電壓門控鈉離子通道在難治性癲癇中的作用機制研究進展

張喬，孟帆，周其岡

南京醫(yī)科大學藥學院，江蘇 南京 211166

難治性癲癇（treatment-resistant epilepsy，TRE），又稱耐藥性癲癇（drug-resistant epilepsy，DRE），其藥物治療是目前臨床醫(yī)學的重大難題之一。除了手術治療之外，尚無較好治療方案，導致患者過早死亡、受傷、心理社會功能障礙和生活質量降低的風險增加［1］。在過去20 年里，大量新抗癲癇藥物（antiepileptic drug，AED）被開發(fā)應用于癲癇治療，提高了易用性和耐受性，但這些AED均不能顯著預防或逆轉TRE［2］。

癲癇發(fā)病機制主要是大腦神經(jīng)元異常同步化放電，并向周圍組織擴散。離子通道在神經(jīng)元異常放電過程中發(fā)揮重要作用。其中，電壓門控鈉離子通道（voltage-gated sodium channel，VGSC）是最常見的AED靶點，它的結構或功能改變可能與TRE形成密切相關［3］。VGSC 在興奮性神經(jīng)元和抑制性神經(jīng)元中均有表達，在動作電位的產(chǎn)生與傳播過程中發(fā)揮關鍵作用。動作電位是神經(jīng)元電生理最基本的活動，離子通道結構和功能異常導致動作電位節(jié)律異常，誘發(fā)嚴重臨床癥狀，包括癲癇發(fā)作、智力低下、行為異常和運動障礙等。VGSC家族亞型SCN1A（編碼Nav1.1）、SCN2A（編 碼Nav1.2）和SCN8A（編 碼Nav1.6）基因共同占腦鈉通道轉錄物95%以上，和目前已知絕大多數(shù)腦鈉通道病因相關［4］。在一項調(diào)查中，8 565 例癲癇和神經(jīng)發(fā)育障礙患者中有5%攜帶了這些基因中的一種變異［5］。本文就VGSC 在TRE發(fā)病機制中的研究進展進行綜述。

1 TRE

1.1 概念

癲癇是大腦組織局部神經(jīng)元異常放電，并向周圍組織擴散，導致神經(jīng)系統(tǒng)紊亂的慢性疾病。該病的特點是反復發(fā)作，并伴有認知、心理和社會后果。2019 年全球約有7 000 萬癲癇患者，其中90%以上在低、中等收入國家［6］。2021 年中國最新流行病學資料顯示，我國約有1 000萬癲癇患者，但僅有1/3的患者可以得到適當?shù)闹委煟?］。

TRE 一直是臨床上的棘手難題，國際抗癲癇聯(lián)盟將其定義為根據(jù)癲癇發(fā)作類型，合理選擇并正確使用至少2 種耐受性好的AED 單藥或聯(lián)合使用后，患者無發(fā)作的持續(xù)時間未達到治療前最長發(fā)作間隔的3倍或者1年［8］。

1.2 TRE發(fā)病機制

TRE 的發(fā)病機制是多因素和可變的，可能包括遺傳和環(huán)境因素等［9］。目前關于TRE發(fā)病機制的研究仍不透徹，主要有以下幾個方面的假說。

1.2.1 海馬硬化

海馬硬化是TRE 最常見的病因［10］，臨床上主要通過聯(lián)合AED和手術切除進行治療，但AED治療效果不佳。海馬硬化的特征是神經(jīng)元不同程度丟失，尤其是CA1 和CA3區(qū)域的錐體細胞嚴重喪失，反應性膠質細胞增生，顆粒細胞分布異常和苔蘚纖維出芽，其中苔蘚纖維出芽會導致海馬內(nèi)形成異常的興奮性環(huán)路，這是導致癲癇反復發(fā)作的重要病理學基礎［11］。

