鈉離子通道病研究進(jìn)展

楊玉凌 丁晶 汪昕

電壓門控鈉離子通道(VGSCs)負(fù)責(zé)神經(jīng)、肌肉等可興奮細(xì)胞動(dòng)作電位的產(chǎn)生。編碼這些通道的基因變異會(huì)引起一系列疾病。近幾年來,通過對這些致病突變的識別和功能研究,新的致病機(jī)制和治療方式也得到解析,為臨床診療提供了新的思路。

一、VGSCs的結(jié)構(gòu)、功能與分布

VGSCs由形成孔道的α亞基和輔助β亞基組成,α亞基是決定其電壓門控特性和離子選擇性的關(guān)鍵,而β亞基則參與調(diào)節(jié)α亞基的表達(dá)、膜定位以及通道動(dòng)力學(xué)特性。VGSCs-α是一個(gè)由約2 000個(gè)氨基酸組成的大型跨膜蛋白,其折疊成四個(gè)同源域(DⅠ～Ⅳ),并由三個(gè)胞內(nèi)環(huán)(L1～3)連接而成,其中來自DⅠ～Ⅳ的4個(gè)氨基酸組成的基序(DEKA)構(gòu)成了離子選擇性濾過器,而L3則是關(guān)鍵的失活門控區(qū)(圖1A)。隨著膜電位變化,VGSCs可出現(xiàn)三種狀態(tài):靜息態(tài)、激活態(tài)和失活態(tài)(圖1B)。值得一提的是,失活態(tài)可分為快失活和慢失活,慢失活在短時(shí)間內(nèi)不易恢復(fù)[1]。鈉離子通道的不同亞型在人體各組織器官、細(xì)胞及發(fā)育階段的分布各異(圖1C、表1)。

圖1 VGSCs的結(jié)構(gòu)、功能與分布(A:VGSCs α和β亞基的膜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);B:VGSCs的激活、失活與復(fù)活示意圖;C:各類型VGSCs α亞基在人體的組織分布)

表1 VGSCs α亞基的生物信息、分布與功能

二、鈉離子通道病

1.腦鈉離子通道病

SCN1A是最常見導(dǎo)致腦鈉離子通道病的基因,其變異可致Dravet綜合征(DS)、全面性癲癇伴熱性驚厥附加癥(GEFS+)、熱性驚厥(FS)、發(fā)育性癲癇性腦病(DEE)以及家族性偏癱型偏頭痛(FHM)。DS是最常見的癲癇性腦病,其發(fā)病是由SCN1A變異所致的單倍劑量不足引起。研究表明位于抑制性神經(jīng)元上的Nav1.1功能缺失(LOF),會(huì)引起腦內(nèi)抑制功能的障礙,從而導(dǎo)致動(dòng)物出現(xiàn)DS樣癲癇表型[2]。DS有較明顯的臨床異質(zhì)性,這一現(xiàn)象可被修飾基因所解釋。近期有研究表明,SCN8A、SCN9A、POLG等均為可能的修飾基因[3]。GEFS+和FS也均由SCN1A的LOF變異引起,體外實(shí)驗(yàn)表明致GEFS+的突變對Nav1.1功能的影響較DS小,這也解釋了其偏良性表型的原因。近年來,有學(xué)者提出了“協(xié)同致病假說”,即基因變異與癲癇發(fā)作共同導(dǎo)致腦內(nèi)異常網(wǎng)絡(luò)的形成,加重癲癇表型[4]。亦有研究發(fā)現(xiàn)即使在SCN1A突變相關(guān)DS小鼠出現(xiàn)癥狀之后回補(bǔ)SCN1A也可顯著挽救小鼠的癲癇表型[5]。這些研究共同表明癲癇發(fā)作與SCN1A突變之間存在相互作用。然而,引起非DS型DEE和FHM的突變會(huì)導(dǎo)致Nav1.1功能增強(qiáng)(GOF),這一結(jié)果似乎與前述相矛盾,但動(dòng)物實(shí)驗(yàn)或計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果表明增加的鈉離子電流可能會(huì)通過去極化阻滯的機(jī)制,導(dǎo)致抑制性中間神經(jīng)元難以維持正常的興奮性[6]。

