超聲神經調控鉀通道治療疼痛的研究進展

應育娟 黃 燕 鄭元義

神經性疼痛，臨床難以治愈，主要是因其機制尚未完全清楚，但神經性疼痛與神經細胞超興奮性引起的外周敏化和中樞敏化關系密切，在人類基因組存在的215個離子通道中，有85個離子通道與疼痛有較多的聯系［1-2］。背根神經節（dorsal root ganglion，DRG）神經元是神經性疼痛發生和維持的主要解剖部位［3］，且其鉀離子通道與動作電位的放電頻率和由此產生的神經元活動有著密不可分的聯系，可見鉀離子通道是治療疼痛的很好的靶點［4］。臨床上治療慢性神經性疼痛的方法主要有藥物、神經阻滯、脈沖射頻和電刺激治療等，但療效未能完全令人滿意，且存在多種并發癥。因此尋求一種新的無創且精準治療神經性疼痛的方法仍面臨巨大的挑戰。超聲具有無輻射、經濟、價廉等優勢，目前已用于消融實體腫瘤和治療軟組織疼痛，基于超聲的神經調控也擁有良好的發展前景。短時間的超聲暴露可以通過調控離子通道影響神經元興奮性，進而影響大腦活動而無明顯的神經損傷，可用于治療癲癇、焦慮、偏頭痛等中樞神經系統疾病［5］。超聲神經調控是一種治療中樞及外周神經性疼痛很有潛力的方法。疼痛的發生與體內不同部位的離子通道（如鈉、鉀、鈣通道）開閉密切相關，基于目前超聲的神經調控研究越來越多，本文將研究較多且與疼痛相關的電壓依賴性的鉀離子通道（Kv）和雙孔鉀離子通道（K2p）作為靶點的可能機制及研究現狀綜述如下。

一、疼痛相關的鉀離子通道

鉀離子通道，亞型多，幾乎遍及全身組織，其在神經元興奮性及維持細胞靜息電位等中均具有重要作用［6-7］。根據其生物和藥理特性的不同可分為4類：電壓依賴性的Kv、鈣離子依賴的鉀離子通道（Kca）、內向整流型鉀離子通道（Kir）和K2p。Kv家族包括12個成員（Kv1.x～Kv12.x）［7］；K2p通道可以分為6類，即弱內向整流鉀通道（TWIK）、TWIK相關的鉀通道（TREK）、TWIK相關的酸敏感鉀通道（TASK）、TWIK相關的堿激活鉀通道（TALK）、TWIK相關的脊髓鉀通道（TAESK）、可被氟醚抑制的雙孔鉀通道（THIK），其中，TREK-1、TREK-2和TRAAK是DRG神經元的主要背景電流［6］。

1.Kv：A型Kv通道是中樞神經系統神經元興奮性的重要調控因子，它包括Kv1.4、Kv3.4、Kv4.1、Kv4.3和Kv4.2，DRG神經元的A型Kv通道與持續型疼痛敏化緊密相關［8］。研究［9］表明在結扎大鼠第5腰椎脊髓神經后，受損的有髓A類纖維的神經元Kv電流密度會減少，其中Kv4.1和A型Kv通道電流同步變化，而膠質細胞源性神經營養因子可以通過調控Kv4.1表達逆轉大鼠的超興奮性，減少受損A纖維的自發放電，提示了Kv4.1是特異性調控神經性疼痛的重要靶點。Kv電流密度減少時，可以促進疼痛發生發展。研究［2］表明，Kv9.1功能障礙可促使對冷刺激不敏感的神經纖維向敏感方向轉化，觸發A類纖維的自發放電，介導外周性神經性疼痛的機械性感覺異常，這可能與Kv通常提供興奮性抑制有關。隨著疼痛的發生發展，大多數神經損傷后會經歷神經元過度興奮和動作電位恢復至正常水平的過程，有髓鞘的感覺軸突Kv1通道的分子組成和分布會不斷發生相應變化，從而抑制神經損傷后的過度興奮產生相應保護機制［1］。研究［10］表明，神經損傷誘導的表觀遺傳變化在啟動和維持慢性疼痛中也有一定作用。當周圍神經損傷出現神經性疼痛時，DRG神經元的DNMA3a增加，下游Kv2降低，細胞興奮性升高，促進疼痛敏化［11］；神經損傷后，DRG的MZF1轉錄因子增多，促進K1.2的反義RNA生成，降低K1.2 mRNA和蛋白表達［12］。慢性壓迫性損傷大鼠模型中HDAC2通過調節Kv1.2的表達參與疼痛反應［13］。另外，有研究［10］認為DRG神經元中的G9a是參與神經損傷后由急性疼痛向慢性疼痛轉變的重要表觀遺傳學調控因子；G9a可使H3K9me2增加，抑制DRG神經元鉀通道的表達，反之使用G9a和HDAC抑制劑聯合治療可以恢復因神經損傷而減少的部分Kv電流，可明顯改善痛覺過敏。

