星形胶质细胞钾通道及相关疾病研究进展

千维娜，路 莉，王学习

（兰州大学基础医学院1．中西医结合研究所，2．药理研究所，甘肃省新药临床前研究重点实验室，甘肃兰州730000）

星形胶质细胞钾通道及相关疾病研究进展

千维娜1，路 莉2，王学习1

（兰州大学基础医学院1．中西医结合研究所，2．药理研究所，甘肃省新药临床前研究重点实验室，甘肃兰州730000）

星形胶质细胞是中枢神经系统数量最多的一类胶质细胞，近年来其在中枢神经系统中的作用备受关注。它不仅作为神经元赖以生存的“土壤”，给神经元提供营养代谢支持，而且具有清除谷氨酸、缓冲钾离子水平和调节免疫功能等作用。星形胶质细胞功能的维持主要依赖于其表达的各种钾离子通道。星形胶质细胞可表达内向整流钾通道，电压依赖性钾通道，ATP敏感钾通道及双孔钾通道，这些钾通道生理状态下参与调节星形胶质细胞清除谷氨酸，缓冲钾离子水平等功能，病理状态下表达和功能发生改变，与脑缺血、癫痫和阿尔茨海默症等神经系统疾病的发病过程密切相关。本文就星形胶质细胞上表达的钾离子通道及相关疾病的研究进展做一综述。

星形胶质细胞；钾通道

DO l：10．3867／j．issn．1000-3002．2014．01．017

星形胶质细胞是脑内数量最多的一类细胞。传统观点认为，星形胶质细胞只对神经元起支持作用。实际上星形胶质细胞对维持脑内环境稳定也起着至关重要的作用：①为神经元提供代谢支持。星形胶质细胞专一地为神经元提供营养环境，合成细胞外基质蛋白，黏附分子和营养因子，调节神经元成熟和突触形成。②调节突触谷氨酸水平。星形胶质细胞可摄取突触间隙谷氨酸，通过谷氨酰胺合成酶转变成谷氨酰胺，再输送给神经元。③合成释放谷胱甘肽。星形胶质细胞利用谷氨酸／胱氨酸交换体和其他机制摄取胱氨酸和半胱氨酸以合成谷胱甘肽。④调节细胞外离子浓度，缓冲钾离子。⑤形成和维持血脑屏障。星形胶质细胞的终足是诱导脑微血管内皮间紧密连接和维持血脑屏障的结构基础。⑥免疫功能［1］。星形胶质细胞表达天然免疫受体如To ll样受体及共刺激分子B7和CD40，对抗原递呈和T细胞激活起关键作用。星形胶质细胞的功能与其表达的多种钾离子通道和相关疾病的发生有着密切的关系。本文就星形胶质细胞上表达的钾离子通道及相关疾病的研究进展做一综述。

1 内向整流型钾通道和相关疾病

星形胶质细胞静息膜电位取决于K＋扩散平衡电位，表达内向整流钾离子通道（inwardly rectifying potassium channels，Kir）是成熟星形胶质细胞的显著特征。已知的星形胶质细胞表达的Kir通道包括Kir2．1，2．3，3．1，4．1和5．1。其中Kir4．1对星形胶质细胞功能产生主要影响。Kir4．1主要介导K＋由细胞外向细胞内运输；当神经元兴奋时细胞外K＋浓度增加，细胞内外电压差增高，K＋通过星形胶质细胞上Kir4．1进入细胞内，再由Kir4．1输送到血管内，达到清除细胞外K＋，维持内环境稳定的作用［2］。研究同样发现，Kir4．1功能性表达于星形胶质细胞与癫痫的发生密切相关。当胞外钾浓度发生变化时，神经细胞的兴奋性发生显著变化，细胞外K＋浓度不足微摩尔水平的升高就可以急剧增加癫痫样活动的发生［3］。

徐仟等［4］认为，Kir4．1的再分布使K＋由细胞运送到血管内障碍，K＋在细胞内过量聚集及清除细胞外K＋功能降低，细胞内外电压差减低，呈现去极化状态；Kir4．1对K＋缓冲能力减弱，以及对谷氨酸摄取能力的减低，加之水通道蛋白-4（aquaporin-4，AQP4），AQP4与Kir4．1相耦联，在生理状态下，AQP4介导的水转运与Kir4．1介导的钾离子转运共同维持着中枢神经系统内环境的稳定［5－6］，在脑外伤、脑炎及脑肿瘤等病理状态下两者分布发生改变，即“再分布”，再分布引起的胞外容积减少，使得神经元产生兴奋后释放到胞外的K＋及谷氨酸异常聚集，引起局部脑组织兴奋性增加，参与癫痫的发生。Harada等［7］研究表明，癫痫大鼠星形胶质细胞上Kir4．1的表达在杏仁核区域有着显著降低，特别是在星形胶质细胞突起。降低星形胶质细胞杏仁核上Kir4．1的活性，可以导致癫痫大鼠脑部的过度兴奋。从细胞形态学上观察Kir4．1的免疫反应性，发现12名海马硬化症患者星形胶质细胞免疫反应性明显降低，而11例无海马硬化症患者和4名正常尸体解剖者无明显降低。星形胶质细胞免疫亏损最明显的区域是在血管周围和神经胶质区。海马硬化症患者体内钾离子平衡的明显变化，可能导致了海马硬化患者致癫［8］。癫痫病灶Kir4．1表达的改变还可能受到局部炎症环境的影响特别是炎症细胞因子白细胞介素1β（IL-1β）的影响。研究发现，癫痫持续状态开始24 h之后，大鼠颞叶皮质Kir4．1 m RNA和蛋白的表达显著下调，Kir4．1瞬时下调与IL-1βm RNA的显著上调在时间上相对应［9］。

