離子通道在周圍神經(jīng)再生中的作用

崔永晨，張俊峰

(上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院麻醉科，上海 200233)

周圍神經(jīng)再生是指周圍神經(jīng)損傷后變性軸突和髓鞘被清除，再生微環(huán)境建立，受損神經(jīng)突起的再生長與神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)完整性和功能的重建，實現(xiàn)靶器官神經(jīng)重支配的過程。近年來，顯微外科技術(shù)的精準化、組織工程學的創(chuàng)新、周圍神經(jīng)局部解剖的進步以及對神經(jīng)損傷的病理生理學和分子基礎(chǔ)的更好理解，使轉(zhuǎn)化神經(jīng)生理學領(lǐng)域發(fā)生了決定性的飛躍，但臨床實踐中尚未有廣泛應(yīng)用的周圍神經(jīng)再生藥物輔助療法[1-3]。因此，研究和開發(fā)有效加速軸突再生的新治療方法或其他領(lǐng)域藥物的新嘗試十分必要。脊髓背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglion，DRG)是軀體初級感覺傳入的細胞體聚集處，負責接收來自軀體感受器的神經(jīng)沖動，當興奮到達時，細胞膜上的離子通道是神經(jīng)元動作電位產(chǎn)生和傳導的基礎(chǔ)[4]。周圍神經(jīng)損傷后，DRG上離子通道電流以及基因的表達隨時間發(fā)生了顯著變化，這種傷害感受性離子通道的變化與損傷早期神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生密切相關(guān)[5]，且在修復后期對神經(jīng)再生起至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)就近年來關(guān)于離子通道在周圍神經(jīng)損傷后的差異變化及其潛在作用予以綜述，以探究離子通道在周圍神經(jīng)再生過程中的作用。

1 鈣離子通道與周圍神經(jīng)再生

1.1鈣離子通道分類 電壓門控鈣離子通道(voltage-gated calcium channel，Cav)作為轉(zhuǎn)運鈣離子的蛋白質(zhì)載體，是神經(jīng)元產(chǎn)生可傳導電信號的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在神經(jīng)系統(tǒng)的病理生理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[6]。根據(jù)電壓依賴性Cav可分為兩大類：高電壓激活Cav和低電壓激活Cav，根據(jù)藥理學特點其又可分為Cav1(Cav1.1～1.4，統(tǒng)稱L型)、Cav2(Cav2.1-P/Q型，Cav2.2-N型，Cav2.3-R型)、Cav3(Cav3.1～3.3，統(tǒng)稱T型)，其中Cav1和Cav2屬于高電壓激活Cav，Cav3屬于低電壓激活Cav。

1.2鈣離子通道與周圍神經(jīng)損傷 周圍神經(jīng)損傷后，各型鈣電流的幅度以及Cav的表達在DRG上發(fā)生了顯著變化。有研究表明，周圍神經(jīng)損傷后血小板反應(yīng)蛋白-4水平的升高可能通過靶向鈣離子通道蛋白α2δ1亞單位降低DRG神經(jīng)元的高電壓和升高低電壓激活鈣電流，從而導致感覺神經(jīng)元興奮性的提高[7]。除了鈣電流的變化外，損傷后各型Cav的基因表達也具有顯著差異，并顯示出與電流變化相似的改變。有研究采用逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)監(jiān)測大鼠慢性縮窄損傷及軸切開術(shù)后DRG中Cavα1亞基基因的表達情況發(fā)現(xiàn)，兩種損傷均在7 d后出現(xiàn)不同程度的α1C(Cav1.2)、α1D(Cav1.3)亞單位基因下調(diào)[8]。同時有研究發(fā)現(xiàn)，周圍神經(jīng)損傷特異性上調(diào)小鼠DRG中的Gem，進而下調(diào)P/Q型鈣離子通道[9]。N型鈣離子通道也發(fā)生了類似情況，研究表明周圍神經(jīng)損傷后通過白細胞介素(interleukin，IL)-10下調(diào)DRG神經(jīng)元上的Cav2.2，而IL-1β過量能上調(diào)Cav2.2，進而增加未損傷神經(jīng)元的興奮性[10]。對于低電壓激活Cav，以往研究表明DRG神經(jīng)元中表達的T型鈣離子通道主要為Cav3.2[11]；另有研究顯示，周圍神經(jīng)損傷后受損DRG的中等大小神經(jīng)元Cav3.2蛋白表達增加，而未損傷DRG的Cav3.2蛋白表達沒有明顯變化[12]，這種變化可能與IL-6通過IL-6/可溶性IL-6受體復合物反式信號通路上調(diào)DRG神經(jīng)元Cav3.2 T型鈣離子通道的表達和功能有關(guān)[13]。上述鈣離子通道在周圍神經(jīng)損傷后電活動以及基因表達中發(fā)生的規(guī)律性變化，與損傷早期疼痛的產(chǎn)生密切相關(guān)，但在后期可能有助于神經(jīng)元再生的精確調(diào)節(jié)。

