底物条件。

8.5 细胞酸碱效应评价

        细胞实验应分别检测胞内pH和细胞外pH，并结合乳酸释放、碳酸氢根转运、增殖、迁移和细胞死亡指标评价。仅观察细胞活力下降不能证明药物通过CA抑制起效，还需使用CA敲低、敲除或选择性拮抗对照验证靶点依赖性。

8.6 肿瘤模型药效评价

        体内研究可检测肿瘤生长、缺氧区域、CA IX或CA XII表达、乳酸含量、组织pH和药物分布。肿瘤体积变化应与靶点占有率及酸碱效应结合分析，避免将非特异毒性误判为CA靶向作用。

8.7 非肿瘤安全性评价

        系统性CA抑制可能引起代谢性酸中毒、电解质紊乱、肾结石、感觉异常和眼部或神经系统反应。CA IX/XII肿瘤靶向药物还需评价对肾脏、胃肠道和其他表达相关同工酶组织的影响。

表4 碳酸酐酶相关药物的主要评价指标

9 产品

9.1 碳酸酐酶蛋白、抗体与检测试剂产品

9.2 碳酸酐酶抑制剂与功能研究化合物

        碳酸酐酶家族通过组织特异性表达和亚细胞定位，共同维持二氧化碳运输、离子分泌和酸碱稳态。CA IX与CA XII是肿瘤酸化网络的重要组成，而CA II、CA VII及线粒体CA则参与眼部、神经和代谢功能。

参考文献

[1] Lemon, N., Canepa, E., Ilies, M. A., & Fossati, S. Carbonic anhydrases as potential targets against neurovascular unit dysfunction in Alzheimer’s disease and stroke. Frontiers in Aging Neuroscience, 13, 772278 (2021).https://doi.org/10.3389/fnagi.2021.772278

[2] Waheed, A., & Sly, W. S. Carbonic anhydrase XII functions in health and disease. Gene, 623, 33–40 (2017).https://doi.org/10.1016/j.gene.2017.04.027

[3] Cholkar, K., Trinh, H. M., Pal, D., & Mitra, A. K. Discovery of novel inhibitors for the treatment of glaucoma. Expert Opinion on Drug Discovery, 10, 293–313 (2015).https://doi.org/10.1517/17460441.2015.1000857

[4] Zamanova, S., Shabana, A. M., Mondal, U. K., & Ilies, M. A. Carbonic anhydrases as disease markers. Expert Opinion on Therapeutic Patents, 29, 509–533 (2019).

[5] Singh, S., Lomelino, C. L., Mboge, M. Y., Frost, S. C., & McKenna, R. Cancer drug development of carbonic anhydrase inhibitors beyond the active site. Molecules, 23, 1045 (2018).https://doi.org/10.3390/molecules23051045

[6] Ismail, I. S., & Amodu, A. D. Carbonic anhydrase: A new therapeutic target for managing diabetes. Journal of Metabolic Syndrome, 5 (2016).

[7] Pastorekova, S., & Gillies, R. J. The role of carbonic anhydrase IX in cancer development: Links to hypoxia, acidosis, and beyond. Cancer and Metastasis Reviews, 38, 65–77 (2019)

[8] Supuran, C. T. Applications of carbonic anhydrase inhibitors in renal and central nervous system diseases. Expert Opinion on Therapeutic Patents, 28, 713–721 (2018).https://doi.org/10.1080/13543776.2018.1519023