河豚毒素對(duì)敏感性鈉離子通道的作用及其與疼痛的關(guān)系

鄧興朝，陳歡，陳靜，黃連生

（深圳瑞達(dá)生物股份有限公司，廣東深圳 518102）

慢性疼痛已成為全球范圍內(nèi)的主要健康問(wèn)題，全球有20%的成年人正遭受著慢性疼痛，每年新被確診的慢性疼痛病人約占全球的10%。疼痛主要是癌癥、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、手術(shù)、損傷以及骨髓等問(wèn)題造成的，為了更好地治療這些用常規(guī)的藥物無(wú)法緩解的疼痛，迫切需要開(kāi)發(fā)新的鎮(zhèn)痛藥。河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）是一種神經(jīng)毒素，作用于特定的鈉離子通道（VGSCs）亞型。VGSCs在疼痛中起著關(guān)鍵作用，其中TTX敏感亞型近年來(lái)備受關(guān)注，因?yàn)檫@些亞型與正常和病理性疼痛密切相關(guān)。由于TTX以高度選擇性的方式阻斷了VGSCs這個(gè)超蛋白家族，在緩解疼痛方面有潛在的作用。本文將對(duì)TTX是如何對(duì)鈉離子通道進(jìn)行作用及在疼痛中有關(guān)鍵作用的鈉離子通道亞型進(jìn)行敘述。

1 疼痛的產(chǎn)生與傳導(dǎo)

組織損傷或潛在的損傷，導(dǎo)致組胺、激肽類、5-羥色胺、前列腺素E等致痛物質(zhì)的釋放，從而激活傷害性感受器及其連屬的結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)纖維傳導(dǎo)痛信息并產(chǎn)生動(dòng)作電位，經(jīng)過(guò)背根神經(jīng)元傳到脊髓，并在此處經(jīng)過(guò)整合后傳導(dǎo)丘腦和大腦皮層引起疼痛的感覺(jué)。

傷害性感受器為外周游離的神經(jīng)末梢，廣泛分布于機(jī)體的各部位，直接接受傷害性刺激或者間接為致痛物質(zhì)所激活。這些傷害性感受器的胞體位于脊髓背根神經(jīng)節(jié)（DRG）上[1]。背根神經(jīng)節(jié)位于脊神經(jīng)后根，椎間孔骨性結(jié)構(gòu)之內(nèi)，也稱脊神經(jīng)節(jié)或感覺(jué)神經(jīng)節(jié)，是機(jī)體內(nèi)、外環(huán)境與脊髓聯(lián)結(jié)的紐帶，它發(fā)出的單個(gè)軸突會(huì)分成兩支：一支是周圍神經(jīng)軸突，用來(lái)接受感覺(jué)信息；另一支是中樞軸突，用來(lái)將外周傳入的感覺(jué)信息送至脊髓背角，完成初級(jí)感覺(jué)信息的傳遞[2]。脊髓背角是外周神經(jīng)傳入以及腦干和大腦皮質(zhì)下行投射神經(jīng)的匯聚處，不僅可以接受和傳遞傷害性信息，還可以對(duì)傷害性信息進(jìn)行加工處理，是疼痛傳遞的第二級(jí)中轉(zhuǎn)站，是感覺(jué)信息加工轉(zhuǎn)換的重要節(jié)點(diǎn)。大腦皮層是疼痛感覺(jué)的最高級(jí)中樞，它可以接受傳入的各種疼痛感覺(jué)信息并對(duì)其進(jìn)行加工和處理，最終上升到意識(shí)。

近年來(lái)，一些與疼痛有關(guān)作用機(jī)制也逐漸被研究，特別是DRG的痛覺(jué)機(jī)制，在神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生機(jī)制中具有關(guān)鍵的作用，其不僅與多種受體有關(guān)，更與離子通道關(guān)系密切，因此認(rèn)識(shí)離子通道，對(duì)于闡明神經(jīng)性疼痛的機(jī)制有重要意義[3]，同時(shí)也為開(kāi)發(fā)新型的鎮(zhèn)痛藥提供了重要的理論基礎(chǔ)。

2 河豚毒素的藥理作用及可能的鎮(zhèn)痛機(jī)制

2.1 河豚毒素的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)

