鉀離子通道-鎮痛藥物作用的新靶點

洪江茹，仇婕，徐秀琦，劉文濤，張廣欽

(1.中國藥科大學臨床藥學教研室，江蘇 南京 211198；2.南京醫科大學江蘇省神經退行性疾病重點實驗室，江蘇 南京 211166)

疼痛是一種生理狀態，可促進對有害事件的保護反應。但是，疼痛可能會作為病理生理因素，變成慢性破壞性疾病，從而損害生活質量。神經元過度興奮是導致自發性和誘發性疼痛的主要原因。而神經元興奮又與離子通道有著密不可分的聯系。鉀通道作為已知神經元中數目最多，分布最廣，種類最多，作用最復雜的一類離子通道，在調節神經元和其他興奮性細胞的靜息膜電位與動作電位起到重要作用[1]。因此，近年來鉀通道被視為鎮痛藥物作用的新靶點。本文主要介紹鉀通道在疼痛中的調節作用以及作用于鉀通道的鎮痛藥物的研究進展。

1 鉀通道與疼痛信號

疼痛信號傳遞和處理依賴初級傳入神經纖維離子通道的活性，而初級傳入神經元的電活動主要是受脊髓背角神經元(DRG)釋放的遞質(如P物質、谷氨酸等)和離子通道(包括鈉、鉀和鈣等通道)的制約[2]。鉀通道對神經元興奮性的影響始于周圍的傷害感受末端，通過影響靜息電位和動作電位閾值來調節放電[3]。

在脊髓背角神經元初步整合后，經過上行通路進入中樞的高級部位，中樞神經各級水平的調整，痛覺被感知或受抑制。在中樞神經系統中，K+通道的開放可能會導致痛覺增強。中腦導水管周圍灰質神經元是內源性痛覺控制系統中的重要位點，接受脊髓纖維傳入的沖動信號[4]，而目前已有許多類型的鉀通道可以調節傷害感受。

2 鉀離子通道的分類

根據每個亞基跨膜區域的數量及其生理和藥理學特征將通道分為多個家族。根據結構和生理特性，鉀離子通道可分為4種不同的類型，即：電壓門控性鉀通道(Kv)、內向整流型鉀通道(Kir)、雙P區型鉀通道(K2P)以及鈣激活型鉀離子通道(KCA)[5]。

2.1 電壓門控型鉀離子通道 Kv通道是由功能性α亞基和輔助性β亞基組成的亞家族特異性四聚體，具有6個跨膜結構域(TMD)S1～S6，分別為電壓感受器區域(S1～S4)和由S5和S6之間的凹角環形成的孔[6]。根據蛋白質整個疏水核心的氨基酸序列，電壓門控型鉀通道可分為12個Kv通道亞家族，共有40個獨特的Kv通道亞基。Kv通道在神經元細胞膜中的豐富性和特異性分布受多種分子機制的調控[5]，是神經元放電頻率和尖峰持續時間的關鍵決定因素，其活動的減少導致尖峰頻率和尖峰持續時間增加，以及尖峰閾值降低，從而導致整個細胞膜過度興奮[1]。神經損傷會導致Kv電流減少，興奮過度和痛覺過敏[7]。在這里主要描述Kv 1家族、Kv 4家族與Kv 7家族與疼痛相關的機制以及藥物靶點。

2.1.1 Kv 1家族 在神經元中，Kv1(KCNA)通道主要位于軸突和神經末梢[5]。文獻報道，在Kv1家族中，Kv1.1和Kv1.2在疼痛傳遞中起到較大的作用。例如，在正常大鼠的DRG中，Kv1.1和Kv 1.2 亞單位的mRNA高度表達，而在軸突切開術后， Kv1家族亞單位(Kv1.1、1.2、1.3和1.4)的mRNA水平都顯著降低了[8]。

然而Kv1家族的各個亞單位中與疼痛相關的機制不盡相同。有研究表明，機械敏感鉀電流與Kv1.1～Kv1.2異聚體有關。干擾Kv1.1通道的表達會引起嚴重的機械異常性疼痛，但不引起熱痛覺過敏。這說明Kv1.1通道是機械敏感性的主要感受部位[9]。敲除Kv1基因小鼠對有害刺激的敏感性明顯增加。缺少Kv1.1鉀通道亞基基因的突變小鼠降低熱刺激實驗閾值[10]。Kv1.2的表達水平在初級感覺神經元之間受到不同的調節，并表明Kv1.2蛋白在感覺傳導中起著至關重要的作用[11]。Kv1.2敲除可能使靜息膜電位發生去極化，降低動作電位的閾值，以及增加DRG神經元中動作電位的數量并產生神經性疼痛的癥狀[12]。另外，研究發現巨噬細胞和T淋巴細胞中Kv1.3的調節可能導致某些疾病的免疫反應發生重要變化。雙氯芬酸能夠通過特異性降低Kv1.3的表達損害巨噬細胞的活化和遷移，發揮其抗炎作用[13]。此結果為針對與炎癥和疼痛相關的自身免疫性疾病提供新的治療思路。Kv1.4亞基的表達也與膀胱炎大鼠的膀胱傳入神經元興奮性相關。有實驗認為膀胱炎癥通過減少Kv1.4亞基的表達而增加了膀胱傳入神經元的興奮性[14]。

