鉀離子通道-鎮(zhèn)痛藥物作用的新靶點(diǎn)

洪江茹，仇婕，徐秀琦，劉文濤，張廣欽

(1.中國(guó)藥科大學(xué)臨床藥學(xué)教研室，江蘇 南京 211198；2.南京醫(yī)科大學(xué)江蘇省神經(jīng)退行性疾病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211166)

疼痛是一種生理狀態(tài)，可促進(jìn)對(duì)有害事件的保護(hù)反應(yīng)。但是，疼痛可能會(huì)作為病理生理因素，變成慢性破壞性疾病，從而損害生活質(zhì)量。神經(jīng)元過度興奮是導(dǎo)致自發(fā)性和誘發(fā)性疼痛的主要原因。而神經(jīng)元興奮又與離子通道有著密不可分的聯(lián)系。鉀通道作為已知神經(jīng)元中數(shù)目最多，分布最廣，種類最多，作用最復(fù)雜的一類離子通道，在調(diào)節(jié)神經(jīng)元和其他興奮性細(xì)胞的靜息膜電位與動(dòng)作電位起到重要作用[1]。因此，近年來鉀通道被視為鎮(zhèn)痛藥物作用的新靶點(diǎn)。本文主要介紹鉀通道在疼痛中的調(diào)節(jié)作用以及作用于鉀通道的鎮(zhèn)痛藥物的研究進(jìn)展。

1 鉀通道與疼痛信號(hào)

疼痛信號(hào)傳遞和處理依賴初級(jí)傳入神經(jīng)纖維離子通道的活性，而初級(jí)傳入神經(jīng)元的電活動(dòng)主要是受脊髓背角神經(jīng)元(DRG)釋放的遞質(zhì)(如P物質(zhì)、谷氨酸等)和離子通道(包括鈉、鉀和鈣等通道)的制約[2]。鉀通道對(duì)神經(jīng)元興奮性的影響始于周圍的傷害感受末端，通過影響靜息電位和動(dòng)作電位閾值來調(diào)節(jié)放電[3]。

在脊髓背角神經(jīng)元初步整合后，經(jīng)過上行通路進(jìn)入中樞的高級(jí)部位，中樞神經(jīng)各級(jí)水平的調(diào)整，痛覺被感知或受抑制。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，K+通道的開放可能會(huì)導(dǎo)致痛覺增強(qiáng)。中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)神經(jīng)元是內(nèi)源性痛覺控制系統(tǒng)中的重要位點(diǎn)，接受脊髓纖維傳入的沖動(dòng)信號(hào)[4]，而目前已有許多類型的鉀通道可以調(diào)節(jié)傷害感受。

2 鉀離子通道的分類

根據(jù)每個(gè)亞基跨膜區(qū)域的數(shù)量及其生理和藥理學(xué)特征將通道分為多個(gè)家族。根據(jù)結(jié)構(gòu)和生理特性，鉀離子通道可分為4種不同的類型，即：電壓門控性鉀通道(Kv)、內(nèi)向整流型鉀通道(Kir)、雙P區(qū)型鉀通道(K2P)以及鈣激活型鉀離子通道(KCA)[5]。

2.1 電壓門控型鉀離子通道 Kv通道是由功能性α亞基和輔助性β亞基組成的亞家族特異性四聚體，具有6個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域(TMD)S1～S6，分別為電壓感受器區(qū)域(S1～S4)和由S5和S6之間的凹角環(huán)形成的孔[6]。根據(jù)蛋白質(zhì)整個(gè)疏水核心的氨基酸序列，電壓門控型鉀通道可分為12個(gè)Kv通道亞家族，共有40個(gè)獨(dú)特的Kv通道亞基。Kv通道在神經(jīng)元細(xì)胞膜中的豐富性和特異性分布受多種分子機(jī)制的調(diào)控[5]，是神經(jīng)元放電頻率和尖峰持續(xù)時(shí)間的關(guān)鍵決定因素，其活動(dòng)的減少導(dǎo)致尖峰頻率和尖峰持續(xù)時(shí)間增加，以及尖峰閾值降低，從而導(dǎo)致整個(gè)細(xì)胞膜過度興奮[1]。神經(jīng)損傷會(huì)導(dǎo)致Kv電流減少，興奮過度和痛覺過敏[7]。在這里主要描述Kv 1家族、Kv 4家族與Kv 7家族與疼痛相關(guān)的機(jī)制以及藥物靶點(diǎn)。