1.2.2 離子通道

離子通道突變會導致遺傳性癲癇的發(fā)生，而遺傳性癲癇多為難治性的［12］。離子通道是各種陰離子、陽離子跨膜被動轉運的通道，參與調(diào)節(jié)靜息膜電位、產(chǎn)生動作電位，還參與調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)，為興奮及抑制等提供基礎。離子通道在癲癇的陣發(fā)性異常放電過程中發(fā)揮了重要作用［13］。

1.2.3 炎癥

炎癥與TRE的發(fā)生發(fā)展息息相關［14］，目前有研究發(fā)現(xiàn)炎癥可通過激活細胞內(nèi)信號通路，使腦血管內(nèi)皮細胞及血腦屏障膠質細胞中轉運體異常表達和功能障礙，誘導TRE的發(fā)生［15］。也有其他研究表明，促炎細胞因子白介素（interleukin，IL）-1β可能通過抑制星形膠質細胞對谷氨酸的再攝取或增強N-甲基-D-天冬氨酸和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體功能，調(diào)節(jié)谷氨酸能系統(tǒng)活性，導致癲癇反復發(fā)作，進而參與TRE形成［16］。炎癥與TRE的關系已被大量證實，但是發(fā)病機制仍未闡明。

1.2.4 線粒體疾病

線粒體疾病是最常見的遺傳代謝紊亂性疾病，以能量生成和調(diào)節(jié)障礙為特征。線粒體疾病也是神經(jīng)遺傳性疾病之一，它的常見癥狀之一是癲癇發(fā)作，但是常用的AED治療對于絕大多數(shù)病例無效［17］，超過90%的線粒體相關癲癇的兒童患者是藥物難治性的［18］。線粒體疾病參與TRE 發(fā)生發(fā)展是不容置疑的，但是兩者之間的關系以及作用機制還不明確。目前研究表明，線粒體相關癲癇患者的星形膠質細胞在神經(jīng)元受損區(qū)域增生。星形膠質細胞中谷氨酰胺合成酶缺乏不僅可導致線粒體疾病發(fā)生，還可引起γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）-谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)的下調(diào)，造成腦組織中GABA降低，引起癲癇發(fā)作［19］。

1.3 TRE耐藥機制

雖然接受顳葉癲癇病灶切除手術的癲癇患者的組織可用于基礎研究，使得闡明局灶性癲癇耐藥的一些潛在機制成為可能，但是全身性癲癇產(chǎn)生耐藥性的機制仍未闡明，對這些潛在的細胞和分子機制進行探索，很可能為發(fā)展新的藥物治療策略提供重要方向。癲癇的耐藥機制尚不明確，可能是多因素的，而研究較多的是以下幾種假說（圖1）。

圖1 TRE的耐藥機制假說Figure 1 Hypothesis of drug resistance mechanism in TRE

1.3.1 藥物轉運體假說

癲癇的耐藥性有一個重要特征，即它對多種作用機制不同的AED有著同樣的耐藥性，說明TRE的耐藥機制可能是非特異性的。在TRE 患者切除病灶的毛細血管內(nèi)皮中，發(fā)現(xiàn)外排轉運蛋白表達顯著上調(diào)，這個結果支持外排轉運蛋白在癲癇耐藥發(fā)病機制中發(fā)揮作用的假設［20］。這些蛋白在反應性星形膠質細胞和神經(jīng)元中有新的表達，可能形成了“第二防御”機制［21］。腦內(nèi)過多表達藥物轉運蛋白，將AED從致癇灶中過度外排，從而影響藥物在致癇組織中的濃度，導致藥物難以發(fā)揮療效［22］。