1.3鈣離子通道與周圍神經(jīng)再生 周圍神經(jīng)損傷后各型Cav表達的顯著差異為研究其與周圍神經(jīng)再生的相關(guān)性提供一個新的視角和有意義的參考。有學者在體外背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元軸突切斷術(shù)后20 min給予熒光二氫吡啶類拮抗劑觀察L型鈣離子通道并阻斷鈣離子流入，結(jié)果發(fā)現(xiàn)拮抗劑顯著抑制軸突再生，且損傷后5 min給藥對再生抑制最小，損傷后2 h或24 h給藥不抑制再生，而在損傷前20 min加入L型鈣離子通道激動劑發(fā)現(xiàn)損傷后24 h軸突再生長度增加[14]。這種嚴格時間依賴性的L型鈣離子通道阻斷或激動效應(yīng)證明，通過激活L型鈣離子通道以加強鈣離子流入對于軸突切斷術(shù)后再生必不可少[15]。P/Q型以及N型鈣離子通道也出現(xiàn)了類似情況。研究發(fā)現(xiàn)，在缺乏Cav2.1α1亞單位的雜合零突變小鼠慢性縮窄損傷模型中，突變小鼠表現(xiàn)出與年齡相關(guān)的P/Q型鈣離子通道早期缺失，以及與該型鈣離子通道缺失相關(guān)的施萬細胞增殖、坐骨神經(jīng)髓鞘和軸突再形成障礙[16]。在脊髓肌肉萎縮小鼠模型中，學者發(fā)現(xiàn)運動神經(jīng)元軸突生長的缺陷與由N型鈣離子通道下調(diào)介導的自發(fā)鈣離子瞬變頻率降低有關(guān)[17]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)T型鈣離子通道抑制劑阿米洛利能夠顯著阻斷有機磷復合物所誘導的細胞內(nèi)鈣水平和鈣蛋白酶活性的升高、神經(jīng)突起長度的縮短以及分化細胞數(shù)量、生長相關(guān)蛋白-43和突觸蛋白水平的降低[18]。這種根據(jù)周圍神經(jīng)損傷后鈣離子通道亞型變化差異的選擇性干預療法，對于周圍神經(jīng)再生機制的研究以及新治療方法的開發(fā)均具有重要意義。

2 鉀離子通道與周圍神經(jīng)再生

2.1鉀離子通道分類 鉀離子通道是通透特異性允許鉀離子通過質(zhì)膜的離子通道，廣泛分布于機體各種細胞中，在調(diào)節(jié)細胞，尤其是神經(jīng)細胞的膜電位和興奮性中起至關(guān)重要的作用，其結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)的變化與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生與發(fā)展有密切關(guān)系[19]。目前，比較公認的是將鉀離子通道分為四大類：電壓門控型鉀離子通道(voltage-gated potassium channel，Kv)(Kv1.x～12.x)、鈣離子激活型鉀離子通道(包括大電導激活型、中電導激活型、小電導激活型)、內(nèi)向整流型鉀離子通道(Kir1.x～7.x)以及雙孔鉀離子通道。