2.K2p：TREK-1、TREK-2和TRAAK是DRG神經元主要的背景電流［3］，TREK是普遍應用的揮發性麻醉如異氟醚和氟烷藥品的主要靶點［7］。在生理條件下，TREK-2在維持神經元靜息電位中的作用更大，而在神經性疼痛中TREK-1的作用可能更大［14-15］。TREK-1廣泛分布在肽類及非肽類神經元，感知多種刺激導致的疼痛［14］。TREK-1在突觸前和突觸后神經元中均有表達，麻醉劑神經保護劑等可以通過該受體發揮麻醉、鎮痛、神經保護等作用。在星形膠質細胞中，疼痛時G蛋白偶聯受體激活，影響TREK-1介導的快速谷氨酸釋放［7］。利魯唑作為TREK-1鉀通道靶向激活劑，可以明顯緩解奧沙利鉑化療藥物導致的神經性毒性作用，提高小鼠疼痛刺激的閾值［16］。調節TREK-1通道可能對神經性疼痛患者具有一定的鎮痛作用。然而，在慢性壓迫性神經損傷小鼠模型中，DRG神經元的TREK-1和TREK-2 mRNA均顯著表達［3，17］，鞘內注射miR-183時可減輕慢性壓迫性損傷大鼠模型的疼痛，且會下調TREK-1的表達［3］。TREK-2主要分布在外周神經系統，可選擇性地表達在B4蛋白結合的C類纖維的大鼠傷害性感受器中［3，14］，通過促進感受器膜電位超極化限制自發性疼痛［14］。在疼痛發生發展過程中，K2p通道表達調節下降，可能是神經興奮性增強的潛在機制［6，14］。當DRG神經元TREK-2通道通過siRNA誘導敲除，會導致細胞膜去極化，細胞電興奮性增強［4］。而TREK-2激活劑開放通道，膜電位超極化可以限制電興奮性從而降低C類纖維中的疼痛信號；不僅如此，TREK-2激活劑具有限制DRG神經元Ca2+內流的能力，也可以減少疼痛信號［4，15］。PD-1作為內源性疼痛抑制劑和神經調節劑，可以通過SHP-1抑制鈉通道功能，增強TREK-2功能，使同時表達PD-1和TREK-2的細胞中產生逆轉電位的負偏移，從而調節神經元的興奮性，緩解疼痛［18］。TREK-2在限制痛覺方面起著如此重要的作用，因此激活劑也被認為是治療疼痛的潛在治療靶點［4，14］。另外通道多位于外周神經系統，激活劑可能有助于限制外周信號和減少疼痛且無中樞神經系統的副作用。目前更加精確的疼痛治療策略正在開發，參與控制傷害性神經元興奮性的鉀通道可作為神經性疼痛治療的靶點［14］。不同部位通道開閉情況不同，但功能上上調K2p通道活性可能是一種有用的策略，在結合未來更多的研究的基礎上臨床有望開發更加高效的超聲治療疼痛的療法。