河豚毒素純品在1955年由日本的平田義正教授從河豚魚(yú)中成功分離出來(lái)[4]，并于1972年成功合成人工河豚毒素，分子式為C11H17N3O8，分子量為319.27，其結(jié)構(gòu)特征是含有1個(gè)碳環(huán)、1個(gè)胍基、6個(gè)羥基，在C-5和C-10位有一個(gè)與半醛糖內(nèi)酯連接的分開(kāi)的環(huán)，為氨基全氫喹唑啉型化合物[5]，被一些學(xué)者稱為“自然界最奇特的分子之一”。河豚毒素也是自然界發(fā)現(xiàn)的毒性較高的物質(zhì)之一，1 g河豚毒素的毒性是等量氰化物的1萬(wàn)倍，砒霜的1 250倍。河豚毒素的粗制品為棕黃色粉末，純品為無(wú)色晶體，無(wú)臭無(wú)味，不溶于乙醇、乙醚、苯等有機(jī)溶劑，微溶于水，易溶于稀酸溶液。理化性質(zhì)穩(wěn)定，在中性和酸性條件下對(duì)熱穩(wěn)定，240 ℃開(kāi)始碳化，但300 ℃以上也不分解。

2.2 河豚毒素作用機(jī)制

河豚毒素是典型的鈉離子阻斷劑，可高選擇性和高親和性地阻斷神經(jīng)興奮膜上鈉離子通道。TTX能夠與電壓門控鈉通道結(jié)合是由于胍基在生理pH下可以發(fā)生質(zhì)子化從而帶正電荷，與鈉離子通道側(cè)鏈上帶負(fù)電的羰基相互結(jié)合，從而阻止鈉離子進(jìn)入通道[6]。鈉離子受體至少有6個(gè)特異性靶分子結(jié)合位點(diǎn)，TTX是與鈉離子通道受體部位Ⅰ結(jié)合。TTX受體位于可興奮細(xì)胞膜外側(cè)、鈉通道外口附近，TTX與受體部位結(jié)合，阻礙鈉離子接近通道外口。研究表明，TTX特異性作用于鈉離子通道，對(duì)鉀、鈣離子通道和神經(jīng)肌肉的突觸及膽堿酯酶無(wú)直接影響，因此被作為確定鈉離子通道的首選化學(xué)標(biāo)記物，是研究鈉通道的重要工具藥[7]。此外，毒素能通過(guò)血腦屏障進(jìn)入中樞，對(duì)中樞產(chǎn)生明顯的抑制作用。單通道記錄結(jié)果顯示，鈉離子通道被河豚毒素阻斷是以一種全或無(wú)的方式，毒素和通道的比例關(guān)系是1∶1，即一個(gè)分子毒素堵塞一個(gè)鈉通道，并且其結(jié)合是可逆的，并與Na+、K+、Mg2+、Ca2+等帶正電荷的離子競(jìng)爭(zhēng)受體[8]。根據(jù)電壓門控鈉離子通道對(duì)河豚毒素（TTX）的敏感性，將其分為TTX敏感型（TTX-s）和TTX耐受型（TTX-r），分別介導(dǎo)著激活閾較低失活較快的快鈉電流和激活電壓高失活較慢的慢鈉電流。越來(lái)越多的研究表明，河豚毒素對(duì)鈉通道的影響可能是其鎮(zhèn)痛的機(jī)制[9]。而在VGSC家族中僅有6個(gè)TTX-s鈉離子通道成員（Nav 1.1～1.4，1.6，1.7）可以被TTX阻斷，其他的鈉離子通道亞型是TTX-r鈉離子通道，不能被TTX阻斷。

3 電壓門控TTX敏感型鈉離子通道及其在疼痛中的作用

3.1 電壓門控鈉離子通道結(jié)構(gòu)和功能

VGSCs是允許鈉離子快速流入的一種復(fù)雜的跨膜蛋白，也是離子通道超蛋白家族的成員之一，可興奮細(xì)胞中動(dòng)作電位的去極化上升也以此為基礎(chǔ)，在神經(jīng)元和非神經(jīng)元功能中發(fā)揮著重要作用。目前已有10種鈉離子亞型從哺乳動(dòng)物體內(nèi)被克隆出來(lái)，由于前9種亞型的氨基酸序列相似度很大，Nav1.1、Nav1.2和Nav1.3通道的同源性更是高達(dá)90%，因此被認(rèn)為來(lái)自同一家族，即Nav1（Nav1.1～Nav1.9）家族。第10個(gè)鈉離子通道的結(jié)構(gòu)（即NaⅩ）與Nav1家族中的所有通道明顯不同[10]，被認(rèn)為是一種不編碼VGSCs的相關(guān)蛋白。而Nav1家族中α-亞基是由4個(gè)同源結(jié)構(gòu)域組成，分別稱作DⅠ～DⅣ，電壓門控鈉離子通道的Ⅰ～Ⅲ三個(gè)結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)通道的打開(kāi)，Ⅳ則啟動(dòng)失活。每個(gè)同源結(jié)構(gòu)域含有6個(gè)跨膜α螺旋構(gòu)成，分別稱作S1～S6，其中S1～S4組成電壓感受結(jié)構(gòu)域，而且S4上含有豐富的堿性氨基酸殘基，與電壓感受功能相關(guān)，S5-S6之間有P連接，形成選擇性過(guò)濾器，與通道的離子選擇性有關(guān)[11]。

