HCN通道在糖尿病周圍神經(jīng)病變發(fā)生中的作用研究進展

陳美云，雷曉露，余德芊，劉曉紅

(遵義醫(yī)學院基礎醫(yī)學院，貴州遵義563003)

HCN通道在糖尿病周圍神經(jīng)病變發(fā)生中的作用研究進展

陳美云，雷曉露，余德芊，劉曉紅

(遵義醫(yī)學院基礎醫(yī)學院，貴州遵義563003)

超極化激活環(huán)核苷酸門控的陽離子通道(HCN 通道)屬于孔環(huán)陽離子通道家族成員。哺乳動物HCN通道存在4個亞型(HCN1-4)，主要表達于心臟和神經(jīng)系統(tǒng)。HCN通道激活后產(chǎn)生的超極化激活電流具有影響細胞膜靜息電位、控制細胞興奮性、調(diào)節(jié)心臟和神經(jīng)節(jié)律等諸多生理功能，其表達及功能的異常改變與癲癇、腦缺血、病理性疼痛及心律失常等多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)。HCN通道在糖尿病周圍神經(jīng)病變(包括糖尿病感覺性周圍神經(jīng)病變及心臟自主神經(jīng)功能障礙)發(fā)生中扮演著重要角色。

陽離子通道；超極化激活環(huán)核苷酸門控的陽離子通道；周圍神經(jīng)病變；糖尿病并發(fā)癥

上世紀70年代Noma等[1]首次在心臟的竇房結(jié)細胞記錄到超極化激活電流(Ih)，并將其命名為“funny”電流(If)，隨后在神經(jīng)元中也發(fā)現(xiàn)Ih，后來證實超極化激活環(huán)核苷酸門控的陽離子通道(HCN 通道)介導Ih。HCN通道主要分布于哺乳動物的心臟和神經(jīng)系統(tǒng)，參與多種生理及病理過程。近年研究發(fā)現(xiàn)HCN通道在糖尿病周圍神經(jīng)病變發(fā)生中扮演著重要角色。現(xiàn)就HCN通道在糖尿病周圍神經(jīng)病變(包括糖尿病感覺性周圍神經(jīng)病變及心臟自主神經(jīng)功能障礙)發(fā)病中的作用研究進展情況進行綜述。

1 HCN通道的結(jié)構(gòu)及生理學特性

1.1 HCN通道的結(jié)構(gòu) HCN通道屬孔環(huán)陽離子通道超家族中的環(huán)核苷酸門控通道亞族，分四個亞型：HCN1、HCN2、HCN3和HCN4。功能性HCN通道是由四個亞單位組成的四聚體復合物，每個亞單位由跨膜核心區(qū)、細胞膜內(nèi)側(cè)C-端和N-端三部分組成；跨膜核心區(qū)由6個跨膜α螺旋片段(S1～S6)及連接區(qū)組成，包括帶正電荷的電壓傳感器S4、S5 和S6 之間形成的離子傳導孔區(qū)，跨膜核心區(qū)決定了HCN通道激活曲線的不同[2]；細胞膜內(nèi)C-端包含環(huán)核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域(CNBD)，未結(jié)合cAMP的CNBD可阻礙HCN通道的開放(稱為“自抑制”)，而cAMP結(jié)合CNBD后可解除這種自抑制作用，致使結(jié)合cAMP的HCN通道開放速度和引起電壓改變的幅度均高于未結(jié)合型[3]；細胞膜內(nèi)側(cè)N-端的功能目前尚不明確。

1.2 HCN通道的生理學特性 HCN通道的激活受到雙重調(diào)控，即電壓門控和配體門控。細胞膜電位超極化改變是HCN通道激活的必須條件，膜電位為-50～-60 mV時HCN通道部分激活，膜電位為-100 mV時HCN通道完全激活開放。激活的HCN通道允許Na+和K+按1∶5～1∶3的比例通過細胞膜，使細胞膜去極化，導致細胞興奮性增加。有文獻[4]報道HCN通道開放后除了對Na+和K+通透，也允許少量Ca2+內(nèi)流。Cs+可阻斷HCN通道，但Cs+也是非選擇性鉀通道阻斷劑，ZD7288為特異性HCN通道阻斷劑[5]。不同亞型HCN通道具有不同的激活速度：HCN1是激活速度最快的通道，其活化常數(shù)τ的變化范圍是30～300 ms；HCN4是激活速度最慢的亞型，τ的變化范圍是300 ms至數(shù)秒；HCN2和HCN3的活化常數(shù)τ的變化范圍介于HCN1和HCN4間。各亞型HCN通道對cAMP敏感性不一致：HCN2和HCN4亞型對細胞內(nèi)cAMP敏感，胞內(nèi)cAMP水平升高可使其激活曲線向去極化方向移動15～20 mV；HCN1對cAMP不敏感，cAMP僅可使其激活曲線向去極化方向移動約+5 mV；HCN3幾乎不受cAMP的調(diào)制[2]。