2.1.1 Kv 1家族 在神經(jīng)元中，Kv1(KCNA)通道主要位于軸突和神經(jīng)末梢[5]。文獻(xiàn)報(bào)道，在Kv1家族中，Kv1.1和Kv1.2在疼痛傳遞中起到較大的作用。例如，在正常大鼠的DRG中，Kv1.1和Kv 1.2 亞單位的mRNA高度表達(dá)，而在軸突切開術(shù)后， Kv1家族亞單位(Kv1.1、1.2、1.3和1.4)的mRNA水平都顯著降低了[8]。

然而Kv1家族的各個(gè)亞單位中與疼痛相關(guān)的機(jī)制不盡相同。有研究表明，機(jī)械敏感鉀電流與Kv1.1～Kv1.2異聚體有關(guān)。干擾Kv1.1通道的表達(dá)會(huì)引起嚴(yán)重的機(jī)械異常性疼痛，但不引起熱痛覺過敏。這說明Kv1.1通道是機(jī)械敏感性的主要感受部位[9]。敲除Kv1基因小鼠對(duì)有害刺激的敏感性明顯增加。缺少Kv1.1鉀通道亞基基因的突變小鼠降低熱刺激實(shí)驗(yàn)閾值[10]。Kv1.2的表達(dá)水平在初級(jí)感覺神經(jīng)元之間受到不同的調(diào)節(jié)，并表明Kv1.2蛋白在感覺傳導(dǎo)中起著至關(guān)重要的作用[11]。Kv1.2敲除可能使靜息膜電位發(fā)生去極化，降低動(dòng)作電位的閾值，以及增加DRG神經(jīng)元中動(dòng)作電位的數(shù)量并產(chǎn)生神經(jīng)性疼痛的癥狀[12]。另外，研究發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞中Kv1.3的調(diào)節(jié)可能導(dǎo)致某些疾病的免疫反應(yīng)發(fā)生重要變化。雙氯芬酸能夠通過特異性降低Kv1.3的表達(dá)損害巨噬細(xì)胞的活化和遷移，發(fā)揮其抗炎作用[13]。此結(jié)果為針對(duì)與炎癥和疼痛相關(guān)的自身免疫性疾病提供新的治療思路。Kv1.4亞基的表達(dá)也與膀胱炎大鼠的膀胱傳入神經(jīng)元興奮性相關(guān)。有實(shí)驗(yàn)認(rèn)為膀胱炎癥通過減少Kv1.4亞基的表達(dá)而增加了膀胱傳入神經(jīng)元的興奮性[14]。

2.1.2 Kv 7家族 神經(jīng)元Kv7通道(KCNQ)主要位于軸突前端。Kv7基因編碼5種亞基：Kv7.1～Kv7.5[5]。其中Kv7.2～Kv7.5在神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)。在細(xì)胞處于接近靜息電位與動(dòng)作電位激發(fā)閾值之間的狀態(tài)時(shí)，Kv7通道可影響靜息膜電位，并有助于穩(wěn)定神經(jīng)元興奮性并限制重復(fù)放電。在神經(jīng)元中，大多數(shù)M通道是由Kv7.2、Kv7.3和Kv7.5的同聚或異聚結(jié)合形成的[15]，是已知的一種在多種中樞和周圍神經(jīng)元中調(diào)節(jié)興奮性的K+通道。

傷害感受神經(jīng)元中的M通道抑制作用增強(qiáng)會(huì)使M電流減少，導(dǎo)致緩慢的去極化，興奮性增強(qiáng)，并引起中等程度的疼痛[16-18]。大量研究表明，感覺神經(jīng)元中M電流的增加具有鎮(zhèn)痛作用。目前已有M通道開放劑用于治療疼痛[16-17，19]。