此外最新的研究表明，Kir4．1与肌萎缩侧索硬化症、多发性硬化、肝性脑病等疾病的发生可能有着密切的关系。肌萎缩性侧索硬化症模型大鼠的脑干和皮质，Kir4．1表达水平降低的同时AQP4的表达水平升高。这两种通道功能的改变，特别是在中枢神经系统水平上，可以显著降低星形胶质细胞维持水和钾的动态平衡，从而影响到血脑屏障；干扰神经元微环境，引起运动神经元功能障碍而导致死亡［10］。

多发性硬化是以中枢神经系统白质炎性脱髓鞘病变为主要特点的自身免疫病。多发性硬化患者Kir4．1血清抗体水平比神经系统其他疾病和健康组织捐赠者高［11］。数据分析表明，397名多发性硬化患者中有186例存在Kir4．1血清抗体（46．9%），329例其他神经系统疾病中有3例（0．9%），59例健康抽血者中没有。小鼠的小脑延髓池中注射Kir4．1血清免疫球蛋白G导致Kir4．1的表达明显下降，说明Kir4．1是部分多发性硬化症患者自身抗体的目标。

Kir4．1通道可能参与了肝性脑病的发生［12］。电生理研究发现，NH4＋可以诱发内向电流和降低膜电阻，但这种诱发电流在Kir4．1敲除的小鼠脑片上消失。去极化降低了星形胶质细胞调节钾离子能力同时减少了谷氨酸的摄取，谷氨酸在细胞外的大量聚集可能与肝性脑病的发生有着密切关系。

2 电压依赖性钾通道和相关疾病

电压依赖性钾通道（voltage-gated potassium channels，KV）是神经元产生动作电位，膜电位和神经递质释放的主要通道。主要包括Kva亚单位和辅助亚单位两部分。KV通道广泛分布于神经系统，主要参与各种生理和病理作用，如膜兴奋性的产生、神经递质的释放、神经元细胞的增殖和退化，以及神经网络的信号传递等。KV通道不仅在调节神经细胞突触传导和固有兴奋中发挥关键作用，而且还调控了中枢神经系统的功能和其他细胞的增值。星形胶质细胞亦表达多种KV通道亚型，如Kv1，Kv3和Kv4等。最近的研究表明，在多发性硬化症和巨脑症的发生过程中星形胶质细胞KV通道表达也随之发生相应改变。

非特异性的KV通道阻滞剂4-氨基吡啶，现在被广泛的用于多发性硬化病（一种脱髓鞘炎症疾病）的治疗。在多发性硬化症的动物模型实验性自身免疫性脑脊髓炎中发现，KV在中枢神经系统的表达和分布与疾病的严重程度相关。在实验性自身免疫性脑脊髓炎急性期，星形胶质细胞Kv1．4的表达明显上调。在复发缓解型脑脊髓炎中，其表达在星形胶质细胞进一步增加，但是在晚期慢性实验性自身免疫性脑脊髓炎中Kv1．4的表达降低，说明Kv1．4可能参与了神经保护作用［13］，这为以后寻找更好的治疗多发性硬化的方法提供了坚实的理论基础。

巨脑症与小鼠Kv1．1基因突变相关，这种突变导致了Kv1．1通道上无通道孔域和电压传感器α-亚单位缩短。巨脑症小鼠的大脑在整个成年期均保持增长，特别是海马和皮质腹侧脑组织。与此相反，在皮质背侧（包括嗅和顶叶）脑区，Kv1．1表达正常的星形胶质细胞和神经元均没有表现出过度生长。揭示Kv1．1功能的丢失导致了海马神经元的生产过剩，导致大脑体积的增大［14］。