2.1.2 Kv 7家族 神經元Kv7通道(KCNQ)主要位于軸突前端。Kv7基因編碼5種亞基：Kv7.1～Kv7.5[5]。其中Kv7.2～Kv7.5在神經系統中表達。在細胞處于接近靜息電位與動作電位激發閾值之間的狀態時，Kv7通道可影響靜息膜電位，并有助于穩定神經元興奮性并限制重復放電。在神經元中，大多數M通道是由Kv7.2、Kv7.3和Kv7.5的同聚或異聚結合形成的[15]，是已知的一種在多種中樞和周圍神經元中調節興奮性的K+通道。

傷害感受神經元中的M通道抑制作用增強會使M電流減少，導致緩慢的去極化，興奮性增強，并引起中等程度的疼痛[16-18]。大量研究表明，感覺神經元中M電流的增加具有鎮痛作用。目前已有M通道開放劑用于治療疼痛[16-17，19]。

2.2 內向整流型鉀離子通道 內向整流型鉀通道有兩個TMD和一個孔[6]，分為7個亞家族(Kir1～7)，包括15個亞單位[5]。其又可分為典型的 Kir通道(Kir2.x)、G蛋白門控Kir通道(Kir3.x)、ATP敏感鉀通道(Kir6.x)、和鉀離子轉運通道(Kir1.x、Kir4.x、Kir5.x和Kir7.x)[20]。內向整流鉀離子通道在神經元興奮性，膜電位和細胞信號傳導過程中起重要作用[21]。

2.2.1 G蛋白門控Kir通道(GIRK通道) GIRK通道由GIRK 1～5個亞單位組成,主要分布在中樞神經系統中，疼痛與GIRK通道密切相關，激活的GIRK通道在疼痛信號傳導系統中可抑制神經元沖動的發放，從而減弱疼痛信號的轉導[4]。

GIRK通道與阿片類介導的鎮痛作用、化療疼痛以及抗糖尿病神經痛有關[22-25]。在內源性或外源性阿片樣物質刺激阿片受體后，GIRK通道激活，隨即鉀離子外流使膜電位超極化，神經元興奮性抑制，并阻礙了傷害性傳遞[20]。有動物研究表明，GIRK1和GIRK2基因均可影響疼痛和阿片類鎮痛反應。GIRK1基因敲除和GIRK2基因敲除小鼠在甩尾試驗中表現出熱痛覺過敏，增加熱傷害感受，且對兩種小鼠進行鞘內注射劑量較高的嗎啡，鎮痛反應減弱[26]。在奧沙利鉑誘導的神經病變模型中，嗎啡激動劑的抗痛覺作用可能需要激活GIRK1通道來完成[24]。而在化療藥物誘發的外周神經病理性疼痛模型中，發現DRG 神經元中Kir1.1和Kir3.4基因表達下調，而Kir3.1基因的表達上調[23]，而腦室注射GIRK1通道阻滯劑托肽品Q的大鼠痛閾也顯著降低[24]。因此我們可推斷GIRK通道在化療痛的發展中確實發揮著重要作用。而右美托咪定是通過作用于GIRK通道來治療大鼠糖尿病神經痛。鞘內注射右美托咪定后，GIRK通道開放，引起細胞膜超級化，降低神經元過度興奮的擴散，從而產生鎮痛作用[25]。

2.2.2 ATP敏感鉀通道(KATP通道) ATP敏感性鉀離子通道存在于中樞神經元和脊髓，是一個雜八聚體復合物，包含兩個亞基：孔形成亞基Kir6.x(Kir6.1或Kir6.2)和SUR(一種磺酰脲類受體的調節性亞基)[27]，調節膜興奮性、參與神經遞質的釋放和神經保護。目前認為KATP通道在疼痛傳導中起著一定的作用，可作為治療靶點。

目前一些臨床前證據表明，KATP通道可能在偏頭痛的病理生理中起重要作用。推測其可能是KATP通道的血管舒張作用，因為引起偏頭痛發作的內源性神經遞質通常與顱動脈擴張有關[28]。也有研究認為，KATP通道可能在脊髓上水平參與疼痛信號調控。例如，在大鼠的疼痛模型中，脊髓里的Kir6.1、Kir6.2亞基的表達水平都明顯降低，可能有助于機械性超敏反應的發生[21]。