2.2 內(nèi)向整流型鉀離子通道 內(nèi)向整流型鉀通道有兩個(gè)TMD和一個(gè)孔[6]，分為7個(gè)亞家族(Kir1～7)，包括15個(gè)亞單位[5]。其又可分為典型的 Kir通道(Kir2.x)、G蛋白門控Kir通道(Kir3.x)、ATP敏感鉀通道(Kir6.x)、和鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)通道(Kir1.x、Kir4.x、Kir5.x和Kir7.x)[20]。內(nèi)向整流鉀離子通道在神經(jīng)元興奮性，膜電位和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)過程中起重要作用[21]。

2.2.1 G蛋白門控Kir通道(GIRK通道) GIRK通道由GIRK 1～5個(gè)亞單位組成,主要分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，疼痛與GIRK通道密切相關(guān)，激活的GIRK通道在疼痛信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)中可抑制神經(jīng)元沖動(dòng)的發(fā)放，從而減弱疼痛信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)[4]。

GIRK通道與阿片類介導(dǎo)的鎮(zhèn)痛作用、化療疼痛以及抗糖尿病神經(jīng)痛有關(guān)[22-25]。在內(nèi)源性或外源性阿片樣物質(zhì)刺激阿片受體后，GIRK通道激活，隨即鉀離子外流使膜電位超極化，神經(jīng)元興奮性抑制，并阻礙了傷害性傳遞[20]。有動(dòng)物研究表明，GIRK1和GIRK2基因均可影響疼痛和阿片類鎮(zhèn)痛反應(yīng)。GIRK1基因敲除和GIRK2基因敲除小鼠在甩尾試驗(yàn)中表現(xiàn)出熱痛覺過敏，增加熱傷害感受，且對(duì)兩種小鼠進(jìn)行鞘內(nèi)注射劑量較高的嗎啡，鎮(zhèn)痛反應(yīng)減弱[26]。在奧沙利鉑誘導(dǎo)的神經(jīng)病變模型中，嗎啡激動(dòng)劑的抗痛覺作用可能需要激活GIRK1通道來完成[24]。而在化療藥物誘發(fā)的外周神經(jīng)病理性疼痛模型中，發(fā)現(xiàn)DRG 神經(jīng)元中Kir1.1和Kir3.4基因表達(dá)下調(diào)，而Kir3.1基因的表達(dá)上調(diào)[23]，而腦室注射GIRK1通道阻滯劑托肽品Q的大鼠痛閾也顯著降低[24]。因此我們可推斷GIRK通道在化療痛的發(fā)展中確實(shí)發(fā)揮著重要作用。而右美托咪定是通過作用于GIRK通道來治療大鼠糖尿病神經(jīng)痛。鞘內(nèi)注射右美托咪定后，GIRK通道開放，引起細(xì)胞膜超級(jí)化，降低神經(jīng)元過度興奮的擴(kuò)散，從而產(chǎn)生鎮(zhèn)痛作用[25]。

2.2.2 ATP敏感鉀通道(KATP通道) ATP敏感性鉀離子通道存在于中樞神經(jīng)元和脊髓，是一個(gè)雜八聚體復(fù)合物，包含兩個(gè)亞基：孔形成亞基Kir6.x(Kir6.1或Kir6.2)和SUR(一種磺酰脲類受體的調(diào)節(jié)性亞基)[27]，調(diào)節(jié)膜興奮性、參與神經(jīng)遞質(zhì)的釋放和神經(jīng)保護(hù)。目前認(rèn)為KATP通道在疼痛傳導(dǎo)中起著一定的作用，可作為治療靶點(diǎn)。

目前一些臨床前證據(jù)表明，KATP通道可能在偏頭痛的病理生理中起重要作用。推測(cè)其可能是KATP通道的血管舒張作用，因?yàn)橐鹌^痛發(fā)作的內(nèi)源性神經(jīng)遞質(zhì)通常與顱動(dòng)脈擴(kuò)張有關(guān)[28]。也有研究認(rèn)為，KATP通道可能在脊髓上水平參與疼痛信號(hào)調(diào)控。例如，在大鼠的疼痛模型中，脊髓里的Kir6.1、Kir6.2亞基的表達(dá)水平都明顯降低，可能有助于機(jī)械性超敏反應(yīng)的發(fā)生[21]。

