第六节　离子通道

离子通道(ion channel)是位于细胞质膜或细胞器膜上能够介导离子顺着电化学梯度流动的有孔蛋白质。生物膜两侧的离子流动形成电势差,影响膜电位的变化。因而,离子通道是和细胞的兴奋性直接相关的重要分子基础。也正因为如此,在神经病理性疼痛情况下,离子通道参与外周敏化、中枢敏化及异位放电(见第四章)等与疼痛信号的产生、传递、整合和放大有关的几乎所有事件中。离子通道根据所通透的离子种类,或其选择性,可以分为钠离子通道、钙离子通道、钾离子通道、氯离子通道以及非选择性离子通道等。根据其门控机制,可分为电压门控离子通道和配体门控离子通道。

一、电压门控离子通道

常简称钠通道,由一个α亚基和多个β亚基组成,分子量约为260kDa。其中,β亚基是调节亚基,α亚基是真正的通道形成蛋白,由4个重复的六次跨膜序列组成。通常认为,在每一个六次跨膜结构的第四跨膜区是通道的电压敏感区,包含大量的带正电荷的精氨酸和赖氨酸残基,形成通道的膜电压感受装置。在第五和第六跨膜区之间形成通道的离子通透区(图3-2)。目前已经克隆的α亚基有十多种(Nav1.1-Nav1.9),已经克隆的β亚基有4种(β1～β4)。电压门控钠离子通道对钠离子有较强的选择性。钠离子在细胞膜两侧分布很不平衡,细胞外高而细胞内低,因而钠通道开放允许钠离子顺电化学梯度从细胞外大量涌入细胞内,膜电位去极化甚至超射变为正值,构成动作电位的上升项。钠通道是大多数可兴奋细胞膜上的重要蛋白质。在神经系统中,它广泛存在于轴突的起始部位、郎飞结,对动作电位的产生和传播至关重要。钠通道根据对河豚毒素(TTX)的敏感性可以分为TTX敏感型和非敏感型,也叫抵抗型。其中,Nav1.5、Nav1.8和 Nav1.9是河豚毒素(TTX)非敏感型通道,其余都是TTX敏感型通道。目前的研究表明,四种钠通道分子 Nav1.3、Nav1.7、Nav1.8和Nav1.9是与痛信息的传递及感受密切相关的分子,因而也可能是未来新型治疗疼痛的新型分子靶。

Nav1.3是河豚毒素敏感的、快速激活和快速失活的钠通道。该通道在胚胎期DRG表达较高,在成年动物DRG中的表达水平较低。但在坐骨神经离断、脊神经结扎后,表达明显上升,使受损的DRG神经元高频发放动作电位,产生异位放电。但Nav1.3基因缺失并不能影响神经病理性疼痛的形成,这可能和钠通道不同亚基在DRG细胞中的丰富表达以及基因缺失后其他亚基的代偿机制有关。

Nav1.7是河豚毒敏感的、缓慢激活和缓慢失活的钠通道。该分子的激活形成斜坡电流,可能与冲动的初始化或起搏电位的产生有关。该分子的自发突变率很高。其编码基因SCN9N的突变,导致患者对疼痛刺激不敏感,而功能获得性突变会导致患者出现疼痛综合征,如遗传性红斑性肢痛、阵发性剧痛征、小纤维神经病(smallfiber neuropathy)。这些基因水平的研究确立了Nav1.7在神经病理性疼痛中的地位。

Nav1.8是河豚毒非敏感、缓慢激活、缓慢失活的钠通道,也是目前神经病理性疼痛研究最多的亚型。Nav1.8主要表达于小直径的感觉神经元,对动作电位的产生至关重要。除了大量的动物实验研究,最近的基因水平的研究结果表明,Nav1.8通道在疼痛患者中有也有较高的突变性。其中一些突变可以导致通道对去极化刺激的反应增强,并导致DRG细胞的超兴奋性。因此,Nav1.8也是离子通道病导致疼痛综合征的重要机制。

Nav1.9也是河豚毒非敏感性钠通道。主要表达于正常DGR的小神经元,在周围神经横断后表达水平明显下调。该通道具备在静息膜电位下的自发性活化与失活的周期变化能力,因而能够调节静息膜电位和除极。Nav1.9下调的结果是产生更加超极化的膜电位,促使河豚毒敏感性钠通道从失活状态中恢复。

电压门控钙离子通道(简称钙通道)多由5个亚单位α1、α2、β、γ、δ组成,其中α1是决定通道电压依赖性和药物敏感性的主要亚基,其他四个为调节亚基。根据激活电压的不同,钙通道可分为高电压激活型(L-型、P/Q型、N型和R型)和低电压激活型(T-型)。目前已经克隆了10个钙通道的编码基因,分别为Cav1.1～1.4(L型),Cav2.1～2.3(P/Q型、N型和R型)、Cav3.1～3.3(T型)。N-型钙通道是与疼痛信息传递及痛觉形成关系最为密切的通道类型。它表达于DRG细胞以及中枢突,在疼痛状态下表达上调,可促进初级传入释放疼痛递质如谷氨酸和P物质,从而促进伤害性信息的传递。针对N型钙通道的喷他佐辛药齐考诺肽2004年上市,在对抗慢性顽固性疼痛中显示出明显的优势。与高电压型不同,T型钙通道在DRG和脊髓后角两级神经元中均有表达,引起在较低的膜电位状态下被激活,故T型钙通道可以改变神经元的放电模式。T型钙通道的表达与疼痛状态相关,鞘内注射T型钙通道的反义寡核苷酸探针、腹腔注射其特异性抑制剂都可以有效缓解急性痛和神经病理痛的程度。

