超聲神經(jīng)調(diào)控鉀通道治療疼痛的研究進(jìn)展

應(yīng)育娟 黃 燕 鄭元義

神經(jīng)性疼痛，臨床難以治愈，主要是因其機(jī)制尚未完全清楚，但神經(jīng)性疼痛與神經(jīng)細(xì)胞超興奮性引起的外周敏化和中樞敏化關(guān)系密切，在人類基因組存在的215個(gè)離子通道中，有85個(gè)離子通道與疼痛有較多的聯(lián)系［1-2］。背根神經(jīng)節(jié)（dorsal root ganglion，DRG）神經(jīng)元是神經(jīng)性疼痛發(fā)生和維持的主要解剖部位［3］，且其鉀離子通道與動(dòng)作電位的放電頻率和由此產(chǎn)生的神經(jīng)元活動(dòng)有著密不可分的聯(lián)系，可見(jiàn)鉀離子通道是治療疼痛的很好的靶點(diǎn)［4］。臨床上治療慢性神經(jīng)性疼痛的方法主要有藥物、神經(jīng)阻滯、脈沖射頻和電刺激治療等，但療效未能完全令人滿意，且存在多種并發(fā)癥。因此尋求一種新的無(wú)創(chuàng)且精準(zhǔn)治療神經(jīng)性疼痛的方法仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。超聲具有無(wú)輻射、經(jīng)濟(jì)、價(jià)廉等優(yōu)勢(shì)，目前已用于消融實(shí)體腫瘤和治療軟組織疼痛，基于超聲的神經(jīng)調(diào)控也擁有良好的發(fā)展前景。短時(shí)間的超聲暴露可以通過(guò)調(diào)控離子通道影響神經(jīng)元興奮性，進(jìn)而影響大腦活動(dòng)而無(wú)明顯的神經(jīng)損傷，可用于治療癲癇、焦慮、偏頭痛等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病［5］。超聲神經(jīng)調(diào)控是一種治療中樞及外周神經(jīng)性疼痛很有潛力的方法。疼痛的發(fā)生與體內(nèi)不同部位的離子通道（如鈉、鉀、鈣通道）開(kāi)閉密切相關(guān)，基于目前超聲的神經(jīng)調(diào)控研究越來(lái)越多，本文將研究較多且與疼痛相關(guān)的電壓依賴性的鉀離子通道（Kv）和雙孔鉀離子通道（K2p）作為靶點(diǎn)的可能機(jī)制及研究現(xiàn)狀綜述如下。

一、疼痛相關(guān)的鉀離子通道

鉀離子通道，亞型多，幾乎遍及全身組織，其在神經(jīng)元興奮性及維持細(xì)胞靜息電位等中均具有重要作用［6-7］。根據(jù)其生物和藥理特性的不同可分為4類：電壓依賴性的Kv、鈣離子依賴的鉀離子通道（Kca）、內(nèi)向整流型鉀離子通道（Kir）和K2p。Kv家族包括12個(gè)成員（Kv1.x～Kv12.x）［7］；K2p通道可以分為6類，即弱內(nèi)向整流鉀通道（TWIK）、TWIK相關(guān)的鉀通道（TREK）、TWIK相關(guān)的酸敏感鉀通道（TASK）、TWIK相關(guān)的堿激活鉀通道（TALK）、TWIK相關(guān)的脊髓鉀通道（TAESK）、可被氟醚抑制的雙孔鉀通道（THIK），其中，TREK-1、TREK-2和TRAAK是DRG神經(jīng)元的主要背景電流［6］。