2.2鉀離子通道與周圍神經(jīng)損傷 周圍神經(jīng)損傷后，DRG神經(jīng)元中各類鉀離子通道的表達也發(fā)生了明顯改變。感覺神經(jīng)元表達多種類型的Kv，主要包括Kv1、Kv2、Kv3、Kv4、Kv7和Kv9，表達模式取決于神經(jīng)元亞型[20]。有研究顯示，坐骨神經(jīng)慢性縮窄損傷后DRG的Kvα基因表達下調(diào)，且這種基因表達差異與受損神經(jīng)元的放電異常之間存在某種聯(lián)系[21]。而在所有類型的Kv中，KCNA2基因表達的Kv1.2由于在大部分DRG神經(jīng)元中呈陽性以及其與神經(jīng)病理性疼痛的密切關(guān)系[22]，更受研究者的青睞。研究表明，周圍神經(jīng)損傷后DRG神經(jīng)元中的Kv1.2表達下調(diào)，并導致總Kv電流降低[21-23]。這種表達下調(diào)可能與周圍神經(jīng)損傷增加髓樣鋅指蛋白1(一種轉(zhuǎn)錄因子)的表達，并損傷DRG與Kv1.2反義RNA(一種長鏈非編碼RNA)基因啟動子結(jié)合使該反義RNA上調(diào)，進而增加損傷神經(jīng)元中DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3a的表達并誘導KCNA啟動子區(qū)甲基化有關(guān)[23-25]。此外，其他各類型Kv也有報道：坐骨神經(jīng)橫斷術(shù)后神經(jīng)營養(yǎng)因子的分泌下調(diào)了DRG神經(jīng)元Kv1.4、Kv4.2的表達[21]，而這種坐骨神經(jīng)斷裂損傷會誘導大鼠DRG神經(jīng)元Kv2快速、強烈且持久的轉(zhuǎn)錄下調(diào)[26]。同時有研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)損傷后鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶調(diào)節(jié)因子1的上調(diào)是鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶引起DRG神經(jīng)元中Kv3.4下調(diào)以及功能障礙的基礎(chǔ)[27]；也有研究表明，周圍神經(jīng)損傷通過轉(zhuǎn)錄抑制因子神經(jīng)元限制性沉默因子導致Kv4.3基因的表觀遺傳學沉默[28]，而阻遏因子1-沉默轉(zhuǎn)錄因子水平的升高是神經(jīng)病理性損傷抑制KCNQ2基因表達下調(diào)Kv7.2的可能機制[29]，Kv9.1在軸切開術(shù)后也出現(xiàn)了強烈且快速的表達下調(diào)，但它本身不具備功能性通道的特性，一般與Kv2.1發(fā)揮作用相關(guān)[30]。鈣離子激活型鉀離子通道是動作電位后超極化的基礎(chǔ)，因此也是神經(jīng)元放電模式的重要決定因素。當神經(jīng)損傷時，由于神經(jīng)營養(yǎng)因子的調(diào)控，人DRG神經(jīng)元的小電導鈣離子激活型和中電導鈣離子激活型鉀離子通道表達有所下降，這與受損神經(jīng)元復極化期動作電位時程延長所引起的電活動增加相一致[31]。在大鼠DRG神經(jīng)元中，脊神經(jīng)結(jié)扎后大電導激活型鉀離子通道的表達在基因和蛋白水平上均減少[32]。內(nèi)向整流型鉀離子通道具有內(nèi)向整流特性，在偏離鉀離子平衡電位相同距離的電壓下，負向偏離下通道的內(nèi)向電流要大于正向偏離下的外向電流，因此內(nèi)向整流型鉀離子通道是維持靜息電位和調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性的關(guān)鍵因素。在與周圍神經(jīng)損傷有關(guān)的內(nèi)向整流型鉀離子通道中，報道主要集中于Kir2.x、Kir3.x以及Kir6.x。研究表明，周圍神經(jīng)損傷后Kir2.1通道的阻斷通過增強甘氨酸能自發(fā)抑制性突觸后電流，從而提高神經(jīng)元興奮性[33]。Kir3或稱G蛋白門控內(nèi)向整流鉀離子通道(G protein gated inwardly rectifying K+channel，GIRK)，有研究發(fā)現(xiàn)，周圍神經(jīng)損傷后神經(jīng)元GIRK1和GIRK2的下調(diào)導致GIRK功能降低以及神經(jīng)元興奮性的增加[34]。Kir6又稱ATP敏感性鉀離子通道，周圍神經(jīng)損傷后DRG中的ATP敏感性鉀電流被抑制[35]，而這種抑制可能與鉀通道磺酰脲受體1和Kir6.2共結(jié)合亞單位顯著下調(diào)有關(guān)[36]。雙孔鉀離子通道的主要功能是通過支持背景鉀電流來維持超極化靜息膜電位，DRG神經(jīng)元表達多種亞型雙孔鉀離子通道，其中TREK1(TWIK-related K+channel 1)是研究比較徹底的雙孔鉀離子通道，其在神經(jīng)保護、麻醉、疼痛和抑郁的細胞機制中具有關(guān)鍵作用。研究表明，坐骨神經(jīng)慢性縮窄損傷后，逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)和蛋白印跡反應(yīng)均顯示DRG中TREK1表達顯著增加，這種增加可能與miR-183-5P表達下調(diào)有關(guān)[37-38]。上述DRG神經(jīng)元鉀離子通道功能和結(jié)構(gòu)的變化，可能揭示了一種抑制周圍神經(jīng)損傷后軸突過度興奮并促進神經(jīng)再生的保護機制。