2 HCN通道在糖尿病周圍神經(jīng)病變發(fā)生中的作用

周圍神經(jīng)病變是常見的糖尿病慢性并發(fā)癥，臨床主要表現(xiàn)為感覺和自主神經(jīng)癥狀，其發(fā)病機制尚不完全清楚。最新研究表明HCN通道表達及功能的異常改變與糖尿病周圍神經(jīng)病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。

2.1 HCN通道參與糖尿病感覺性周圍神經(jīng)病變的發(fā)生 感覺性周圍神經(jīng)病變是糖尿病周圍神經(jīng)病最常見的類型，常常導致患者肢體疼痛、麻木、感覺過敏或減退。其中，痛性糖尿病周圍神經(jīng)病變(PDN)在糖尿病人群中的發(fā)病率高，以自發(fā)性疼痛、異常性疼痛、痛覺過敏為主要特征，臨床表現(xiàn)為四肢遠端對稱性的持續(xù)或間斷性疼痛。近年研究顯示初級傳入神經(jīng)元HCN通道表達及功能的異常改變可能促進了PDN的發(fā)生、發(fā)展。背根節(jié)(DRG )神經(jīng)元為感覺傳入的第一級神經(jīng)元，負責接受和初步整合感覺信息并完成向脊髓的傳遞，免疫組織化學染色顯示HCN通道分布于DRG細胞：HCN1主要表達于大、中型DRG神經(jīng)元；HCN2多表達于傳遞傷害性信息的中、小型神經(jīng)元，提示HCN2與病理性疼痛調(diào)節(jié)密切相關(guān)；HCN3在DRG神經(jīng)元表達量較少；而HCN4只在小型DRG細胞少量表達[6]。新近研究[7,8]表明，在外周炎性痛和外周神經(jīng)損傷所致神經(jīng)痛模型中，DRG神經(jīng)元HCN2通道表達增加、Ih幅度增大，受損神經(jīng)元出現(xiàn)異位放電；HCN通道拮抗劑可降低Ih幅度，減少受損神經(jīng)元的異位放電，同時減輕痛敏癥狀，表明HCN通道表達增加導致的初級感覺神經(jīng)元興奮性增加促進了病理性疼痛的發(fā)生、發(fā)展。連續(xù)給予丙酮醛(葡萄糖代謝的派生物)1周可導致小鼠外周感覺神經(jīng)元HCN通道的激活電位向去極化方向偏移、Ih電流密度明顯上調(diào)，感覺神經(jīng)元興奮性增高，在糖尿病感覺神經(jīng)病變患者也存在相同的現(xiàn)象[9]。我們的研究發(fā)現(xiàn)鏈脲霉素(STZ)誘導的1型糖尿病神經(jīng)痛大鼠背根節(jié)HCN1、HCN2表達增加，鞘內(nèi)給予HCN通道拮抗劑ZD7288可抑制糖尿病大鼠的機械痛敏，提示糖尿病感覺性周圍神經(jīng)病變與DRG神經(jīng)元HCN通道功能失調(diào)密切相關(guān)。然而，不同亞型HCN通道所起的具體作用有待于動物實驗及大量的臨床研究來闡明。

2.2 HCN通道參與糖尿病心臟自主神經(jīng)病變的發(fā)生 心臟自主神經(jīng)病變是引起糖尿病患者病死率上升的重要因素，臨床表現(xiàn)包括心律失常、無癥狀性心肌缺血或無痛性心肌梗死、體位性低血壓等等，其發(fā)病可能與交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的失衡有關(guān)，近年研究顯示分布于心血管的HCN通道參與了糖尿病性心臟自主神經(jīng)病變的發(fā)病。