二、配体门控型离子通道

谷氨酸是人体内最为普遍和重要的兴奋性神经递质,谷氨酸通过谷氨酸受体发挥对突触后神经元的兴奋作用。在疼痛状态下,中枢神经系统内的谷氨酸受体的表达和功能状态与中枢敏化的发生关系密切。谷氨酸的受体可分为两类,一种为代谢型受体,一种为离子型受体。离子型受体属于离子通道,对钠离子、钙离子等阳离子具有通透性。由4～5个亚基组成,每个亚基包含一个细胞外氮端,四个输水跨膜片段和一个位于胞内的碳末端。根据药理学性质的不同,离子型受体可分为AMPA受体(GluA1～4)、NMDA受体(GluN1、GluN2A～D)和KA(GluK1～5)受体。NMDA受体由两个GluN1和2个GluN2亚单位组成。其广泛分布于DRG C类纤维和A类纤维的终末,脊髓背角浅层以及皮层中。突触传递的长时程增强(LTP)是神经病理性疼痛中枢敏化的机制之一。NMDA受体参与脊髓和皮层LTP的形成,其广谱抑制剂能够有效抑制神经病理性疼痛的程度。与NMDA受体相似,AMPA受体在神经系统中的分布也很广泛,但在神经病理性疼痛情况下,AMPA受体主要作为NMDA受体激活的下游分子,通过表达上调、磷酸化增强以及上膜机制来增强谷氨酸突触传递的效力。尽管离子型谷氨酸受体(包括KA受体)在疼痛调节中发挥重要作用,但由于其分布广泛、作用重要,其抑制剂在临床上的使用会导致严重的副作用。比较而言,在该领域,代谢性谷氨酸受体似乎更具开发潜力,但其不属于离子通道,因而不在本章节的介绍范围之内。

三磷腺苷(ATP)不仅是细胞的能量物质,而且还是一种神经递质或调质,作为信使物质调节组织细胞的生化代谢和生理活动。ATP有两种受体,配体门控的P2X受体(P2X1～7)和G蛋白偶连的P2Y受体(P2Y1～6)。P2X受体为两次跨膜的异源三聚体结构,对钠离子、钾离子和钙离子通透。在外周,组织损伤、内脏牵拉或交感兴奋都可通过释放ATP激活其受体。伤害性感受器表达丰富的 P2X受体(P2X3、P2X2/3),皮下注射ATP或其类似物可以通过激活这些受体产生感受器电位,引起疼痛信号的传递。另外,在神经病理性疼痛情况下,交感纤维会出芽并在DRG神经元周围形成蓝状结构(详见第三章交感维持性疼痛),除了释放去甲肾上腺素,交感终末也会释放ATP,通过作用于P2X3受体而引发DRG细胞的超兴奋性。脊髓内小胶质细胞也表达P2X受体(P2X4、P2X7),其在神经病理性疼痛情况下表达增强,通过胶质-神经元对话促进Ⅰ层投射神经元的兴奋性,这也是中枢水平P2X发挥促痛作用的机制之一。

缺血和炎症常会造成组织酸化引发疼痛。酸敏感离子通道(ASIC)在酸诱导痛觉中具有直接的作用。ASICs的分子结构与P2X相似,为二次跨膜结构,细胞外环区为H⁺结合区域。H⁺诱发的电流由两个成分组成:具有电流-电压线性依赖关系的快失活特性的Na⁺电流和持续性的有外向整流特性的非选择性阳离子电流。目前ASICs有五种亚型被克隆(ASIC1～5),ASIC1～4在伤害性感受器中有表达。除了通过酸激活功能参与外周炎症反应的感受和转导,ASIC2和ASIC3也参与了毛发或皮肤对触觉的反应,但它们是否介导了神经病理性疼痛状态下的触诱发痛尚不清楚。

瞬时感受器电位(transient receptor potential,TRP)是一个基因超家族,目前在哺乳类动物体内克隆的已有30多个成员,多编码6次跨膜的非选择性阳离子通道,在第5和第6跨膜区之间为离子通透区(图3-3)。近年来,TRP通道作为感受器的 “换能”分子而备受重视。辣椒碱受体,TRPV1主要表达于DRG和三叉神经节的小型神经元中。该通道不仅可以被辣椒碱(红辣椒的主要成分)所激活,而且能被内源性脂质,酸度(pH<5.9)以及温度(>43℃)所激活,为多觉感受器。TRPV2主要表达于中等和大的DRG细胞中,可以被52℃以上的温度刺激所激活。TRPV3和TRPV4与前两个分子不同,它们在传入神经元中表达较少,而在皮肤角化细胞中大量表达,可以被不同范围的温觉刺激所激活(TRPV3:>34～37℃;TRPV4:>32℃),但当基因缺失时,也会导致动物的机械性和热痛觉钝化。TRPM8表达于部分非TRPV1、SP和IB4阳性的小型感觉神经元中,可以被8～28℃的温度刺激所激活。另一个TRP蛋白,TRPN1在4%左右的感觉神经元中表达丰富,TPRV1和CGRP有共存,可以被<18℃的冷觉刺激所激活。以上TRP蛋白形成了机体温度谱系探测和感受的分子机制,是介导炎性痛、神经病理性疼痛热痛敏的关键分子。