2.2.3 其他 Kir2.1 屬于典型的內(nèi)向整流型鉀離子通道，在外周神經(jīng)系統(tǒng)、大腦、骨骼肌等組織均有分布，主要作用是維持細(xì)胞靜息膜電位和調(diào)節(jié)細(xì)胞興奮性。將攜帶Kir2.1基因的腺病毒注射到大鼠第四腰椎的DRG內(nèi)，誘導(dǎo)Kir2.1蛋白表達(dá)，可減輕慢性背根神經(jīng)節(jié)壓迫模型的機(jī)械性痛覺過敏[29]。感覺神經(jīng)節(jié)中衛(wèi)星膠質(zhì)細(xì)胞的Kir4.1亞基沉默會(huì)誘發(fā)行為性痛覺過敏。炎癥抑制了三叉神經(jīng)節(jié)中衛(wèi)星膠質(zhì)細(xì)胞的Kir4.1電流，破壞了神經(jīng)膠質(zhì)里的鉀穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致三叉神經(jīng)痛。因此，三叉神經(jīng)節(jié)中的Kir4.1通道可能是治療三叉神經(jīng)炎性疼痛的新分子靶標(biāo)[30]。

2.3 雙P區(qū)型鉀通道 雙P區(qū)型鉀通道由4-TMD亞基的二聚體形成的，每個(gè)亞基具有兩個(gè)獨(dú)立的成孔環(huán)[6]。K2P通道分為15個(gè)亞家族[5]，包括TWIK、TREK、TASK、TALK、THIK和TRESK 6個(gè)亞型。雙P 區(qū)型鉀通道負(fù)責(zé)神經(jīng)元細(xì)胞的泄漏電流，可調(diào)節(jié)初級(jí)傳入纖維的興奮性，從而調(diào)節(jié)疼痛信號(hào)。在炎癥條件下，K2P通道的幾種亞型表達(dá)減少，從而引起過度興奮[31]。再者，突觸前定位的TRESK或TREK通道的活性增強(qiáng)將限制興奮性神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，而突觸后TRESK或TREK通道的激活將使感覺神經(jīng)元的膜超極化并降低疼痛通路中的神經(jīng)元活性，從而通過使有害刺激物去極化來抵消興奮，激活如感覺興奮性離子通道[32]。

2.3.1 TRESK通道 TRESK通道在先兆性偏頭痛，炎癥性疼痛和神經(jīng)病理性疼痛中起關(guān)鍵作用。TRESK通道發(fā)生異常時(shí)，三叉神經(jīng)節(jié)過度興奮，激活疼痛傳導(dǎo)通路，觸發(fā)疼痛[33]。軸突損傷導(dǎo)致TRESK通道下調(diào)，從而導(dǎo)致神經(jīng)元過度興奮，引起神經(jīng)病理性疼痛[34]。Zhou等[35]通過鞘內(nèi)注射TRESK基因重組腺病毒，使選擇性神經(jīng)損傷模型大鼠背根神經(jīng)節(jié)中TRESK的 mRNA表達(dá)上調(diào)。他們認(rèn)為TRESK可能與神經(jīng)性疼痛中膠質(zhì)細(xì)胞的興奮機(jī)制有關(guān)。TRESK通過減輕脊髓中星形膠質(zhì)細(xì)胞的活性，從而減輕了神經(jīng)損傷大鼠的神經(jīng)性疼痛。