2.3鉀離子通道與周圍神經(jīng)再生 周圍神經(jīng)損傷早期由髓感覺神經(jīng)元鉀離子通道表達差異所引起的神經(jīng)元興奮性增加與神經(jīng)病理性疼痛有關(guān)，但隨著時間的推移發(fā)現(xiàn)其可能在髓鞘再形成和軸突再生過程中扮演重要角色。有研究者使用一種裝載鉀通道阻滯劑——4-氨基吡啶的納米神經(jīng)導管治療坐骨神經(jīng)缺損的大鼠，結(jié)果表明4-氨基吡啶的持續(xù)輸送大大提高了神經(jīng)再生速度，且4-氨基吡啶劑量依賴性地增加了人類施旺細胞神經(jīng)生長因子、髓鞘蛋白0和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達[39]。此外，4-氨基吡啶促進神經(jīng)傳導速度恢復、加速髓鞘再形成以及增加損傷后軸突面積的效用也在小鼠坐骨神經(jīng)損傷模型中被證實[40-41]。鉀通道阻滯劑的使用以及基因缺失的相關(guān)研究證明，Kv能調(diào)節(jié)神經(jīng)節(jié)細胞生長錐介導的軸突延伸功能[42]，且Kv1在神經(jīng)發(fā)育的早期階段以及髓鞘再形成和再生過程中可能發(fā)揮重要作用[43]。有學者使用果蠅模型來研究神經(jīng)元軸突及其神經(jīng)肌肉接頭突觸的沃勒變性，結(jié)果表明Kir2.1活性增加(過表達)時神經(jīng)擠壓后遠端神經(jīng)殘端的退化被大大延遲，反之則退化加速[44]。這種組織工程技術(shù)和鉀離子通道阻滯劑的聯(lián)合應(yīng)用，解決了離子通道阻滯劑單獨使用難以持續(xù)釋放的問題，并保留了神經(jīng)導管對受損神經(jīng)組織進行形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的重建，以達到永久性替代的優(yōu)越性，為神經(jīng)損傷修復提供了一種多學科聯(lián)合治療策略。