1.Kv：A型Kv通道是中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元興奮性的重要調(diào)控因子，它包括Kv1.4、Kv3.4、Kv4.1、Kv4.3和Kv4.2，DRG神經(jīng)元的A型Kv通道與持續(xù)型疼痛敏化緊密相關(guān)［8］。研究［9］表明在結(jié)扎大鼠第5腰椎脊髓神經(jīng)后，受損的有髓A類纖維的神經(jīng)元Kv電流密度會(huì)減少，其中Kv4.1和A型Kv通道電流同步變化，而膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子可以通過(guò)調(diào)控Kv4.1表達(dá)逆轉(zhuǎn)大鼠的超興奮性，減少受損A纖維的自發(fā)放電，提示了Kv4.1是特異性調(diào)控神經(jīng)性疼痛的重要靶點(diǎn)。Kv電流密度減少時(shí)，可以促進(jìn)疼痛發(fā)生發(fā)展。研究［2］表明，Kv9.1功能障礙可促使對(duì)冷刺激不敏感的神經(jīng)纖維向敏感方向轉(zhuǎn)化，觸發(fā)A類纖維的自發(fā)放電，介導(dǎo)外周性神經(jīng)性疼痛的機(jī)械性感覺(jué)異常，這可能與Kv通常提供興奮性抑制有關(guān)。隨著疼痛的發(fā)生發(fā)展，大多數(shù)神經(jīng)損傷后會(huì)經(jīng)歷神經(jīng)元過(guò)度興奮和動(dòng)作電位恢復(fù)至正常水平的過(guò)程，有髓鞘的感覺(jué)軸突Kv1通道的分子組成和分布會(huì)不斷發(fā)生相應(yīng)變化，從而抑制神經(jīng)損傷后的過(guò)度興奮產(chǎn)生相應(yīng)保護(hù)機(jī)制［1］。研究［10］表明，神經(jīng)損傷誘導(dǎo)的表觀遺傳變化在啟動(dòng)和維持慢性疼痛中也有一定作用。當(dāng)周圍神經(jīng)損傷出現(xiàn)神經(jīng)性疼痛時(shí)，DRG神經(jīng)元的DNMA3a增加，下游Kv2降低，細(xì)胞興奮性升高，促進(jìn)疼痛敏化［11］；神經(jīng)損傷后，DRG的MZF1轉(zhuǎn)錄因子增多，促進(jìn)K1.2的反義RNA生成，降低K1.2 mRNA和蛋白表達(dá)［12］。慢性壓迫性損傷大鼠模型中HDAC2通過(guò)調(diào)節(jié)Kv1.2的表達(dá)參與疼痛反應(yīng)［13］。另外，有研究［10］認(rèn)為DRG神經(jīng)元中的G9a是參與神經(jīng)損傷后由急性疼痛向慢性疼痛轉(zhuǎn)變的重要表觀遺傳學(xué)調(diào)控因子；G9a可使H3K9me2增加，抑制DRG神經(jīng)元鉀通道的表達(dá)，反之使用G9a和HDAC抑制劑聯(lián)合治療可以恢復(fù)因神經(jīng)損傷而減少的部分Kv電流，可明顯改善痛覺(jué)過(guò)敏。

2.K2p：TREK-1、TREK-2和TRAAK是DRG神經(jīng)元主要的背景電流［3］，TREK是普遍應(yīng)用的揮發(fā)性麻醉如異氟醚和氟烷藥品的主要靶點(diǎn)［7］。在生理?xiàng)l件下，TREK-2在維持神經(jīng)元靜息電位中的作用更大，而在神經(jīng)性疼痛中TREK-1的作用可能更大［14-15］。TREK-1廣泛分布在肽類及非肽類神經(jīng)元，感知多種刺激導(dǎo)致的疼痛［14］。TREK-1在突觸前和突觸后神經(jīng)元中均有表達(dá)，麻醉劑神經(jīng)保護(hù)劑等可以通過(guò)該受體發(fā)揮麻醉、鎮(zhèn)痛、神經(jīng)保護(hù)等作用。在星形膠質(zhì)細(xì)胞中，疼痛時(shí)G蛋白偶聯(lián)受體激活，影響TREK-1介導(dǎo)的快速谷氨酸釋放［7］。利魯唑作為TREK-1鉀通道靶向激活劑，可以明顯緩解奧沙利鉑化療藥物導(dǎo)致的神經(jīng)性毒性作用，提高小鼠疼痛刺激的閾值［16］。調(diào)節(jié)TREK-1通道可能對(duì)神經(jīng)性疼痛患者具有一定的鎮(zhèn)痛作用。然而，在慢性壓迫性神經(jīng)損傷小鼠模型中，DRG神經(jīng)元的TREK-1和TREK-2 mRNA均顯著表達(dá)［3，17］，鞘內(nèi)注射miR-183時(shí)可減輕慢性壓迫性損傷大鼠模型的疼痛，且會(huì)下調(diào)TREK-1的表達(dá)［3］。TREK-2主要分布在外周神經(jīng)系統(tǒng)，可選擇性地表達(dá)在B4蛋白結(jié)合的C類纖維的大鼠傷害性感受器中［3，14］，通過(guò)促進(jìn)感受器膜電位超極化限制自發(fā)性疼痛［14］。在疼痛發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，K2p通道表達(dá)調(diào)節(jié)下降，可能是神經(jīng)興奮性增強(qiáng)的潛在機(jī)制［6，14］。當(dāng)DRG神經(jīng)元TREK-2通道通過(guò)siRNA誘導(dǎo)敲除，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜去極化，細(xì)胞電興奮性增強(qiáng)［4］。而TREK-2激活劑開(kāi)放通道，膜電位超極化可以限制電興奮性從而降低C類纖維中的疼痛信號(hào)；不僅如此，TREK-2激活劑具有限制DRG神經(jīng)元Ca2+內(nèi)流的能力，也可以減少疼痛信號(hào)［4，15］。PD-1作為內(nèi)源性疼痛抑制劑和神經(jīng)調(diào)節(jié)劑，可以通過(guò)SHP-1抑制鈉通道功能，增強(qiáng)TREK-2功能，使同時(shí)表達(dá)PD-1和TREK-2的細(xì)胞中產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)電位的負(fù)偏移，從而調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性，緩解疼痛［18］。TREK-2在限制痛覺(jué)方面起著如此重要的作用，因此激活劑也被認(rèn)為是治療疼痛的潛在治療靶點(diǎn)［4，14］。另外通道多位于外周神經(jīng)系統(tǒng)，激活劑可能有助于限制外周信號(hào)和減少疼痛且無(wú)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的副作用。目前更加精確的疼痛治療策略正在開(kāi)發(fā)，參與控制傷害性神經(jīng)元興奮性的鉀通道可作為神經(jīng)性疼痛治療的靶點(diǎn)［14］。不同部位通道開(kāi)閉情況不同，但功能上上調(diào)K2p通道活性可能是一種有用的策略，在結(jié)合未來(lái)更多的研究的基礎(chǔ)上臨床有望開(kāi)發(fā)更加高效的超聲治療疼痛的療法。

