電壓門控鉀通道作為疼痛治療的新靶點(diǎn)在慢性疼痛模型中的變化特征*

張?jiān)娂?劉文濤 張廣欽

（1 徐州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，徐州221004；2 南京醫(yī)科大學(xué)江蘇省神經(jīng)退行性疾病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京211166；3 中國藥科大學(xué)臨床藥學(xué)教研室，南京210009）

疼痛是一種與實(shí)際或潛在的組織損傷相關(guān)的不愉快的感覺和情緒情感體驗(yàn)，或與此相似的經(jīng)歷[1]。疼痛信號傳遞依賴于傷害性神經(jīng)元的活動，這些神經(jīng)元將傷害性刺激從外周通過動作電位傳導(dǎo)到中樞神經(jīng)系統(tǒng)。神經(jīng)病理性疼痛(neuropathic pain, NP)是由軀體感覺神經(jīng)系統(tǒng)的損傷或疾病而造成的慢性疼痛。炎癥性疼痛是由炎癥介質(zhì)作用于外周傷害性感受器，誘發(fā)疼痛神經(jīng)興奮性增強(qiáng)所致。由此可見，兩種疼痛均伴隨有痛覺神經(jīng)元興奮性增加。

慢性疼痛治療的目標(biāo)是緩解疼痛和改善臨床癥狀，全面提高生活質(zhì)量。令人遺憾的是，現(xiàn)有的鎮(zhèn)痛藥物對于慢性疼痛的治療效果差強(qiáng)人意，迫切需要開發(fā)更安全有效的新藥。目前選擇性靶向離子通道新型化合物成為新型鎮(zhèn)痛藥物研發(fā)熱點(diǎn)[2]，而開放鉀通道可以使細(xì)胞超級化并降低興奮性，在疼痛領(lǐng)域受到了很多關(guān)注。

鉀通道根據(jù)結(jié)構(gòu)和生理特性分為電壓門控鉀通道(KV)、鈣激活的鉀通道(KCa)、雙孔鉀通道(K2P)和內(nèi)向整流鉀通道(Kir)，其中KV通道在疼痛進(jìn)程中尤為重要[3]。

本文聚焦KV通道在神經(jīng)病理性疼痛和炎癥性疼痛模型上的變化特征，尤其是KV通道與背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglion, DRG)神經(jīng)元興奮性之間的關(guān)系，并探討藥物作用的潛在靶點(diǎn)，為臨床應(yīng)用鉀通道調(diào)節(jié)劑治療疼痛提供理論依據(jù)，也為新型鎮(zhèn)痛藥物開發(fā)提供新思路。

一、電壓門控鉀通道亞型及 DRG 功能調(diào)控

1.電壓門控鉀通道亞型及在DRG 神經(jīng)元上的分布[4]

KV通道是由4 個功能性α 亞基構(gòu)成的同型四聚體，每個α 亞基含6 個跨膜結(jié)構(gòu)域S1-S6，分別為電壓感受器區(qū)域(S1-S4)和由S5 和S6 區(qū)域構(gòu)成的圍孔區(qū)域。根據(jù)蛋白質(zhì)整個疏水核心的氨基酸序列，KV通道可分為12 個KV通道亞家族，根據(jù)離子滲透性分為8 個通透型，4 個沉默型。目前已知與疾病發(fā)生相關(guān)的主要是通透型，沉默型與疾病的關(guān)系并不十分清楚。通透型KV通道亞家族各亞型及在DRG 神經(jīng)元上的分布見圖1。