2.3.2 TREK-1與TRAAK通道 TREK和TRAAK通道在周圍神經(jīng)系統(tǒng)中分布廣泛。 它們?cè)隗w感神經(jīng)元中具有高水平表達(dá)。許多研究表明，TREK-1與TRAAK在疼痛的發(fā)生發(fā)展中起到關(guān)鍵性作用[32]。TREK-1通道已被鑒定為參與傷害感受器敏化的分子傳感器[36]。有趣的是，TREK1通道與TRAAK都具有溫度敏感性，且都對(duì)細(xì)胞外pH的變化敏感[37]。這可能與奧沙利鉑引起的冷超敏性有關(guān)[38]。奧沙利鉑可大量減少TREK-1和TRAAK通道的表達(dá)并增加促進(jìn)興奮的通道表達(dá)來促進(jìn)過度興奮性。

2.4 鈣離子依賴的鉀離子通道 鈣離子激活鉀通道具有類似于Kv的6-TMD結(jié)構(gòu)，某些亞基帶有一個(gè)額外的TMD(S0)。 KCa通道存在擴(kuò)展羧基末端隱匿的調(diào)控區(qū)域[6]。KCa是一種依賴細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高而激活的鉀通道，可根據(jù)其電導(dǎo)率的大小分為3 種類型，分別是大電導(dǎo)鈣離子激活鉀通道(KCa1.1)、中電導(dǎo)鈣離子激活鉀通道(KCa3.1)、小電導(dǎo)鈣離子激活鉀通道(KCa2.1～2.3)[5]。KCa通道是動(dòng)作電位后超極化后的重要決定因素，因此也是神經(jīng)元放電模式的重要決定因素。目前與疼痛關(guān)系最密切的是大電導(dǎo)鈣激活鉀離子通道。

2.4.1 大電導(dǎo)鈣激活鉀離子通道(BKCa 通道) BKCa 通道廣泛存在于多種器官和組織，功能多樣，在調(diào)節(jié)可興奮細(xì)胞，包括神經(jīng)細(xì)胞動(dòng)作電位的復(fù)極和發(fā)放頻率、細(xì)胞膜興奮性以及平滑肌細(xì)胞收縮性、神經(jīng)遞質(zhì)釋放等中起重要作用。

有文獻(xiàn)認(rèn)為，BKCa通道可作為治療神經(jīng)病理性神經(jīng)痛的靶點(diǎn)之一[39]。研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)損傷大鼠的DRG中BKCa通道的表達(dá)被抑制，其mRNA和蛋白水平均顯著降低，這可能有助于感覺神經(jīng)元的興奮性增加。也有研究發(fā)現(xiàn)，BKCa通道的開放有助于三氯乙醛和乙醇的鎮(zhèn)痛作用[40]。

2.4.2 小電導(dǎo)鈣激活鉀離子通道(SKCa 通道) SKCa通道廣泛分布于哺乳動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)中，可以根據(jù)其基因編碼(KCNN1、KCNN2 和KCNN3)產(chǎn)物分成SKCa1、SKCa2、SKCa3 三個(gè)亞型[41]。

目前關(guān)于SKCa通道的表達(dá)在感覺信息傳遞和神經(jīng)性疼痛的發(fā)展中的作用尚不明確[1，42]。有研究認(rèn)為，SKCa通道具有調(diào)節(jié)感覺傳遞的作用，其中介導(dǎo)感覺反應(yīng)的主要是SKCa3通道。另外，Bahia等[42]還通過鞘內(nèi)注射試劑來觀察大鼠反應(yīng)，結(jié)果表明，當(dāng)加入選擇性SKCa通道阻滯劑UCL 1848，則對(duì)自然誘發(fā)的傷害性和非傷害性刺激的神經(jīng)元反應(yīng)增加；而1-EBIO增加SKCa通道活性時(shí)，機(jī)械刺激引起的神經(jīng)元反應(yīng)受到抑制，且該現(xiàn)象可被UCL 1848的使用逆轉(zhuǎn)。這說明增加SKCa通道活性能夠減少機(jī)械刺激導(dǎo)致的傷害感受性感覺的傳入。此外有實(shí)驗(yàn)研究了SKCa通道在疼痛中的作用[41]：持續(xù)給予小鼠皮下注射低劑量嗎啡，觀察到脊髓SKCa2 通道蛋白表達(dá)降低，誘發(fā)了小鼠機(jī)械痛、熱痛和內(nèi)臟痛等痛覺過敏現(xiàn)象，這表明SKCa2 通道與疼痛有相關(guān)性。