例如，P 糖蛋白（P-glycoprotein，P-gp）由多藥耐藥基因1 編碼，是血腦屏障上的主要藥物外排轉運蛋白，可運輸結構多樣且不相關的疏水性和兩親水性化合物，并已被證明可運輸苯妥英鈉、苯巴比妥、拉莫三嗪、托吡酯和左乙拉西坦等AED。近年研究表明，P-gp 過表達是TRE 發(fā)病的主要機制之一［23］。在TRE患者的致癇組織以及幾種嚙齒動物癲癇模型中，檢測到P-gp的表達水平升高。并且癲癇持續(xù)發(fā)作誘導的谷氨酸信號釋放，導致P-gp在腦毛細血管中的表達增加［24］。P-gp通過協(xié)調(diào)AED結合位點的構象變化和三磷酸腺苷的結合、水解及其產(chǎn)物釋放，以能量依賴方式限制血腦屏障對AED的滲透，使AED不能進入腦內(nèi)發(fā)揮有效抗癲癇作用［25］。

1.3.2 藥物靶點學說

藥物發(fā)揮作用需要與靶點結合，當結合靶點的分子結構或功能發(fā)生變化時，藥物治療敏感性降低。AED 作用靶點主要有離子通道，如Na+通道、Ca2+通道、K+通道，及遞質作用受體，如GABA受體［26］。其中VGSC是最常見的AED靶點，代表藥物有苯妥英鈉、卡馬西平、拉莫三嗪等。臨床研究表明，對卡馬西平耐藥的顳葉癲癇患者與不耐藥患者的海馬相比，齒狀回（dentate gyrus，DG）顆粒細胞功能依賴性鈉離子通道阻斷作用完全喪失［27］。在耐藥的顳葉癲癇患者中也觀察到GABAA受體表達的改變，但這種改變是否會導致患者對作用于該受體的AED的敏感性降低，目前尚不清楚［28］。

1.3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡假說

癲癇反復發(fā)作導致腦內(nèi)神經(jīng)元突觸可塑性改變，以及神經(jīng)網(wǎng)絡中信號分子誘導神經(jīng)元軸突的異常生長，包括軸突發(fā)芽、突觸重組、神經(jīng)發(fā)生和膠質增生等。這些改變誘發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡退化和重塑，抑制了內(nèi)源性抗癲癇系統(tǒng)，并阻止AED進入神經(jīng)元靶點，從而導致TRE。有研究人員對TRE患者和健康人在靜息狀態(tài)下的功能性磁共振成像數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，患者的神經(jīng)網(wǎng)絡連接功能有所下降，表明癲癇發(fā)作可能干擾大腦神經(jīng)網(wǎng)絡的相互作用，并進一步影響神經(jīng)元的信息交流［29］。雖然該假說并不能對所有的TRE耐藥機制進行解釋，但可以提供一種新的方向。

2 VGSC與TRE

2.1 VGSC結構與功能

VGSC 由1 個230～270 kDa 的α亞基和1 個或多個33～36 kDa 的β亞基組成。α亞基包括4 個同源結構域，每個結構域包含6 個高序列保守的跨膜片段［30］。β-亞基影響α-亞基的轉運和電生理特性，但自身不具有通道活性。人類α亞基的基因家族包含10 個基因，其中SCN1A、SCN2A 和SCN8A 基因在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元中表達量較高，占95%以上［4］；其編碼的鈉通道蛋白分布于神經(jīng)元軸突、樹突和胞體的細胞膜上［31］。鈉離子通道基因是人類基因組中高度進化保守的基因之一，并保留了許多與無脊椎動物和原核生物鈉通道序列相同的區(qū)域。偏離正常通道功能會導致嚴重的臨床后果，包括癲癇發(fā)作、智力殘疾、行為異常和運動障礙。為了響應跨膜電勢的去極化位移，VGSC 帶正電的跨膜段的構象從封閉通道狀態(tài)轉變?yōu)殚_放通道狀態(tài)，允許Na+的涌入和動作電位的啟動；隨后通道孔被失活門阻塞，通道在幾毫秒內(nèi)發(fā)生快速失活，進入非活性構象，因而Na+的流入被限制在短暫的間隔內(nèi)。當失活門恢復到其靜止位置，VGSC 從失活中恢復并維持在穩(wěn)定的閉合構象，這一進程的改變是許多鈉通道突變機制的基礎［32］。