SCN2A變異相關(guān)的疾病包括良性家族性嬰兒驚厥(BFNIS)、發(fā)作性共濟(jì)失調(diào)(EA)、DEE、自閉譜系障礙(ASD)和智力發(fā)育障礙(ID)。BFNIS相關(guān)SCN2A變異是GOF變異,會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元的興奮性增加[7]。由于BFNIS患兒的癲癇發(fā)作通常在1歲后自行緩解,有學(xué)者試圖解釋這種現(xiàn)象并發(fā)現(xiàn)變異主要導(dǎo)致新生兒型的Nav1.2轉(zhuǎn)錄本功能增益,而對成人型的影響很小[8]。SCN2A變異相關(guān)的DEE可分為早發(fā)型(<3m)和遲發(fā)型(>3m)。導(dǎo)致早發(fā)型DEE的變異通常會(huì)引起Nav1.2功能增強(qiáng),并且這部分患者對鈉離子通道阻滯劑(SCBs)的反應(yīng)較好,而引起晚發(fā)型DEE的則是LOF變異,這類患者應(yīng)用SCBs通常無效甚至出現(xiàn)病情加重[9]。SCN2A的LOF變異還會(huì)導(dǎo)致ASD或ID,并且通常伴癲癇發(fā)作。研究人員發(fā)現(xiàn),Nav1.2的單倍劑量不足會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元樹突棘密度的降低,從而導(dǎo)致動(dòng)物出現(xiàn)智力或社交行為障礙[10]。同時(shí)Nav1.2表達(dá)的減少也會(huì)導(dǎo)致與其相互作用的鉀離子通道的減少,反而導(dǎo)致神經(jīng)元的興奮性增加,爆發(fā)更多的動(dòng)作電位[11]。

Nav1.3主要表達(dá)于胚胎期腦內(nèi),而在出生后的表達(dá)很少。病例研究顯示SCN3A變異與家族局灶性可變病灶型癲癇(FFEVF)和DEE有關(guān)。體外功能研究也表明,引起這兩種疾病的變異會(huì)導(dǎo)致持續(xù)性鈉電流的增加或鈉離子通道失活障礙,屬于GOF變異[12]。然而,一部分SCN3A的LOF變異或片段缺失也在有智力發(fā)育障礙或自閉障礙的患兒中被發(fā)現(xiàn),其可伴或不伴癲癇發(fā)作[13]。

Nav1.6是腦內(nèi)表達(dá)最豐富的鈉離子通道,其功能障礙會(huì)導(dǎo)致伴或不伴小腦共濟(jì)失調(diào)的認(rèn)知障礙、DEE和BFNIS。伴或不伴小腦共濟(jì)失調(diào)的認(rèn)知障礙是最早被確定的人類SCN8A變異相關(guān)表型,突變導(dǎo)致基因出現(xiàn)移碼并導(dǎo)致編碼蛋白提前終止[14]。類似的LOF變異還見于智力和運(yùn)動(dòng)障礙的患者中,且這兩類患者通常均不伴有癲癇發(fā)作[15]。而體內(nèi)外研究表明,引起DEE或BFNIS的SCN8A的變異會(huì)導(dǎo)致鈉離子通道失活障礙、持續(xù)鈉電流增加進(jìn)而引起神經(jīng)元興奮性增加[16]?；颊吲R床表現(xiàn)的嚴(yán)重程度也取決于變異對鈉離子通道功能的損害程度[15]。然而,在SCN8A單倍劑量不足的動(dòng)物模型中也能觀察到自發(fā)的失神發(fā)作[17],這表明SCN8A的LOF也會(huì)導(dǎo)致癲癇發(fā)生,因此還需更深入地探究Nav1.6的功能及其與疾病的關(guān)聯(lián)。

盡管過去認(rèn)為Nav1.7很少在腦內(nèi)表達(dá),但目前已有部分研究結(jié)果顯示SCN9A也是導(dǎo)致癲癇發(fā)作的候選基因。2009年,在一個(gè)FS的大家系中,研究人員共分離驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)SCN9A的錯(cuò)義突變。后續(xù)也有部分研究表明SCN9A與GEFS+以及兒童良性局灶性癲癇(BECTS)相關(guān)[18-19]。目前有關(guān)致癇的SCN9A變異的功能研究較少,且均顯示為GOF變異[20]。