圖1 電壓門控鉀通道亞型及在DRG 神經(jīng)元上的分布

2. DRG 神經(jīng)元與電壓門控鉀電流

DRG 神經(jīng)元是初級感覺神經(jīng)元 (primary sensory neurons, PSNs)，能夠?qū)⑼庵艹跫壐杏X信號傳遞給脊髓。DRG 是PSNs 的胞體所在位置，因此，DRG 成為臨床上治療疼痛的重要位點(diǎn)。從形態(tài)學(xué)上可將DRG 分為大、中、小三類神經(jīng)元。DRG 中、小神經(jīng)元主要發(fā)出細(xì)的有髓鞘的Aδ 纖維和無髓鞘的C 纖維，傳遞傷害性感覺；而有髓鞘的Aβ 粗纖維則起源于大的DRG 神經(jīng)元，主要傳遞非傷害性感覺。在此過程中，DRG 上多種電壓門控離子通道參與興奮性的傳導(dǎo)，其中電壓門控鉀通道(KV)在靜息膜電位、動作電位(action potential, AP)的產(chǎn)生和神經(jīng)興奮性中發(fā)揮著重要調(diào)節(jié)作用。在DRG 神經(jīng)元上天然KV電流分為兩大類：A 型電流(IA)和延遲整流電流(IK)，分別對4-氨基吡啶(4-AP)和四乙基銨(TEA)敏感。IA主要由KV1.4、KV3.4、KV4.2和 KV4.3 組成， IK主要由 KV1.1、KV1.2、KV2.1 和KV2.2 組成。A 型K+電流參與神經(jīng)沖動發(fā)放間隔時間的延遲和動作電位發(fā)放頻率的降低，而持續(xù)延遲整流型K+通道則參與動作電位閾值，AP 復(fù)極化和神經(jīng)元AP 數(shù)目的變化，提示K+通道在DRG 神經(jīng)元興奮性中發(fā)揮不同的作用[5]。

二、神經(jīng)病理性疼痛與電壓門控鉀通道

1.慢性壓迫性神經(jīng)損傷模型 (chronic constriction injury, CCI)

大鼠CCI 7 天后，引起同側(cè)足部退縮所需的機(jī)械力和溫度顯著降低，提示觸覺超敏和熱痛覺過敏。在DRG 小神經(jīng)元上，全細(xì)胞膜片鉗記錄顯示IA和IK電流在CCI 模型大鼠上均明顯小于正常大鼠，CCI 使DRG 神經(jīng)元激發(fā)動作電位的電流閾值（基強(qiáng)度）和去極化靜息膜電位明顯低于對照組，提示KV電流下調(diào)。部分同側(cè)DRG 神經(jīng)元自發(fā)動作電位和重復(fù)放電增加，這些結(jié)果表明，DRG 神經(jīng)元IK和IA電流密度的改變以及伴隨的傳入性興奮性增高可能與損傷后的神經(jīng)病理性疼痛有關(guān)[5]。

2.慢性背根神經(jīng)節(jié)壓迫模型 (chronic compression of the dorsal root ganglion, CCD)

CCD 是由椎間孔內(nèi)狹窄或其他影響DRG、脊神經(jīng)或脊神經(jīng)根的疾病引起的一種神經(jīng)性疼痛。小鼠CCD 1～7 天，引起CCD 同側(cè)足部退縮（觸覺性痛覺）所需的機(jī)械力閾值較術(shù)前顯著低。CCD 7～10天，DRG 小神經(jīng)元表現(xiàn)出IK電流密度增加，而IA不改變。CCD 神經(jīng)元上動作電位具有較低的電流閾值和較負(fù)的閾電位。雖然IK增加的機(jī)制尚待闡明，但推測IK增加可能是CCD 損傷后神經(jīng)元活動增強(qiáng)的一種代償機(jī)制。這種作用可以抑制DRG 異常放電[6]。CCD 5～7 天，在DRG 中神經(jīng)元上，CCD模型的IK電流密度較正常動物明顯降低，但I(xiàn)A不變。CCD 導(dǎo)致動作電位產(chǎn)生電流的閾值降低，DRG 神經(jīng)元興奮性增加[7]。

3.脊髓損傷模型 (spinal cord injury, SCI)

瞬時IA鉀電流在DRG 神經(jīng)元中可以根據(jù)失活動力學(xué)進(jìn)一步分為至少2 個亞型即快失活和慢失活I(lǐng)A電流[8]。慢失活的IA電流優(yōu)先表達(dá)于小的、辣椒素敏感的膀胱傳入神經(jīng)元上。

在辣椒素敏感的膀胱傳入神經(jīng)DRG神經(jīng)元上，慢失活的IA峰值電流密度脊髓切斷大鼠明顯小于脊髓完整大鼠，失活曲線向超極化方向偏移，但I(xiàn)K沒有變化。此外，SCI 明顯降低激發(fā)動作電位的閾值，增加動作電位發(fā)生頻率，提高神經(jīng)的興奮性，因此，辣椒素敏感的C 纖維膀胱傳入神經(jīng)元的興奮性增加與瞬時A 型K+電流密度的降低有關(guān)[9]。

4.坐骨神經(jīng)切斷模型 (sciatic nerve axotomy, SNA)