2.2 VGSC與TRE

2.2.1 VGSC基因突變導致TRE

編碼VGSC的基因突變會導致以藥物難治性類型為主的遺傳性癲癇。其中，近幾年的研究發(fā)現(xiàn)SCN1A、SCN2A和SCN8A基因突變引發(fā)了多種臨床疾?。?3］（表1）。其變異主要分為離子通道功能缺失型（loss-of-function，LOF）與離子通道功能獲得型（gain-of-function，GOF）。鈉離子功能減弱，其癲癇發(fā)生較晚，但能引起更重的癲癇表型，且使用鈉離子通道阻滯劑會加重癲癇發(fā)作［34］。

表1 VGSC基因型-表型關系以及潛在的精準治療方法Table 1 Genotype-phenotype correlation of VGSC and potential precision therapies

SCN1A 編碼的Nav1.1 主要分布于抑制性神經(jīng)元，在小腦浦肯野纖維、海馬抑制性GABA 能神經(jīng)元、下丘腦及大腦皮質的中間神經(jīng)元均可檢測到一定程度的表達［35］。在細胞水平，Nav1.1 主要位于細胞體和軸突起始段軸突起始節(jié)（axon initial segment，AIS）［36］。SCN1A 基因突變是導致遺傳性癲癇綜合征中最常見的突變靶點，可導致Nav1.1的C端、跨膜段、胞內(nèi)段和N 端都出現(xiàn)突變［37］。Dravet 綜合征（Dravet syndrome，DS），又稱嬰兒嚴重肌陣攣性癲癇（severe myoclonic epilepsy in infancy，SEMI），其中85%的DS 患者存在SCN1A 基因突變［38］，與DS 相關的基因突變類型主要是框移突變、無義突變以及錯義突變，均導致Nav1.1功能障礙。2000年首次在遺傳性全面性癲癇伴熱性驚厥附加癥（generalized epilepsy with febrile seizures plus，GEFS+）中發(fā)現(xiàn)了SCN1A 基因突變［39］，占GEFS+患者的5%～10%［40］。與DS患者的基因突變不同，幾乎所有與GEFS+相關的SCN1A基因突變類型都是錯義突變，且主要集中在Nav1.1的胞內(nèi)段。DS的臨床表現(xiàn)較GEFS+更加嚴重，對于AED的治療反應不佳，且卡馬西平、奧卡西平、拉莫三嗪等鈉離子通道阻斷劑會加重發(fā)作，不建議使用這些藥物［38］。

SCN2A編碼的Nav1.2蛋白，于發(fā)育早期在有髓神經(jīng)纖維的AIS 和Ranvier 節(jié)點中表達，到1～2 歲時逐漸被Nav1.6 取代。成人時期，Nav1.2 主要在興奮性神經(jīng)元AIS及未髓鞘化軸突部位表達［41］。SCN2A基因突變會引起Nav1.2表達和功能變化，造成神經(jīng)元異常放電，從而導致多種癲癇的發(fā)生，包括輕度的自限性家族性新生兒癲癇、大田原綜合征、嬰兒癲癇伴游走性局灶性發(fā)作、West 綜合征及Lennox-Gastaut 綜合征等［33］。SCN2A 基因突變主要見于癲癇罕見基因突變，與TRE的發(fā)病有密切關系。