2.骨骼肌鈉離子通道病

骨骼肌鈉離子通道病由SCN4A基因變異所引起。根據(jù)遺傳模式的不同,可分為常染色體隱性遺傳(AR)的先天性肌無力綜合征(CMS)及AD遺傳的高鉀性周期性麻痹(HyperPP)、低鉀(正常鉀)性周期性麻痹(HypoPP/NormoPP)和先天性肌強(qiáng)直病(PMC)。CMS以持續(xù)運(yùn)動(dòng)后肌肉無力和疲勞為特點(diǎn),該病由Nav1.4的LOF突變引起。突變導(dǎo)致鈉離子通道更易失活,且復(fù)活更慢,使骨骼肌細(xì)胞難以產(chǎn)生動(dòng)作電位,從而導(dǎo)致了肌無力的表型[21]。HyperPP和PMC的病因相似,SCN4A的GOF突變可導(dǎo)致鈉離子通道無法正常失活或失活變慢、復(fù)活加快,從而導(dǎo)致細(xì)胞膜去極化[6]。不同的是,在HyperPP中產(chǎn)生了去極化阻滯現(xiàn)象,患者出現(xiàn)弛緩性麻痹[22]。而在PMC患者中,去極化的膜電位會(huì)導(dǎo)致紊亂的動(dòng)作電位爆發(fā),從而引起肌肉痙攣或強(qiáng)直[23]。殊途同歸,在HypoPP/NormoPP的患者中,SCN4A的突變會(huì)導(dǎo)致一種異常的非選擇性陽離子孔道的產(chǎn)生,導(dǎo)致胞內(nèi)鈉離子水平增高,增高的鈉離子可影響Na+-K+-ATP酶的活性,并導(dǎo)致K+平衡電位去極化,從而產(chǎn)生一種反常去極化阻滯現(xiàn)象,導(dǎo)致患者出現(xiàn)肌無力表型[24]。

3.心肌鈉離子通道病

SCN5A編碼的Nav1.5是心肌細(xì)胞內(nèi)最重要的鈉離子通道,其突變會(huì)導(dǎo)致一系列心臟疾病,如AD遺傳的長QT間期綜合征(LQTS)、Brugada綜合征(BrS)、擴(kuò)張性心肌病(DCM)、家族性房顫(FAF)、心臟傳導(dǎo)阻滯及AR遺傳的病態(tài)竇房結(jié)綜合征(SSS)[25]。除導(dǎo)致LQTS和部分DCM、房顫的突變是GOF變異外,其他大多為LOF變異。在LQTS患者中,SCN5A的GOF突變可引起持續(xù)鈉內(nèi)流,導(dǎo)致延長的復(fù)極化和平臺(tái)期,進(jìn)而引起QT間期增加[26]。GOF突變也可導(dǎo)致心房肌細(xì)胞的興奮性增強(qiáng),引起房顫表型。此外,鈉離子通道功能的增加,還會(huì)導(dǎo)致胞內(nèi)鈉離子水平增加,激活Na+-Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)體,進(jìn)一步導(dǎo)致胞內(nèi)鈣超載而損害心肌細(xì)胞,引起DCM[26]。而SCN5A的LOF變異可通過兩種途徑影響心臟功能:一是Nav1.5表達(dá)量減少會(huì)損害與其相互作用蛋白的功能,導(dǎo)致心肌細(xì)胞形態(tài)和功能障礙[27];二是在電信號的傳導(dǎo)過程中,Nav1.5的功能缺失會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作電位的位相異常、心肌細(xì)胞之間的電耦合減少或傳導(dǎo)功能障礙,進(jìn)而引起心律失常[28]。

4.感覺神經(jīng)鈉離子通道病

Nav1.7、Nav1.8和Nav1.9是周圍神經(jīng)系統(tǒng)中重要的鈉離子通道,廣泛分布于外周神經(jīng),其功能障礙會(huì)導(dǎo)致周圍感覺異常,以痛覺感受障礙最為明顯[29]。SCN9A的功能異?？蓪?dǎo)致AD遺傳的原發(fā)性紅斑肢痛癥、陣發(fā)性極度疼痛障礙(PEPD)、小纖維神經(jīng)病(SFN)和AR遺傳的先天性無痛(CIP)。紅斑肢痛、PEPD和SFN均以發(fā)作性疼痛為特點(diǎn),病理機(jī)制較明確,即Nav1.7的GOF變異會(huì)導(dǎo)致感覺神經(jīng)元的興奮性增加并出現(xiàn)自發(fā)性放電,從而導(dǎo)致了患者出現(xiàn)發(fā)作性疼痛表型[30]。CIP則是由Nav1.7的LOF變異所引起,體外研究結(jié)果表明Nav1.7變異會(huì)導(dǎo)致鈉電流減少或完全無功能,無法傳導(dǎo)感覺刺激。也有研究表明SCN9A的缺失會(huì)導(dǎo)致外周感覺纖維發(fā)育障礙,導(dǎo)致痛覺感受障礙[31]。SCN10A和SCN11A的GOF變異也會(huì)導(dǎo)致PEPD。SCN11A的LOF變異還會(huì)導(dǎo)致以無痛為特點(diǎn)的感覺和自主神經(jīng)病變。攜帶SCN11A與攜帶SCN9A變異的無痛患者不同,雖然他們也感受不到外周肢體的傷害刺激,但卻可感受到內(nèi)臟痛,這一現(xiàn)象的原因可能是在交感神經(jīng)節(jié)上表達(dá)的鈉離子通道主要是Nav1.7而非Nav1.9[32]。不過有研究表明部分SCN9A的GOF變異可在無痛障礙的患者中發(fā)現(xiàn),體外功能研究發(fā)現(xiàn)Nav1.9的功能顯著增強(qiáng),產(chǎn)生去極化阻滯現(xiàn)象,阻礙了動(dòng)作電位的產(chǎn)生[33]。鈉離子通道病的功能型與臨床表型之間的聯(lián)系見表2。