二、超聲神經調控技術對離子通道的作用

神經調控技術是采用植入性或非植入性操作來改善患者癥狀的治療技術，它可通過電刺激或藥物等手段可逆地改變中樞神經、外周神經或自主神經系統的活性［19］。基于超聲的神經調控技術多采用低強度聚焦超聲（low intensity focused ultrasound，LIFU），一般探頭頻率＜1 MHz，較診斷用的強度相似或者更低，LIFU可以間歇刺激或連續刺激進行非熱介導的神經調節［20］。中樞神經系統中，LIFU可以通過動物顱骨深入到大腦深部組織，可聚焦調控神經元，與光遺傳學、經顱磁刺激和經顱電刺激等方法相比，具有高分辨率、非侵入性的優勢。超聲神經調控技術具有無創、高分辨率、靶向性好的優勢，有利于避免藥物副作用和有創的操作治療。超聲可使特定部位的神經產生興奮性或抑制性的可逆調控［21］。根據超聲波頻率、脈沖重復頻率、持續時間和占空比等參數不同，對神經元組織會產生不同的影響，麻醉水平可能也是一個重要影響因素［20-21］。超聲波作為一種可以傳遞信息的聲波，主要是通過機械效應、熱效應、空化效應機制調節生物機體。超聲對離子通道作用的精確生理機制并未完全解決，近年來觀察的證據解釋了超聲對離子通道起作用的部分機制，超聲波是一種機械波，細胞膜上的許多門控的離子通道和突觸受體受到敏感性機械性刺激，聲輻射力拉伸細胞膜脂質雙層，引起脂質雙層張力的瞬時變化，導致離子通道開放或者失活或者受體下游分子活性改變，包括K2p、TRP、Piezo通道等，以及部分電壓敏感性離子通道，如Na、Kv、Ca［22-24］。聚焦超聲可以刺激單個海馬神經元的電壓門控Na+和Ca2+通道使其活性發生改變，細胞膜去極化并誘導突觸傳遞，Na+和Ca2+通道的藥理抑制作用可阻斷誘導的去極化［24］。因此，超聲對離子通道的作用并非完全是機械性作用，或許空化作用、熱效應，以及不影響細胞離子通道的機械性作用的膜電容改變。研究［22-24］認為LIFU治療的熱效應對神經活動的影響可以忽略不計，局部受刺激組織溫度變化＜0.1℃，但是溫度變化也足以激活溫度敏感的部分K2p、TREK-1、TREK-2和TRAAK。

三、以鉀離子通道作為靶點的超聲神經調控現狀

超聲是一種非常有潛力的精準治療中樞和外周神經系統疾病的工具［22］。部分電壓門控鉀通道及K2p通道均具有機械敏感性，對機械拉伸或超聲波刺激有響應，通道狀態發生改變，這些離子通道均是治療疼痛的重要離子通道靶點［14］。LIFU可以影響中樞和外周興奮神經元的功能［23］，其作用于海馬神經元時可調節神經元功能。高強度聚焦超聲（頻率為2.68 MHz）可以可逆地阻斷感覺神經傳導，緩解大鼠糖尿病性神經性疼痛［25］。研究［26］發現，超聲可以降低大鼠慢性壓迫性損傷與疼痛相關物質包括p物質、NK-1R、TNF-α等，減輕痛覺過敏。奧沙利鉑藥物所致的大鼠神經性疼痛模型中，超聲可以使大鼠的撤足閾增加，提示超聲可以降低大鼠的冷刺激和機械刺激敏感性［27］。LIFU激活神經元K2p通道，保護細胞免受mpp1誘導的細胞死亡，以及離子通道介導的下游通路進而減少神經細胞毒性［28］。超聲可調制體外和動物體內的鉀通道來調節鉀離子流動［24，28］。在轉染鉀通道的蟾蜍卵母細胞實驗［26］中，聚焦超聲可以調控TREK-1、TREK-2、TRAAK通道，產生外向鉀電流，通道阻斷劑可以使這樣的作用消失。但人體細胞與蟾蜍卵母細胞不盡相同，且體外實驗［24］排除了許多干擾因素，未考慮體內細胞周圍組織對超聲的影響，因此最佳的體內超聲應用參數尚需進一步研究。另外有研究［29］發現，超聲可以通過微泡放大對線蟲的行為活動控制，進而產生靶向調控的作用，但超聲調控單個細胞活動還受到超聲傳統分辨率限制。

四、總結

綜上所述，超聲可以通過調節鉀通道進而激活或者抑制局部中樞和外周神經元，對下游的細胞分子信號調控，可能的機制是利用開放或者關閉機械性敏感的離子通道及部分電壓門控通道。目前在藥理學和臨床學研究方向的鎮痛藥物靶向性欠佳或副作用較大，而非侵入性的超聲神經調控作為一項靶向性好、深度可調節、分辨率高的治療策略，有能力誘導不同的神經活動模式，具有作為臨床工具的巨大潛力。但在臨床應用前尚需解決以下問題：①參與不同部位疼痛的離子通道具體種類；②超聲在體內外操作設置方案和參數的統一；③治療效果重復性；④在人類開展的安全性等。超聲神經調控技術尚處于起步階段，實現超聲神經調控以鉀離子通道為靶點來治療神經性疼痛還需要更多的研究。