2.2.1 HCN通道參與糖尿病性心律失常的發(fā)生

2.2.1.1 HCN通道參與竇性心律失常的發(fā)生 Li等[10]首次通過分子標記定位發(fā)現(xiàn)人類竇房結(jié)存在HCN1、HCN2和HCN4通道，由三種HCN通道共同產(chǎn)生的If電流是竇房結(jié)細胞4期自動除極的必需離子電流，在竇房結(jié)細胞自律性產(chǎn)生中起重要作用。其中，HCN4是竇房結(jié)、房室結(jié)、希氏-普肯野纖維等傳導系統(tǒng)中表達最豐富的亞型，在If電流的產(chǎn)生中起主導作用[11]。HCN通道功能異常改變參與了竇性心律失常的發(fā)生：Baruscotti等[12]首次發(fā)現(xiàn)1例存在不良性竇性心動過速家族史患者的HCN4通道R524Q突變，突變的R524Q位于HCN4通道cAMP結(jié)合區(qū)域；全細胞膜片鉗記錄發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)染R524Q基因的竇房結(jié)細胞對cAMP敏感性增加，竇房結(jié)起搏細胞動作電位頻率增快；隨后發(fā)現(xiàn)心率正常的新生大鼠在轉(zhuǎn)染R524Q基因后心率增快，這說明R524Q突變導致的HCN4功能增強參與了竇性心動過速的發(fā)生；Millat等[13]和Schweizer等[14]發(fā)現(xiàn)心動過緩伴慢性沙加斯心肌病與HCN4基因中PGly482Arg變異導致的HCN4功能下降密切相關(guān)。STZ誘導的1型糖尿病大鼠竇房結(jié)HCN2和HCN4通道蛋白表達降低，同時伴有心率減慢、竇房傳導時間和竇房結(jié)恢復時間延長[15]。最近Meyer等報道1例創(chuàng)傷應激后伴有心悸、頭疼的1型糖尿病患者，直立傾斜試驗顯示該患者存在高腎上腺素能直立性心動過速綜合征，使用HCN通道阻斷劑伊伐布雷定可明顯緩解患者直立性心動過速綜合征癥狀[16]。這些研究提示竇房結(jié)HCN通道表達及功能的改變參與了糖尿病竇性心率失常的發(fā)生。然而，1型、2型糖尿病竇房結(jié)各亞型HCN通道蛋白表達及功能改變的機制有待于進一步研究。

2.2.1.2 HCN通道參與房性、室性心律失常的發(fā)生 生理狀態(tài)下HCN通道很少表達于心臟傳導系統(tǒng)以外的組織，故長期以來認為HCN通道在心臟的功能只表現(xiàn)在自律細胞，而與工作細胞的興奮、收縮無關(guān)。但后來研究發(fā)現(xiàn)，HCN2、HCN4在心房和心室肌細胞均有少量表達，生理狀態(tài)下HCN通道表達水平低，且激活閾值比正常靜息電位更負，因此工作細胞不產(chǎn)生If電流[17]。但越來越多的研究顯示, 心臟病變時心房和/或心室的HCN2、HCN4表達發(fā)生改變，引起If電流增強或減弱進而導致心肌細胞電不穩(wěn)定性增加，促進心律失常的發(fā)生：Riesen等[18]發(fā)現(xiàn)肥厚性心肌病貓左心室HCN4表達顯著增加；Hofmann等[19]發(fā)現(xiàn)主動脈縮窄所致的心肌肥厚小鼠心室肌If電流密度增加，降低了心室肌細胞動作電位的復極化儲備，進而導致室性快速心率失常的發(fā)生；Zicha等[20]的研究顯示，快速心室起搏誘導的充血性心力衰竭犬竇房結(jié)HCN4通道表達下調(diào),而右心房HCN4表達明顯上調(diào),認為這與慢性心力衰竭所致的房顫有關(guān)；此外，Kuwabara 等[21]發(fā)現(xiàn)HCN通道阻斷劑伊伐布雷定可降低擴張型心肌病小鼠室性快速心律失常，而心臟過表達HCN2基因的小鼠對β-腎上腺素能受體激活所致的心律失常敏感性增加。王慶志等[22]的研究顯示STZ誘導的1型糖尿病大鼠左心室HCN2、HCN4表達升高，認為HCN2、HCN4 表達升高導致的心臟電重構(gòu)可能與糖尿病室性快速心律失常密切相關(guān)。然而，1型、2型糖尿病時心房與心室HCN通道表達、功能的變化與各種心律失常的確切關(guān)系有待于大量實驗與臨床的深入研究。