3.2 TTX敏感型鈉離子通道和疼痛的關(guān)系

在Nav1家族中，許多α-亞基都有特定的發(fā)育、組織或細(xì)胞分布。Nav1.4幾乎只在骨骼肌中表達(dá)[12]，使其不太可能參與疼痛狀態(tài)。Nav1.1、Nav1.2和Nav1.6可能在成人中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）神經(jīng)元中表達(dá)。盡管Nav1.2是主要的CNS亞型之一，在成人背根神經(jīng)節(jié)（DRG）的神經(jīng)元中也可檢測(cè)到，但在大多數(shù)情況下，這些細(xì)胞的表達(dá)量都很低[13]。Nav1.1、Nav1.6和Nav1.7在成人DRG的感覺(jué)神經(jīng)元上可以表達(dá)。Nav1.3主要在不成熟的神經(jīng)元中表達(dá)，通常在成人神經(jīng)元中含量很低[14]。然而，在一定條件下，成人神經(jīng)元上Nav1.3的表達(dá)上調(diào)，這可能在疼痛感覺(jué)中發(fā)揮作用[15]。在本綜述中，我們主要關(guān)注TTX能阻斷的、在疼痛中發(fā)揮作用的幾種敏感型鈉離子通道。

3.2.1 Nav1.1

Nav1.1在外周神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)廣泛表達(dá)。編碼Nav1.1 mRNA在大的直徑感覺(jué)神經(jīng)元中表達(dá)量最高，中直徑神經(jīng)元中表達(dá)量中等，小直徑神經(jīng)元中表達(dá)量低[16]。因而Nav1.1可能主要參與本體感受性傳遞。值得注意的是，DRG神經(jīng)元中大約有11%的Nav1.1 mRNA對(duì)IB4（一種小的非肽能的傷害感受神經(jīng)元標(biāo)記物）呈陽(yáng)性，這表明這些小直徑DRG神經(jīng)元中的Nav1.1可能參與傷害感受的傳導(dǎo)和調(diào)節(jié)。同樣，神經(jīng)系統(tǒng)中編碼Nav1.1的SCN1A基因突變與人類遺傳性癲癇綜合征和家族性偏癱偏頭痛有關(guān)，這提示著Nav1.1可能參與了偏頭痛的發(fā)生[17]。在第五脊髓神經(jīng)結(jié)扎（SNL）和坐骨神經(jīng)軸切開(kāi)術(shù)后，導(dǎo)致受損DRG中的Nav1.1蛋白的表達(dá)在一段時(shí)間內(nèi)顯著增加[18]，這說(shuō)明DRG中的Nav1.1可能參與了神經(jīng)性疼痛的誘導(dǎo)。在SNL和軸突切斷術(shù)模型中，Nav1.1表達(dá)增加的時(shí)間不同，提示Nav1.1蛋白的早期增加可能參與了神經(jīng)損傷引起的疼痛超敏反應(yīng)[19]。而既往的實(shí)時(shí)熒光定量PCR實(shí)驗(yàn)的研究則表明，在SNL損傷后的DRG中Nav1.1 mRNA表達(dá)水平反而下降[20]。

3.2.2 Nav1.2

Nav1.2是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要的電壓門控鈉離子通道主要亞型之一，它定位于樹(shù)突，無(wú)髓鞘的軸突和前髓鞘的軸突上[21]。雖然在早期發(fā)育階段，Nav1.2 mRNA表達(dá)水平是中等的，但在成人DRG中，其表達(dá)水平而非常低。Nav1.2 mRNA表達(dá)水平在大鼠神經(jīng)損傷后，腹后外側(cè)核的神經(jīng)細(xì)胞中并未改變[22]。在背根神經(jīng)元炎癥性疼痛的模型中，Nav1.2的表達(dá)水平并未變化，在周圍神經(jīng)損傷后其表達(dá)水平并未受影響和下降，在疼痛的人神經(jīng)瘤中沒(méi)有觀察到其表達(dá)的變化。此外，對(duì)外周神經(jīng)系統(tǒng)的研究普遍報(bào)道在這一水平下Nav1.2的信號(hào)很低。這種亞型似乎與疼痛無(wú)關(guān)。然而，Nav1.2最近被確認(rèn)為是介導(dǎo)椎板Ⅰ/Ⅱ脊髓神經(jīng)元的動(dòng)作電位放電的電壓門控鈉離子通道的主要亞型[23]。