表2 鈉離子通道病的功能型與臨床表型之間的聯(lián)系

三、鈉離子通道病的治療

鈉離子通道病的治療方式可分為藥物、外科和基因治療。藥物治療在目前臨床上應(yīng)用最為廣泛。對于鈉離子通道GOF相關(guān)疾病可應(yīng)用經(jīng)典的SCBs,如使用卡馬西平治療BFNIS和疼痛障礙[34],美西律治療LQTS和PMC。隨著人們對各種鈉離子通道結(jié)構(gòu)的解析和認(rèn)識,針對某種鈉離子通道特異性的藥物也開始進(jìn)入臨床前應(yīng)用。Nav1.6特異性的阻滯劑——XEN901可有效減輕SCN1A和SCN8A變異小鼠的癲癇行為,并已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段[35]。Hm1a是一種毒性肽,可選擇性地激動(dòng)Nav1.1并減輕DS小鼠的癲癇癥狀[36]。除針對鈉離子通道的藥物外,臨床上也會(huì)使用其他細(xì)胞興奮調(diào)節(jié)劑,如應(yīng)用加強(qiáng)腦內(nèi)抑制性功能的氯巴占來治療DS。此外,諸如大麻二酚、司替戊醇等特殊機(jī)制的抗癲癇藥物也在大型臨床試驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)可改善DS患兒的癥狀[37-38]。外科治療方式也可改善部分患者的癥狀,如部分心肌鈉離子通道病患者可接受射頻消融、起搏器植入等外科手術(shù)[39];難治性癲癇患者也可采用迷走神經(jīng)刺激術(shù)、腦深部電刺激等方式來緩解癥狀[40]。

近幾年,基因治療得到了越來越多學(xué)者的關(guān)注。應(yīng)用等位基因特異的反義寡核苷酸(ASOs)技術(shù)可有效減少突變導(dǎo)致的mRNA的降解,增加DS小鼠中Nav1.1的表達(dá)水平并改善小鼠的發(fā)作情況[41],并已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。此外,研究者通過應(yīng)用融合轉(zhuǎn)錄激活因子CRISPR技術(shù),可實(shí)現(xiàn)靶向SCN1A的轉(zhuǎn)錄激活,增加Nav1.1在DS小鼠中的表達(dá)[42]。雖然基因靶向治療相比其他治療手段更加精準(zhǔn),但其臨床應(yīng)用還需更多安全性和有效性的證據(jù)。

四、總結(jié)與展望

隨著研究不斷深入,鈉離子通道病的臨床表型、發(fā)病機(jī)制及治療策略已取得許多進(jìn)展。根據(jù)突變所致鈉離子通道功能的改變,可分為GOF和LOF型。大多變異所致表型及嚴(yán)重程度具有其功能型依賴性。臨床上,針對GOF相關(guān)疾病,可應(yīng)用SCBs進(jìn)行治療,而LOF型鈉離子通道病須避免使用SCBs以防加重患者表型。目前,基因治療策略正在鈉離子通道病中得到逐步應(yīng)用,但治療的安全性仍是需要首要關(guān)注的。然而,鈉離子通道病基因型-功能型-表型之間的關(guān)聯(lián)仍有許多研究空白,如何根據(jù)患者不同基因型指導(dǎo)用藥并評估患者預(yù)后仍有待深入探索。