二、超聲神經(jīng)調(diào)控技術(shù)對(duì)離子通道的作用

神經(jīng)調(diào)控技術(shù)是采用植入性或非植入性操作來(lái)改善患者癥狀的治療技術(shù)，它可通過(guò)電刺激或藥物等手段可逆地改變中樞神經(jīng)、外周神經(jīng)或自主神經(jīng)系統(tǒng)的活性［19］。基于超聲的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)多采用低強(qiáng)度聚焦超聲（low intensity focused ultrasound，LIFU），一般探頭頻率＜1 MHz，較診斷用的強(qiáng)度相似或者更低，LIFU可以間歇刺激或連續(xù)刺激進(jìn)行非熱介導(dǎo)的神經(jīng)調(diào)節(jié)［20］。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，LIFU可以通過(guò)動(dòng)物顱骨深入到大腦深部組織，可聚焦調(diào)控神經(jīng)元，與光遺傳學(xué)、經(jīng)顱磁刺激和經(jīng)顱電刺激等方法相比，具有高分辨率、非侵入性的優(yōu)勢(shì)。超聲神經(jīng)調(diào)控技術(shù)具有無(wú)創(chuàng)、高分辨率、靶向性好的優(yōu)勢(shì)，有利于避免藥物副作用和有創(chuàng)的操作治療。超聲可使特定部位的神經(jīng)產(chǎn)生興奮性或抑制性的可逆調(diào)控［21］。根據(jù)超聲波頻率、脈沖重復(fù)頻率、持續(xù)時(shí)間和占空比等參數(shù)不同，對(duì)神經(jīng)元組織會(huì)產(chǎn)生不同的影響，麻醉水平可能也是一個(gè)重要影響因素［20-21］。超聲波作為一種可以傳遞信息的聲波，主要是通過(guò)機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、空化效應(yīng)機(jī)制調(diào)節(jié)生物機(jī)體。超聲對(duì)離子通道作用的精確生理機(jī)制并未完全解決，近年來(lái)觀察的證據(jù)解釋了超聲對(duì)離子通道起作用的部分機(jī)制，超聲波是一種機(jī)械波，細(xì)胞膜上的許多門控的離子通道和突觸受體受到敏感性機(jī)械性刺激，聲輻射力拉伸細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層，引起脂質(zhì)雙層張力的瞬時(shí)變化，導(dǎo)致離子通道開(kāi)放或者失活或者受體下游分子活性改變，包括K2p、TRP、Piezo通道等，以及部分電壓敏感性離子通道，如Na、Kv、Ca［22-24］。聚焦超聲可以刺激單個(gè)海馬神經(jīng)元的電壓門控Na+和Ca2+通道使其活性發(fā)生改變，細(xì)胞膜去極化并誘導(dǎo)突觸傳遞，Na+和Ca2+通道的藥理抑制作用可阻斷誘導(dǎo)的去極化［24］。因此，超聲對(duì)離子通道的作用并非完全是機(jī)械性作用，或許空化作用、熱效應(yīng)，以及不影響細(xì)胞離子通道的機(jī)械性作用的膜電容改變。研究［22-24］認(rèn)為L(zhǎng)IFU治療的熱效應(yīng)對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的影響可以忽略不計(jì)，局部受刺激組織溫度變化＜0.1℃，但是溫度變化也足以激活溫度敏感的部分K2p、TREK-1、TREK-2和TRAAK。