3.2.3 Nav1.3

Nav1.3在發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛表達(dá)，但在成人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)中通常缺失或低水平表達(dá)，僅少量存在于交感神經(jīng)元中[24]。Nav1.3通道具有快速激活和失活的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，能夠在失活后快速恢復(fù)。有研究表明，當(dāng)外周神經(jīng)損傷后，背根神經(jīng)元中的Nav1.3的表達(dá)水平會(huì)上調(diào)，在神經(jīng)橫切和炎癥后其表達(dá)也會(huì)反復(fù)增加[24]。在脊髓損傷后，Nav1.3在多種感受傷害性脊髓背角神經(jīng)元中的表達(dá)水平均上升，這種上升與可能與這些感受傷害性神經(jīng)元的興奮性和疼痛有關(guān)。Nav1.3的反義敲除可減弱脊髓損傷動(dòng)物的脊髓背角神經(jīng)元生物興奮性和疼痛行為[25]。因此，Nav1.3的再表達(dá)可能在增加神經(jīng)元興奮性方面起著重要作用，從而導(dǎo)致神經(jīng)性疼痛、心房顫動(dòng)和脊髓損傷。然而Hains等[26]人發(fā)現(xiàn)鞘內(nèi)Nav1.3反轉(zhuǎn)錄降低了脊髓角神經(jīng)元的興奮性，減輕了與脊髓損傷和周圍神經(jīng)慢性縮窄性損傷（CCI）相關(guān)的疼痛的行為。

3.2.4 Nav1.6

Nav1.6可以在多種不同類型的神經(jīng)元中有表達(dá)，但主要外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的節(jié)點(diǎn)上表達(dá)。Nav1.6與其他TTX敏感型的鈉離子通道相似，也具有快速激活和失活的特性，但該通道從失活中能夠恢復(fù)的速度大約是Nav1.7通道的5倍[27]，表明Nav1.6在神經(jīng)元中的表達(dá)能夠維持更高的發(fā)射頻率。在培養(yǎng)DRG神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)，重組的Nav1.6通道可以產(chǎn)生很高的復(fù)活電流，并且在大鼠眶下神經(jīng)損傷模型中，在病灶近端Nav1.6通道的蛋白水平明顯升高，這暗示著在神經(jīng)性疼痛的情況下，疼痛可能會(huì)被Nav1.6通道快速運(yùn)輸?shù)街車K末，但這種增加是否參與了受損DRG神經(jīng)元的異常自發(fā)活動(dòng)性的產(chǎn)生還有待進(jìn)一步研究。

3.2.5 Nav1.7

Nav1.7是SCN9A編碼的跨膜蛋白，具有緩慢開(kāi)放和緩慢失活的特性。Cox等人[28]通過(guò)神經(jīng)學(xué)檢查巴西斯坦北部的缺乏功能性Nav1.7通道幾個(gè)家庭，結(jié)果表明：這些人雖然從未經(jīng)歷過(guò)疼痛，但是他們的聽(tīng)力、視覺(jué)、智力、本體的感覺(jué)、觸覺(jué)等都被認(rèn)為與正常人相同。Goldberg等人[29]對(duì)這些人的出汗、眼淚形成、血壓調(diào)節(jié)等方面也進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明這些對(duì)疼痛不敏感的人在這三項(xiàng)上也是正常的。Goldberg在這些對(duì)疼痛不敏感的患者中也發(fā)現(xiàn)了Nav1.7截?cái)嗤蛔儯C明了Nav1.7功能缺失會(huì)導(dǎo)致人群對(duì)疼痛不敏感。通過(guò)以上研究，發(fā)現(xiàn)了這些缺乏功能性Nav1.7通道的個(gè)體除了對(duì)疼痛完全不敏感外，其他方面表現(xiàn)出正常的狀態(tài)，因此以Nav1.7為靶點(diǎn)的藥物可能是理想的鎮(zhèn)痛藥。

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于鈉離子通道在疼痛形成中具有重要的作用，理論上以它們?yōu)榘悬c(diǎn)治療疼痛時(shí)可以減少許多副作用的產(chǎn)生，因此該通道可能是開(kāi)發(fā)新型鎮(zhèn)痛藥的理想靶點(diǎn)。而TTX對(duì)鈉離子通道的亞型具有選擇性、高親和力，它們通過(guò)與鈉離子通道上的受體部位Ⅰ結(jié)合而調(diào)節(jié)鈉離子通道的功能，并且該毒素和通道的比例關(guān)系是1∶1。因此，開(kāi)發(fā)這種阻滯劑藥物代表了疼痛治療的新希望。