2.2.3 其他 Kir2.1 屬于典型的內向整流型鉀離子通道，在外周神經系統、大腦、骨骼肌等組織均有分布，主要作用是維持細胞靜息膜電位和調節細胞興奮性。將攜帶Kir2.1基因的腺病毒注射到大鼠第四腰椎的DRG內，誘導Kir2.1蛋白表達，可減輕慢性背根神經節壓迫模型的機械性痛覺過敏[29]。感覺神經節中衛星膠質細胞的Kir4.1亞基沉默會誘發行為性痛覺過敏。炎癥抑制了三叉神經節中衛星膠質細胞的Kir4.1電流，破壞了神經膠質里的鉀穩態，進而導致三叉神經痛。因此，三叉神經節中的Kir4.1通道可能是治療三叉神經炎性疼痛的新分子靶標[30]。

2.3 雙P區型鉀通道 雙P區型鉀通道由4-TMD亞基的二聚體形成的，每個亞基具有兩個獨立的成孔環[6]。K2P通道分為15個亞家族[5]，包括TWIK、TREK、TASK、TALK、THIK和TRESK 6個亞型。雙P 區型鉀通道負責神經元細胞的泄漏電流，可調節初級傳入纖維的興奮性，從而調節疼痛信號。在炎癥條件下，K2P通道的幾種亞型表達減少，從而引起過度興奮[31]。再者，突觸前定位的TRESK或TREK通道的活性增強將限制興奮性神經遞質的釋放，而突觸后TRESK或TREK通道的激活將使感覺神經元的膜超極化并降低疼痛通路中的神經元活性，從而通過使有害刺激物去極化來抵消興奮，激活如感覺興奮性離子通道[32]。

2.3.1 TRESK通道 TRESK通道在先兆性偏頭痛，炎癥性疼痛和神經病理性疼痛中起關鍵作用。TRESK通道發生異常時，三叉神經節過度興奮，激活疼痛傳導通路，觸發疼痛[33]。軸突損傷導致TRESK通道下調，從而導致神經元過度興奮，引起神經病理性疼痛[34]。Zhou等[35]通過鞘內注射TRESK基因重組腺病毒，使選擇性神經損傷模型大鼠背根神經節中TRESK的 mRNA表達上調。他們認為TRESK可能與神經性疼痛中膠質細胞的興奮機制有關。TRESK通過減輕脊髓中星形膠質細胞的活性，從而減輕了神經損傷大鼠的神經性疼痛。

2.3.2 TREK-1與TRAAK通道 TREK和TRAAK通道在周圍神經系統中分布廣泛。 它們在體感神經元中具有高水平表達。許多研究表明，TREK-1與TRAAK在疼痛的發生發展中起到關鍵性作用[32]。TREK-1通道已被鑒定為參與傷害感受器敏化的分子傳感器[36]。有趣的是，TREK1通道與TRAAK都具有溫度敏感性，且都對細胞外pH的變化敏感[37]。這可能與奧沙利鉑引起的冷超敏性有關[38]。奧沙利鉑可大量減少TREK-1和TRAAK通道的表達并增加促進興奮的通道表達來促進過度興奮性。

2.4 鈣離子依賴的鉀離子通道 鈣離子激活鉀通道具有類似于Kv的6-TMD結構，某些亞基帶有一個額外的TMD(S0)。 KCa通道存在擴展羧基末端隱匿的調控區域[6]。KCa是一種依賴細胞內鈣離子濃度升高而激活的鉀通道，可根據其電導率的大小分為3 種類型，分別是大電導鈣離子激活鉀通道(KCa1.1)、中電導鈣離子激活鉀通道(KCa3.1)、小電導鈣離子激活鉀通道(KCa2.1～2.3)[5]。KCa通道是動作電位后超極化后的重要決定因素，因此也是神經元放電模式的重要決定因素。目前與疼痛關系最密切的是大電導鈣激活鉀離子通道。

2.4.1 大電導鈣激活鉀離子通道(BKCa 通道) BKCa 通道廣泛存在于多種器官和組織，功能多樣，在調節可興奮細胞，包括神經細胞動作電位的復極和發放頻率、細胞膜興奮性以及平滑肌細胞收縮性、神經遞質釋放等中起重要作用。

有文獻認為，BKCa通道可作為治療神經病理性神經痛的靶點之一[39]。研究發現，神經損傷大鼠的DRG中BKCa通道的表達被抑制，其mRNA和蛋白水平均顯著降低，這可能有助于感覺神經元的興奮性增加。也有研究發現，BKCa通道的開放有助于三氯乙醛和乙醇的鎮痛作用[40]。