2.2.2 HCN通道參與糖尿病壓力感受性反射減弱的發(fā)生 壓力感受性反射是機體調(diào)節(jié)動脈血壓和心率的重要機制，糖尿病患者壓力感受器對血壓的調(diào)控作用減弱，血壓的波動性增大，易發(fā)生體位性低血壓，是導致糖尿病致死率高的重要因素。存在于結(jié)狀節(jié)的主動脈弓壓力感受神經(jīng)元是壓力感受性反射初級傳入神經(jīng)元，可檢測主動脈血壓變化，其功能異?？蓪е轮鲃用}壓力感受器反射減弱。近年研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病時結(jié)狀節(jié)神經(jīng)元的HCN通道表達及功能發(fā)生明顯改變：Tu等[23]發(fā)現(xiàn)STZ導致的糖尿病大鼠結(jié)狀節(jié)神經(jīng)元HCN通道蛋白表達增加、Ih電流密度增大；Li等[24,25]進一步研究發(fā)現(xiàn)，STZ誘導的1型糖尿病大鼠結(jié)狀節(jié)HCN1和HCN2表達、Ih電流密度均明顯升高，導致結(jié)狀節(jié)神經(jīng)元興奮性降低，而HCN通道拮抗劑ZD7288可降低Ih電流密度并使結(jié)狀節(jié)神經(jīng)元的興奮性恢復正常。可見，結(jié)狀節(jié)神經(jīng)元HCN通道過度激活導致的神經(jīng)元興奮性降低可能是1型糖尿病患者壓力感受性反射減弱的原因之一。

3 HCN電流抑制劑的開發(fā)應用

以往多種用于單純降低心率的藥物經(jīng)研究鑒定屬于HCN電流抑制劑或調(diào)節(jié)劑，如烯丙尼定、ZD7288以及最新研制的伊伐布雷定。烯丙尼定可增加HCN通道關(guān)閉狀態(tài)的穩(wěn)定性，從而降低竇房結(jié)細胞舒張期去極化速度，具有顯著降低心率的作用[26]。但同時，烯丙尼定對心肌細胞IK通道和L-型鈣通道也產(chǎn)生抑制作用，延長心肌細胞動作電位時程、致使負性肌力作用產(chǎn)生[26]，此外，烯丙尼定還存在口干、低血壓等一系列副作用，不被臨床應用。HCN通道抑制劑ZD7288通常用于電生理實驗中檢驗HCN通道電流，其作用機制為ZD7288與HCN通道細胞內(nèi)側(cè)跨膜區(qū)S6緊密結(jié)合抑制跨膜區(qū)微孔開放[27]。伊伐布雷定是近年研發(fā)的一種新型特異性HCN通道抑制劑，其作用機制與ZD7288相似，目前臨床主要用于治療不恰當竇性心動過速，可改善心絞痛及心力衰竭患者的運動耐量[28]。但由于伊伐布雷定能抑制心肌細胞的hERG K+通道電流，其使用可能存在致患者猝死的風險；另外，臨床上因其偶爾出現(xiàn)暫時性視覺障礙和罕見的竇性心動過緩等不良反應而使其應用受限[29]。HCN通道主要表達于心臟和神經(jīng)系統(tǒng)，參與機體諸多生理與病理過程，如傷害性信息傳導通路HCN通道表達及功能的異常改變可促進病理性疼痛的發(fā)生、發(fā)展[30]，心臟自律細胞或工作細胞HCN通道的異常改變與心律失常的發(fā)生密切相關(guān)，故以HCN通道為靶點來治療相關(guān)疾病有著重要意義。但現(xiàn)有的HCN通道阻滯劑均為亞型非選擇性抑制劑，有明顯的不良反應[31]。因此，應盡快開發(fā)HCN通道亞型選擇性強的藥物。

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10.3969/j.issn.1002-266X.2017.43.035

R338.2

A

1002-266X(2017)43-0110-04

國家自然科學基金資助項目(31360253)。

劉曉紅(E-mail: lxh680718@aliyun.com)

2017-08-23)