大鼠坐骨神經(jīng)切斷術(shù)2～7 周后，對所有類型的DRG 神經(jīng)元的傳導(dǎo)都有相同的影響。一般來說，DRG 小神經(jīng)元變化最明顯，DRG 大神經(jīng)元有變化但不顯著。在DRG 大、中、小神經(jīng)元上IK均明顯降低，激發(fā)動作電位的閾電流明顯減少，動作電位觸發(fā)的數(shù)量和神經(jīng)細(xì)胞興奮性顯著增加。坐骨神經(jīng)切斷后，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的K+通道電流主要由延遲K+電流(IK)組成,其引起的興奮性增加與IK的降低有關(guān)[10,11]。另據(jù)報道，大鼠坐骨神經(jīng)切斷術(shù)2～3 周后，總鉀電流、快失活瞬時IA和IK在DRG 中神經(jīng)元上均明顯減少，而慢失活瞬時ID沒有變化[8]。在大鼠坐骨神經(jīng)切斷術(shù)2 周后，模型大鼠DRG 小神經(jīng)元上的慢失活I(lǐng)A和IK電流明顯小于正常大鼠[12]。

5.糖尿病神經(jīng)病理性疼痛模型 (diabetic neuropathic pain, DNP)

大鼠應(yīng)用鏈脲佐菌素 (streptozotocin, STZ) 3 周誘導(dǎo)糖尿病模型，糖尿病大鼠在對后爪施加壓力刺激后，其收縮閾值顯著降低。糖尿病大鼠的總鉀電流、IA和IK的電流密度在DRG 大、中神經(jīng)元上比正常大鼠明顯減小，但DRG 小神經(jīng)元上的電流密度無明顯減少[13]。與正常組相比，糖尿病DRG 神經(jīng)元重復(fù)放電的觸發(fā)閾值顯著降低，神經(jīng)興奮性增強(qiáng)，使機(jī)體直接產(chǎn)生疼痛感覺[14]。另據(jù)報道，糖尿病大鼠（3～4 周）表現(xiàn)出較低的機(jī)械閾值和較短的熱潛伏期。在DRG 小神經(jīng)元上KV電流明顯減少，糖尿病使DRG 神經(jīng)元的動作電位波幅增大、半寬變短、斜率增大、觸發(fā)閾值和基強(qiáng)度降低。這些結(jié)果提示STZ 誘導(dǎo)的糖尿病大鼠小DRG 神經(jīng)元興奮性增強(qiáng)[15]。

三、炎癥性疼痛與電壓門控鉀通道

1.膀胱炎模型(cystitis)

向膀胱內(nèi)滴注鹽酸(0.4 N)，誘導(dǎo)膀胱炎模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DRG 體積明顯增大，膀胱炎大鼠DRG 神經(jīng)元表現(xiàn)出低動作電位激活閾值和重復(fù)性放電模式，膀胱神經(jīng)元興奮性增加。膀胱炎大鼠使辣椒素不敏感的膀胱傳入神經(jīng)上的DRG 小神經(jīng)元慢失活瞬時IA電流密度明顯小于假手術(shù)大鼠，但I(xiàn)K電流密度不變。這些數(shù)據(jù)表明膀胱炎癥通過降低慢失活瞬時IA電流增加膀胱傳入神經(jīng)元的興奮性[16]。環(huán)磷酰胺誘導(dǎo)慢性膀胱炎2 周后，對膀胱傳入神經(jīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)慢性膀胱炎大鼠DRG 小神經(jīng)元體積比正常大鼠明顯增大，表現(xiàn)出低動作電位激活閾值和重復(fù)性放電模式。慢性膀胱炎大鼠神經(jīng)元IA峰電流密度明顯小于對照大鼠，IA失活曲線向超極化方向偏移[17]。

2.慢性胰腺炎模型 (chronic pancreatitis, CP)

慢性胰腺炎是一種較為常見的疾病，具有腺體功能不全和慢性疼痛等特點(diǎn)。應(yīng)用三硝基苯磺酸(trinitrobenzene sulphonic acid, TNBS)處置，胰腺出現(xiàn)明顯的慢性炎癥，與人類CP 的變化非常相似。TNBS 誘導(dǎo)慢性胰腺炎大鼠模型21～26 天，慢性胰腺炎使DRG 神經(jīng)元的靜息電位移向去極化方向，激發(fā)動作電位的電流閾值明顯減少，動作電位的觸發(fā)頻率顯著增加。慢性胰腺炎DRG 神經(jīng)元IA密度顯著降低，而IK密度無顯著變化。IA穩(wěn)態(tài)激活曲線向超級化方向偏移。實(shí)驗(yàn)主要在DRG 中、小神經(jīng)元上研究[18]。