3 ATP敏感钾通道和相关疾病

ATP敏感钾通道（ATP sensitive potassium channels，KATP）分子结构是由内向整流钾通道亚基和ATP结合盒（ATP-binding cassette，ABC）结合蛋白家族成员磺酰脲受体（sulfonylurea recep tor，SUR）亚家族亚基组成的异源型多聚体。SUR或Kir6．x亚单位单独表达并不具有活性，只有2个亚单位共表达才表现ATP敏感钾通道活性，说明完整通道的功能和特性依赖于2个亚单位的相互作用。KATP按存在部位分为细胞膜ATP敏感钾通道和线粒体膜ATP敏感钾通道。Kir6．x亚基形成KATP通道的中心孔道，SUR是药物作用的主要靶点，SUR赋予了Kir6．x对磺酰脲类药物和钾通道开放剂的敏感性，也增加了Kir6．x对ATP的敏感性，并使KATP通道功能得以完整表达。通过RT-PCR和免疫印迹等分析，发现SUR2B可能主要是星形胶质细胞、少突胶质细胞和一些神经元的调节亚基［15］。在生理条件下，KATP处于关闭状态，并不参与动作电位的形成和兴奋收缩耦联。只有在受到新陈代谢的刺激下，该通道才会被激活而开放。ATP和ADP的浓度变化、ATP／ADP比值的变化对KATP通道活性起着重要调控作用。最近的研究表明，KATP与神经功能紊乱、神经性疼痛、神经再生、神经保护等的发生有着密切的关系，同时KATP可能与帕金森病的发病机制有关。

神经系统中，KATP通道广泛表达于不同脑区，包括皮质、海马、纹状体、下丘脑、背侧迷走神经和脑干等［16］。星形胶质细胞有着广泛的细胞间网络，这种网络是通过缝隙连接来提供相邻细胞间的生物电活动。KATP在其中发挥主要作用。膜片钳记录发现星形胶质细胞KATP激活后，大脑切片上的电耦合比增加。KATP暴露于激活剂二氮嗪（diazoxide）3 m in后，电耦合比开始升高，5 m in达到最高，并保持至处理结束。用5-羟色胺阻断KATP，电耦合迅速抑制，10 m in后降到了最初的71%。激动KATP同样可以降低传导电流延迟时间［17］，激动星形胶质细胞线粒体KATP通道可减轻卡英酸（kainic acid）诱发的细胞连接蛋白功能紊乱，改善癫痫后海马区星形胶质细胞缝隙连接蛋白耦合，说明线粒体KATP通道可通过调节神经胶质细胞缝隙连接蛋白功能而在神经毒素诱发的神经功能紊乱中发挥作用［18］。研究还发现，神经损伤可以诱发脊髓中星形胶质细胞KATP通道下调，导致其缝隙连接蛋白功能中断，从而诱发神经性疼痛［19］。因此，星形胶质细胞KATP通道开放可以调节缝隙连接功能，降低神经性疼痛。

杨菁喆［20］研究了KATP开放剂埃他卡林对成年小鼠脑内神经再生的调节作用，发现埃他卡林能够通过开放星形胶质细胞上KATP通道，从而促进小鼠脑部海马齿状回区的神经再生；进一步发现星形胶质细胞上KATP通道开放后，埃他卡林能够促使海马神经再生，显著改善模型小鼠抑郁样行为，说明星形胶质细胞KATP通道是调节脑内成年神经再生的新靶点，为治疗与神经再生障碍相关的神经精神疾病提供了新的思路。

星形胶质细胞KATP通道参与帕金森病的病理过程。鱼藤酮是诱发帕金森病的经典神经毒素，可以抑制星形胶质细胞Cx43的表达和缝隙连接蛋白的渗透性。KATP通道开放剂埃他卡林和二氮嗪，可以在鱼藤酮引起的Cx43的功能紊乱和星形胶质细胞凋亡中发挥保护作用，这种保护作用可以被线粒体KATP通道阻滞剂5-羟基癸酸所逆转。由此可见，星形胶质细胞KATP通道激活后可改善帕金森病的病理变化［21］。