2.4.2 小電導鈣激活鉀離子通道(SKCa 通道) SKCa通道廣泛分布于哺乳動物的神經系統中，可以根據其基因編碼(KCNN1、KCNN2 和KCNN3)產物分成SKCa1、SKCa2、SKCa3 三個亞型[41]。

目前關于SKCa通道的表達在感覺信息傳遞和神經性疼痛的發展中的作用尚不明確[1，42]。有研究認為，SKCa通道具有調節感覺傳遞的作用，其中介導感覺反應的主要是SKCa3通道。另外，Bahia等[42]還通過鞘內注射試劑來觀察大鼠反應，結果表明，當加入選擇性SKCa通道阻滯劑UCL 1848，則對自然誘發的傷害性和非傷害性刺激的神經元反應增加；而1-EBIO增加SKCa通道活性時，機械刺激引起的神經元反應受到抑制，且該現象可被UCL 1848的使用逆轉。這說明增加SKCa通道活性能夠減少機械刺激導致的傷害感受性感覺的傳入。此外有實驗研究了SKCa通道在疼痛中的作用[41]：持續給予小鼠皮下注射低劑量嗎啡，觀察到脊髓SKCa2 通道蛋白表達降低，誘發了小鼠機械痛、熱痛和內臟痛等痛覺過敏現象，這表明SKCa2 通道與疼痛有相關性。

3 以鉀通道為靶點的藥物

目前研究發現，大多數疼痛病理模型均導致鉀電流的減少。因此，鉀通道開放劑被作為治療疼痛的藥物，臨床開發的藥物也以鉀通道開放劑為主。

研究Kv7 通道的開放劑主要治療癲癇和神經性疼痛等疾病。已經上市的僅有瑞替加濱，可有效減輕神經性疼痛。也有公司提出雙雜環化合物咪唑并吡啶、咪唑并噠嗪和咪唑并嘧啶類化合物可作為KCNQ通道調節劑，部分化合物表現出了較好的抗驚厥和抗神經性疼痛活性[43]。

選擇性神經元鉀通道開放劑氟吡汀(Flupirtine)可通過激活內向整流鉀離子通道，同時調整鉀離子外流，能夠穩定細胞膜電位，阻斷疼痛沖動的傳導。馬來酸氟吡汀治療慢性腰背痛有較好的前景，可作為治療慢性腰背痛的一線用藥[44]。右美托咪定通過上調背根神經節 GIRK1表達減輕大鼠糖尿病神經痛[25]。

臨床試驗表明，KATP通道開放劑吡那地爾與噻嗪類藥物合用可以消除頭痛的副作用[45]。KATP鉀離子通道開放劑也是近年來出現的新型心血管類藥物。KATP開放劑，如煙浪丁(NCR)，對于各種類型的心絞痛都有一定的療效[46]。煙浪丁還可以抑制丘腦束旁核的傷害性痛放電，有助于脊髓抗痛效應[47]。此外，KATP 通道也可作為術后疼痛治療的有效靶點[48]。鞘內注射吡那地爾可減輕痛覺過敏的現象，而鞘內注射 KATP通道阻斷劑格列本脲可明顯降低大鼠的觸覺退縮閾值，加重疼痛[21]。

目前研究發現，全身麻醉藥就是通過激活雙孔鉀通道的某些亞型來達到鎮靜催眠的作用[49]。另外，TRESK通道的過度表達能降低初級傳入神經元的興奮性，從而表現出鎮痛作用，因此強效和特定的TRESK特異性通道開放劑可用于治療偏頭痛和其他慢性疼痛癥狀[50]。

鞘內注射特定的BKCa通道激活劑NS1619劑量依賴性地減少了神經結扎大鼠的機械性異常性疼痛和痛覺過敏。選擇性BKCa通道阻滯劑埃博毒素的預處理消除了NS1619的作用[51]。鞘內注射SKCa 通道激動劑1-EBIO可增高脊髓SKCa2 通道蛋白表達，進而阻斷機械痛、熱痛和內臟痛敏[41]。

4 結語與展望

總之，鉀離子通道是所有離子通道家族中最多樣化的，而多種類型的鉀通道又都與疼痛相關，大多是由于其表達或功能水平下降導致痛覺過敏現象的發生。因此鉀通道被作為治療疼痛的新靶點，這意味著我們需要開發出具有高選擇性靶向性開放劑。雖然將鉀通道作為治療疼痛的靶點還有很長的路要走，但不可否認的是，鉀通道開放劑具有很大的治療潛力。