3.抗原性關(guān)節(jié)炎模型 (antigen-induced arthritis,AIA)

mBSA 抗原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎小鼠模型，AIA 小鼠對機(jī)械刺激顯示較低的爪退縮閾值，對熱刺激具有較短的退避潛伏期。在DRG 小神經(jīng)元上，AIA 組小鼠與對照組相比，靜息膜電位向去極化方向偏移，平均激發(fā)動作電位的電流閾值顯著降低，動作電位數(shù)量明顯增加。提示AIA 增加關(guān)節(jié)感覺神經(jīng)元的興奮性。AIA 能引起IA電流密度顯著降低，但對IK電流密度無顯著影響[19]。

4. DRG 局部炎癥模型 (localized inflammation of the DRG, LID)

通過在DRG 附近直接注入新鮮制備的免疫激活劑酵母多糖，直接炎癥刺激感覺神經(jīng)元胞體制備LID 大鼠模型。LID 3～6 天后分離DRG 小神經(jīng)元用于實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，LID 可降低動作電位閾值并且增加神經(jīng)興奮性。LID 由于增加快失活I(lǐng)A和IK電流密度，也使KV電流幅度明顯增加。此外，LID 使河豚毒素敏感型(TTX-S)鈉電流增加2～3倍，河豚毒素不敏感型(TTX-R)鈉電流增加超過2倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)神經(jīng)興奮性的增加和鉀電流的增加產(chǎn)生了矛盾性，導(dǎo)致該模型鉀電流特性與其他慢性疼痛模型不同的原因可能是鈉電流的幅度發(fā)生了變化。雖然實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)許多與LID 誘導(dǎo)外周炎癥相似的模型，均能增加Na+電流密度，但在LID 模型中，Na+電流變化的幅度通常要大得多。這可能是神經(jīng)元整體興奮性的內(nèi)在調(diào)節(jié)機(jī)制，通過增加K+電流，以部分補(bǔ)償Na+電流的巨大增加[20]。

5.前列腺炎模型(prostatitis)

甲醛誘導(dǎo)大鼠前列腺炎1 周，使用DiI 和Fast Blue標(biāo)記膀胱和前列腺傳入神經(jīng)上的DRG神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)前列腺炎明顯降低動作電位的閾值，增加動作電位的數(shù)量。前列腺炎使DRG 神經(jīng)元上的IA電流密度顯著減少，但對IK沒有影響。此外，注射甲醛大鼠的DRG 輸入電容明顯大于對照大鼠，表明前列腺炎誘導(dǎo)了這些神經(jīng)元的肥大[21]。

6.胃腸道炎癥模型 (gastrointestinal inflammation,GLI)

三硝基苯磺酸(TNBS)誘導(dǎo)豚鼠回腸炎7～10天，在DRG 小神經(jīng)元上，TNBS 回腸炎明顯降低激發(fā)動作電位的電流閾值，增加動作電位觸發(fā)數(shù)量。與對照組相比，炎癥腸Fast Blue 或DiI 標(biāo)記神經(jīng)元的IA和IK電流密度顯著降低，而非標(biāo)記神經(jīng)元的IA和IK電流密度則無顯著變化。IA在標(biāo)記神經(jīng)元中的失活曲線向較負(fù)的電壓方向偏移[22]。在醋酸誘導(dǎo)的胃潰瘍大鼠7 天后也看到類似的結(jié)果，胃炎明顯降低DRG 神經(jīng)元上IA電流密度，但不影響IK電流。因此，K+電流的減少在一定程度可使神經(jīng)元興奮性增加，從而導(dǎo)致消化不良[23]。

7.痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎模型 (gouty arthritis, GA)

應(yīng)用尿酸鈉誘導(dǎo)痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎小鼠模型，觀察痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎DRG 小神經(jīng)元鉀電流的變化特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎降低小鼠機(jī)械刺激的疼痛閾值。在造模第4 天，痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎明顯減少DRG神經(jīng)元上的IA和IK電流密度，降低動作電位閾值，增加動作電位觸發(fā)的數(shù)量，提高神經(jīng)興奮性[24]。

四、以鉀通道為靶點(diǎn)的藥物開發(fā)