4 双孔钾通道和相关疾病

双孔钾通道是近年发现的一类新的钾通道亚型，这类通道可以在全部生理电压范围内被激活，因此又被称为背景钾电流或基线钾电流，在培养的星形胶质细胞上已发现表达双孔钾通道TASK-1，TASK-3，TREK-2和TREK-1。TREK-1作为对机械刺激和细胞脂质敏感的钾通道，是双孔钾通道家族中被研究的最为广泛的一员。TREK-1在中枢神经系统有着广泛的分布。研究表明［22］，TREK-1特异并高表达于人类中枢神经系统，尾状核和壳核含量最高，GABA中间神经元，海马谷氨酸能神经元表达量亦较高。大鼠体内TREK-1同样高表达于中枢神经系统，在海马和皮质、新皮质、下丘脑都有很高的含量。TREK-1通道在神经胶质细胞上的表达及功能研究相对较少。无论是由海马培养出的星形胶质细胞还是由脑皮质培养的星形胶质细胞上均有TREK-1的表达，TREK-1有助于星形胶质细胞维持较低的静息膜电位，进而在脑缺血损伤过程中发挥着神经保护作用。在缺血损伤后，活化的星形胶质细胞中TREK-1通道的表达有上调趋势。由此推测TREK-1在脑缺血损伤中的神经保护作用可能是通过缺血损伤过程中增加表达的TREK-1通道维持星形胶质细胞较低的静息膜电位，进而有助于星形胶质细胞更好地发挥缓冲K＋、再摄取谷氨酸的平衡缓冲功能。抑制TREK-1通道的活性导致星形胶质细胞的谷氨酸摄取能力显著下降，同时增加s100β的分泌，促进缺氧时细胞的增殖。TREK-1对四乙基铵、4-氨基吡啶和Ba＋等经典的K＋通道阻滞剂不敏感，但能被缺血缺氧损伤过程中产生的多种病理生理因素调节［23］。吸入性麻醉剂（氟烷，异氟烷）、气体麻醉剂（一氧化二氮，环丙烷）和神经保护剂利鲁唑（rilnzole）在临床使用剂量下也可明显活化TREK-1。然而，由于缺乏相对特异性的阻断剂和激动剂，TREK-1的活性对生理和病理条件下星形胶质细胞的功能的影响并不清楚，TREK-1在缺血星形胶质细胞中的作用有待于进一步研究证实。

5 展望

星形胶质细胞作为神经胶质细胞的主体，在中枢神经系统出现创伤或神经退行性改变等各种病损时，在形态、数量和一系列神经分子生物学上发生明显改变，以完成代偿、再生和修复等一系列功能。星形胶质细胞维持其正常的生理功能依赖其表达的各种钾离子通道，离子通道功能的异常与各种中枢系统疾病的发生发展有着密切的关系。双孔钾通道TREK-1是星形胶质细胞上新发现的钾离子通道，其在缺血星形胶质细胞代谢中的作用还不清楚，体外脑缺血时，星形胶质细胞TREK-1双孔钾通道表达变化和谷氨酸摄取功能变化以及星形胶质细胞TREK-1对谷氨酸兴奋性毒性作用等方面还有待进一步研究。

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Progress in astrocytes potassium channels and related diseases

QIAN Wei-na1，LU Li2，WANG Xue-xi1
（1．Institute of Integrated Traditional Chinese with Western Medicine，2．Key Lab of Preclinical Study for New Drugs of Gansu Province，Institute of Pharmacology，School of Basic Medical Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

Astrocytes are the largest number of glial cells in the central nervous system．In recent years，more attention has been paid to their role in the central nervous system．They not only serve as the″soil″for the survival of neurons by providing nutritional support，but also help clear glutamate，buffer potassium levels，and enhance immunity．The maintenance of astrocyte functions mainly depends on a variety of potassium ion channels，including the inward rectifier potassium channel（Kir），voltagedependent potassium channel（Kv），ATP-sensitive potassium channels（KATP）and two pore potassium channels．Potassium channels under physiological conditions are involved in regulating astrocytes．However，changes in the expression and functions of these channels under pathological conditions are closely related to pathogenesis of cerebral ischemia，epilepsy，Alzheimer disease and other diseases of the nervous system．This paper aims to review the research development on relationships between potassium channels in astrocytes and related diseases．

astrocytes；potassium channels

WANG Xue-xi，E-mail：wangxuexi＠lzu．edu．cn，Tel：（0931）8915184

R363．21

A

1000-3002（2014）01-0113-05

2013-10-08 接受日期：2013-12-14）

（本文编辑：乔 虹）

国家自然科学基金项目（81360207）；甘肃省青年基金（1107RJYA046）；兰州市城关区科技计划项目（2011-1-4）；兰州市城关区科技计划项目（2012-1-13）；兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金（lzujbky-2012-146）；兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金（lzujbky-2011-84）；青海省（应用）基础研究计划项目（2012-Z-737）

千维娜（1986－），女，陕西西安人，硕士，主要从事星形胶质细胞的基础与临床研究。

王学习，E-mail：w angxuexi＠lzu．edu．cn，Tel：（0931）8915184

Fondationitem：The project supported by National Natural Science Foundation of China（81360207）；Youth Foundation of Gansu Province（1107RJYA046）；Chengguan District Science and Technology Projects of Lanzhou City（2011-1-4）；Chengguan District Science and Technology Project of Lanzhou City（2012-1-13）；Fundamental Research Fund for the Central Universities of Lanzhou University（lzujbky-2012-146）；Fundamental Research Fund for the Central Universities of Lanzhou University（lzujbky-2011-84）；and Applied Basic Research Program of Qinghai Province（2012-Z-737）