三、以鉀離子通道作為靶點(diǎn)的超聲神經(jīng)調(diào)控現(xiàn)狀

超聲是一種非常有潛力的精準(zhǔn)治療中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)疾病的工具［22］。部分電壓門控鉀通道及K2p通道均具有機(jī)械敏感性，對(duì)機(jī)械拉伸或超聲波刺激有響應(yīng)，通道狀態(tài)發(fā)生改變，這些離子通道均是治療疼痛的重要離子通道靶點(diǎn)［14］。LIFU可以影響中樞和外周興奮神經(jīng)元的功能［23］，其作用于海馬神經(jīng)元時(shí)可調(diào)節(jié)神經(jīng)元功能。高強(qiáng)度聚焦超聲（頻率為2.68 MHz）可以可逆地阻斷感覺(jué)神經(jīng)傳導(dǎo)，緩解大鼠糖尿病性神經(jīng)性疼痛［25］。研究［26］發(fā)現(xiàn)，超聲可以降低大鼠慢性壓迫性損傷與疼痛相關(guān)物質(zhì)包括p物質(zhì)、NK-1R、TNF-α等，減輕痛覺(jué)過(guò)敏。奧沙利鉑藥物所致的大鼠神經(jīng)性疼痛模型中，超聲可以使大鼠的撤足閾增加，提示超聲可以降低大鼠的冷刺激和機(jī)械刺激敏感性［27］。LIFU激活神經(jīng)元K2p通道，保護(hù)細(xì)胞免受mpp1誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，以及離子通道介導(dǎo)的下游通路進(jìn)而減少神經(jīng)細(xì)胞毒性［28］。超聲可調(diào)制體外和動(dòng)物體內(nèi)的鉀通道來(lái)調(diào)節(jié)鉀離子流動(dòng)［24，28］。在轉(zhuǎn)染鉀通道的蟾蜍卵母細(xì)胞實(shí)驗(yàn)［26］中，聚焦超聲可以調(diào)控TREK-1、TREK-2、TRAAK通道，產(chǎn)生外向鉀電流，通道阻斷劑可以使這樣的作用消失。但人體細(xì)胞與蟾蜍卵母細(xì)胞不盡相同，且體外實(shí)驗(yàn)［24］排除了許多干擾因素，未考慮體內(nèi)細(xì)胞周圍組織對(duì)超聲的影響，因此最佳的體內(nèi)超聲應(yīng)用參數(shù)尚需進(jìn)一步研究。另外有研究［29］發(fā)現(xiàn)，超聲可以通過(guò)微泡放大對(duì)線蟲(chóng)的行為活動(dòng)控制，進(jìn)而產(chǎn)生靶向調(diào)控的作用，但超聲調(diào)控單個(gè)細(xì)胞活動(dòng)還受到超聲傳統(tǒng)分辨率限制。

四、總結(jié)

綜上所述，超聲可以通過(guò)調(diào)節(jié)鉀通道進(jìn)而激活或者抑制局部中樞和外周神經(jīng)元，對(duì)下游的細(xì)胞分子信號(hào)調(diào)控，可能的機(jī)制是利用開(kāi)放或者關(guān)閉機(jī)械性敏感的離子通道及部分電壓門控通道。目前在藥理學(xué)和臨床學(xué)研究方向的鎮(zhèn)痛藥物靶向性欠佳或副作用較大，而非侵入性的超聲神經(jīng)調(diào)控作為一項(xiàng)靶向性好、深度可調(diào)節(jié)、分辨率高的治療策略，有能力誘導(dǎo)不同的神經(jīng)活動(dòng)模式，具有作為臨床工具的巨大潛力。但在臨床應(yīng)用前尚需解決以下問(wèn)題：①參與不同部位疼痛的離子通道具體種類；②超聲在體內(nèi)外操作設(shè)置方案和參數(shù)的統(tǒng)一；③治療效果重復(fù)性；④在人類開(kāi)展的安全性等。超聲神經(jīng)調(diào)控技術(shù)尚處于起步階段，實(shí)現(xiàn)超聲神經(jīng)調(diào)控以鉀離子通道為靶點(diǎn)來(lái)治療神經(jīng)性疼痛還需要更多的研究。