3 鈉離子通道與周圍神經(jīng)再生

3.1鈉離子通道分類 電壓門控鈉離子通道(voltage-gated sodium channels，VGSCs)是心肌細胞、骨骼肌細胞和神經(jīng)元等可興奮細胞膜上廣泛分布的一類微孔跨膜蛋白，是神經(jīng)元產(chǎn)生興奮性以及發(fā)揮正常電生理功能所需的主要離子通道[4]。它主要由α和β亞基組成，根據(jù)其α亞基可分為Nav1.1～1.9和Nax10種亞型。根據(jù)鈉離子通道對神經(jīng)毒素河豚毒敏感性的差異又可進一步分為兩大類：河豚毒素敏感型(tetrodotoxin-sensitive，TTX-S)亞型，包括Nav1.1、Nav1.2、Nav1.3、Nav1.4、Nav1.6以及Nav1.7；河豚毒素不敏感型(tetrodotoxin-resistant，TTX-R)亞型，包括Nav1.5、Nav1.8以及Nav1.9。DRG作為感覺傳入的初級神經(jīng)元，表達多種VGSCs，主要有Nav1.1、Nav1.2、Nav1.3、Nav1.6、Nav1.7、Nav1.8以及Nav1.9。

3.2鈉離子通道與周圍神經(jīng)損傷 周圍神經(jīng)損傷導致的DRG神經(jīng)元過度興奮，在某種程度上與鈉電流以及鈉通道表達變化相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，軸切開術(shù)后10 d，DRG神經(jīng)元TTX-R鈉電流下降，TTX-S鈉電流升高，但興奮性不變[45]。軸切開術(shù)后4周，神經(jīng)元變得過度興奮，TTX-R鈉電流仍降低，但TTX-S鈉電流卻恢復到正常水平[45]。鈉通道表達也發(fā)生了類似變化，DRG神經(jīng)元VGSCsα亞基的基因表達及免疫組織化學結(jié)果顯示：坐骨神經(jīng)損傷后1周左右Nav1.3的表達顯著上調(diào)，Nav1.8和Nav1.9表達下調(diào)，變化持續(xù)一段時間后恢復至正常水平[46-47]。這種受損DRG神經(jīng)元中VGSCs表達從TTX-R向TTX-S表型的轉(zhuǎn)換與神經(jīng)損傷后早期的病理性疼痛行為平行發(fā)生，但在后期似乎與感覺神經(jīng)退化和再生過程更相關(guān)。

3.3鈉離子通道與周圍神經(jīng)再生 鈉電流及鈉通道在神經(jīng)損傷后發(fā)生的時間依賴性變化，表明神經(jīng)再生可能與電導改變導致的軸突興奮性變化和鈉通道表達存在某種聯(lián)系。有研究表明，DRG VGSCs基因的早期恢復先于受損無髓神經(jīng)纖維的功能恢復，且與軸突再生相關(guān)[48]。體外實驗發(fā)現(xiàn)，Nav1.7的功能增益突變與軸突退化和再生能力降低有關(guān)，使用鈉通道阻滯劑卡馬西平和反向鈉鈣交換阻滯劑可以改善這一情況[49]。體內(nèi)實驗卻發(fā)現(xiàn)，Nav1.9-/-小鼠的神經(jīng)元軸突長度急劇縮短[17]，且細胞實驗也證實了這一現(xiàn)象[50]，這表明Nav1.9功能是軸突生長所必需。然而，其他鈉離子通道在周圍神經(jīng)再生中的作用有待進一步探索。

4 小 結(jié)

周圍神經(jīng)損傷后，感覺神經(jīng)元上鈣離子通道、鉀離子通道以及鈉離子通道各亞型電流以及基因表達隨時間改變顯著。目前，研究者多將這種變化與神經(jīng)病理性疼痛聯(lián)系起來，僅有少量研究證實調(diào)控離子通道生物學功能以及基因表達水平有助于周圍神經(jīng)再生[20,51-52]。因此，未來研究者應(yīng)當將眼光聚焦于離子通道與周圍神經(jīng)再生這一領(lǐng)域，挖掘離子通道影響神經(jīng)再生的潛在機制，探討神經(jīng)再生過程中各種選擇性離子通道阻滯劑或激動劑、 神經(jīng)毒素以及局部麻醉藥等非選擇性阻滯劑或激動劑甚至是基因干預治療方案的可行性，從而為促進周圍神經(jīng)再生提供新靶點。