SCN8A編碼的Nav1.6蛋白，在出生后發(fā)育期間逐漸取代原本Nav1.2 的定位。Nav1.6 是成年神經(jīng)元遠端AIS 的主要鈉通道［42］，并且AIS 處Nav1.6 的定位強度比體細胞和近端樹突高40倍［43］。Nav1.6的超極化電壓依賴性有助于AIS遠端動作電位的起始；在Nav1.6 缺失的情況下，動作電位啟動的閾值升高［44］。SCN8A 基因突變主要定位于Nav1.6 的跨膜段、失活門和C端，可引起Nav1.6在神經(jīng)元中表達上升或下調(diào)，造成的電生理后果包括通道過早打開、通道失活受損和復蘇電流升高，從而引起神經(jīng)元興奮性發(fā)生改變，導致癲癇的發(fā)生［45］。SCN8A突變已在300 多例患者中發(fā)現(xiàn)［46］，主要以發(fā)育性癲癇性腦?。╠evelopmental and epileptic encephalopathies，DEE）為主。SCN8A-DEE 約占全部癲癇性腦病的1%，臨床特征為早發(fā)型TRE、嚴重智力障礙、運動障礙以及較高的病死率，大部分SCN8A-DEE患者預后不佳，因此未來的研究重點是開發(fā)新型靶向治療藥物［47］。

2.2.2 VGSC的數(shù)量、結構以及功能改變導致TRE

耐藥性的形成可能與AED 作用的Nav1.1、Nav1.2 或Nav1.6 等發(fā)生數(shù)量或結構性改變有關，如癲癇反復持續(xù)發(fā)作可能會導致離子通道m(xù)RNA 水平出現(xiàn)上升或下降，改變離子通道的密度或其中某種亞單位的組成［48］。

關于離子通道數(shù)量或結構改變的研究不多，近年來的研究更側重于離子通道的功能改變，其中作為藥物靶點的VGSC 功能發(fā)生改變，是產(chǎn)生耐藥性的重要原因之一，尤其是偶聯(lián)蛋白對Na+電流的調(diào)節(jié)。臨床上廣泛使用的AED 苯妥英鈉和卡馬西平在治療濃度下對VGSC有抑制作用，所導致的Na+電流衰減被認為是其治療產(chǎn)生效果的主要機制［49］。Nav1.1 和Nav1.2 引發(fā)的非激活、持久性的鈉電流，受G 蛋白β、γ亞基調(diào)節(jié)而增加，進一步調(diào)控神經(jīng)元的整合功能［50］。癲癇發(fā)作可能觸發(fā)第二信使級聯(lián)誘導離子通道改變［51］或胞內(nèi)蛋白的磷酸化導致其對AED的反應效能減弱。同時，與鈉離子通道存在相互作用的膜內(nèi)結合蛋白也可能影響到VGSC 對AED敏感性的變化，與TRE的形成有關。Nav1.6與錨定結合序列AnkG存在相互作用，AnkG的膜結合結構域可增強Nav1.6 的持續(xù)鈉電流［52］；PRRT2 是Nav1.2 和Nav1.6 通道的重要負調(diào)控因子，與Nav1.2和Nav1.6存在特異性的相互作用，可以調(diào)節(jié)離子通道的膜表達，顯著降低Na+電流［53］。此外，還有研究表明癲癇持續(xù)狀態(tài)會引起鈣離子的快速內(nèi)流，導致線粒體除極化，產(chǎn)生氧化自由基，導致短時間或長時間的代謝改變，影響藥物靶點VGSC的敏感性［54］。

3 展望

在過去30年里，超過15種第3代AED的問世為醫(yī)生和患者提供了更多治療多種癲癇的選擇。盡管70%～80%的新發(fā)癲癇患者使用當前的AED 進入緩解期，但這些藥物依然無法控制其他20%～30%患者的癲癇發(fā)作［55］。此外，尚無證據(jù)表明AED可在患者首次癲癇發(fā)作前預防癲癇的發(fā)展，這些藥物似乎僅是抑制癲癇發(fā)作。AED 也不能逆轉TRE 的發(fā)展，不能治療合并癥或在整體意義上減輕疾病負擔。然而經(jīng)過長久的研究，目前對癲癇的發(fā)生機制和耐藥原因均有了深入的理解，這為發(fā)現(xiàn)和開發(fā)更有效的AED提供了基礎。