本文對上述神經(jīng)病理性疼痛和炎癥性疼痛模型DRG神經(jīng)元鉀電流變化和興奮性進(jìn)行總結(jié)（見表1）。從表1 中可見，與正常動物相比，大多數(shù)神經(jīng)病理性疼痛和炎癥性疼痛動物模型在DRG 神經(jīng)元上均顯示較低的IA和IK，這些共同的變化有助于增加神經(jīng)元尖峰放電和動作電位延長，增加神經(jīng)興奮性。鉀通道開放劑能引起細(xì)胞膜的超極化，降低細(xì)胞的興奮性。因此，針對治療神經(jīng)病理性疼痛和炎癥性疼痛，IA和/或IA通道開放劑（尤其選擇性作用亞型）具有潛在的開發(fā)前景。根據(jù)KV通道各亞型在DRG上的分布，幾個主要亞型 KV1.1/KV1.2 和 KV7.2/KV7.3 均參與 AP 的產(chǎn)生和傳播，KV2.1 主要參與AP 的傳播。KV3.4 能夠使AP 由DRG 向中樞傳遞。因此，選擇性作用于這些不同的通道亞型，可能達(dá)到較好的鎮(zhèn)痛效果。文獻(xiàn)資料顯示，IA電流通道亞型（KV1.4、KV4.2 和 KV4.3）和IK電流通道亞型（KV1.1、KV1.2 和KV2.2）分別在不同慢性疼痛模型DRG 神經(jīng)元上均表現(xiàn)為下調(diào)。這些發(fā)現(xiàn)表明KV通道亞型可作為潛在的分子靶點(diǎn)，但需要進(jìn)一步研究來探索這種可能性。雖然對KV通道亞型進(jìn)行了廣泛的研究，但作用于特異性通道的藥物還比較少。目前，KV7 開放劑瑞替加濱(retigabine)，在糖尿病、骨性關(guān)節(jié)炎和痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎等不同動物模型上均可有效減輕神經(jīng)病理性疼痛[3]。此外，許多天然來源的生物毒素對電壓門控離子通道具有高度的專一性和有效性，它們通過阻斷鈉通道和鈣通道發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用。生物毒素是新的鎮(zhèn)痛藥物研究的一大方向和熱點(diǎn)。但到目前為止，天然毒素幾乎都是阻斷KV通道亞型，例如蛇毒肽類毒素(α-dendrotoxin)，阻斷 KV1.1、KV1.2 和 KV1；蜘蛛毒素 Hanatoxin1 和Hanatoxin2 阻斷 KV2.1；海葵毒素BDS-I 和BDS-II阻斷KV3.4 等[25]。因此，從天然毒素中尋找KV通道開放劑還需要進(jìn)一步研究。

表1 神經(jīng)病理性疼痛和炎癥性疼痛動物模型DRG 神經(jīng)元上電壓門控鉀電流的變化特征

除KV通道外，其他鉀通道類型開放劑也顯示較好的鎮(zhèn)痛效果[3]。氟吡汀(flupirtine) 可通過激活G 蛋白調(diào)控的內(nèi)向整流鉀離子通道 (G proteingated inwardly rectifying K+channel, GIRK)，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞膜超極化，降低興奮性。臨床已用于治療骨骼肌疼痛、頭疼、癌癥痛和神經(jīng)源性疼痛等各種急性輕、中度疼痛。KATP通道開放劑吡那地爾對糖尿病、術(shù)后疼痛和骨癌痛動物模型均顯示明顯的鎮(zhèn)痛作用。K2P 通道亞家族TREK1 幾個開放劑（如咖啡酯）對內(nèi)臟痛發(fā)揮顯著的鎮(zhèn)痛效果。鞘內(nèi)注射BKCa通道開放劑NS1619 劑量依賴性逆轉(zhuǎn)神經(jīng)結(jié)扎大鼠的痛覺過敏和超敏反應(yīng)。因此，以鉀通道為靶點(diǎn)，特別是選擇性針對KV不同亞型的鉀離子通道開放劑作為鎮(zhèn)痛藥物具有良好的前景。

五、總結(jié)

綜上所述，由于鉀通道類型較多，已開發(fā)許多不同類型鉀通道開放劑，這些藥物主要治療高血壓、冠心病、心絞痛等心血管疾病。但在疼痛治療中，以KV通道為靶點(diǎn)的開放劑相對較少。

不同原因造成的神經(jīng)元損傷和炎癥大多會引起IA和/或IK電流減少，IA和IK電流降低往往是由于KV通道不同亞型通道基因表達(dá)減少引起的，最終使神經(jīng)元興奮性增加，進(jìn)而導(dǎo)致疼痛。因此，以KV通道(IA和IK)為靶點(diǎn)，尤其是選擇性作用于KV亞型通道，對開發(fā)新的鉀通道開放劑，治療各類疼痛具有臨床價值。