3 以鉀通道為靶點(diǎn)的藥物

目前研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)疼痛病理模型均導(dǎo)致鉀電流的減少。因此，鉀通道開放劑被作為治療疼痛的藥物，臨床開發(fā)的藥物也以鉀通道開放劑為主。

研究Kv7 通道的開放劑主要治療癲癇和神經(jīng)性疼痛等疾病。已經(jīng)上市的僅有瑞替加濱，可有效減輕神經(jīng)性疼痛。也有公司提出雙雜環(huán)化合物咪唑并吡啶、咪唑并噠嗪和咪唑并嘧啶類化合物可作為KCNQ通道調(diào)節(jié)劑，部分化合物表現(xiàn)出了較好的抗驚厥和抗神經(jīng)性疼痛活性[43]。

選擇性神經(jīng)元鉀通道開放劑氟吡汀(Flupirtine)可通過激活內(nèi)向整流鉀離子通道，同時(shí)調(diào)整鉀離子外流，能夠穩(wěn)定細(xì)胞膜電位，阻斷疼痛沖動(dòng)的傳導(dǎo)。馬來酸氟吡汀治療慢性腰背痛有較好的前景，可作為治療慢性腰背痛的一線用藥[44]。右美托咪定通過上調(diào)背根神經(jīng)節(jié) GIRK1表達(dá)減輕大鼠糖尿病神經(jīng)痛[25]。

臨床試驗(yàn)表明，KATP通道開放劑吡那地爾與噻嗪類藥物合用可以消除頭痛的副作用[45]。KATP鉀離子通道開放劑也是近年來出現(xiàn)的新型心血管類藥物。KATP開放劑，如煙浪丁(NCR)，對(duì)于各種類型的心絞痛都有一定的療效[46]。煙浪丁還可以抑制丘腦束旁核的傷害性痛放電，有助于脊髓抗痛效應(yīng)[47]。此外，KATP 通道也可作為術(shù)后疼痛治療的有效靶點(diǎn)[48]。鞘內(nèi)注射吡那地爾可減輕痛覺過敏的現(xiàn)象，而鞘內(nèi)注射 KATP通道阻斷劑格列本脲可明顯降低大鼠的觸覺退縮閾值，加重疼痛[21]。

目前研究發(fā)現(xiàn)，全身麻醉藥就是通過激活雙孔鉀通道的某些亞型來達(dá)到鎮(zhèn)靜催眠的作用[49]。另外，TRESK通道的過度表達(dá)能降低初級(jí)傳入神經(jīng)元的興奮性，從而表現(xiàn)出鎮(zhèn)痛作用，因此強(qiáng)效和特定的TRESK特異性通道開放劑可用于治療偏頭痛和其他慢性疼痛癥狀[50]。

鞘內(nèi)注射特定的BKCa通道激活劑NS1619劑量依賴性地減少了神經(jīng)結(jié)扎大鼠的機(jī)械性異常性疼痛和痛覺過敏。選擇性BKCa通道阻滯劑埃博毒素的預(yù)處理消除了NS1619的作用[51]。鞘內(nèi)注射SKCa 通道激動(dòng)劑1-EBIO可增高脊髓SKCa2 通道蛋白表達(dá)，進(jìn)而阻斷機(jī)械痛、熱痛和內(nèi)臟痛敏[41]。

4 結(jié)語與展望

總之，鉀離子通道是所有離子通道家族中最多樣化的，而多種類型的鉀通道又都與疼痛相關(guān)，大多是由于其表達(dá)或功能水平下降導(dǎo)致痛覺過敏現(xiàn)象的發(fā)生。因此鉀通道被作為治療疼痛的新靶點(diǎn)，這意味著我們需要開發(fā)出具有高選擇性靶向性開放劑。雖然將鉀通道作為治療疼痛的靶點(diǎn)還有很長(zhǎng)的路要走，但不可否認(rèn)的是，鉀通道開放劑具有很大的治療潛力。