HCN通道在糖尿病周围神经病变发生中的作用研究进展

陈美云，雷晓露，余德芊，刘晓红

(遵义医学院基础医学院，贵州遵义563003)

HCN通道在糖尿病周围神经病变发生中的作用研究进展

陈美云，雷晓露，余德芊，刘晓红

(遵义医学院基础医学院，贵州遵义563003)

超极化激活环核苷酸门控的阳离子通道(HCN 通道)属于孔环阳离子通道家族成员。哺乳动物HCN通道存在4个亚型(HCN1-4)，主要表达于心脏和神经系统。HCN通道激活后产生的超极化激活电流具有影响细胞膜静息电位、控制细胞兴奋性、调节心脏和神经节律等诸多生理功能，其表达及功能的异常改变与癫痫、脑缺血、病理性疼痛及心律失常等多种疾病的发生密切相关。HCN通道在糖尿病周围神经病变(包括糖尿病感觉性周围神经病变及心脏自主神经功能障碍)发生中扮演着重要角色。

阳离子通道；超极化激活环核苷酸门控的阳离子通道；周围神经病变；糖尿病并发症

上世纪70年代Noma等[1]首次在心脏的窦房结细胞记录到超极化激活电流(Ih)，并将其命名为“funny”电流(If)，随后在神经元中也发现Ih，后来证实超极化激活环核苷酸门控的阳离子通道(HCN 通道)介导Ih。HCN通道主要分布于哺乳动物的心脏和神经系统，参与多种生理及病理过程。近年研究发现HCN通道在糖尿病周围神经病变发生中扮演着重要角色。现就HCN通道在糖尿病周围神经病变(包括糖尿病感觉性周围神经病变及心脏自主神经功能障碍)发病中的作用研究进展情况进行综述。

1 HCN通道的结构及生理学特性

1.1 HCN通道的结构 HCN通道属孔环阳离子通道超家族中的环核苷酸门控通道亚族，分四个亚型：HCN1、HCN2、HCN3和HCN4。功能性HCN通道是由四个亚单位组成的四聚体复合物，每个亚单位由跨膜核心区、细胞膜内侧C-端和N-端三部分组成；跨膜核心区由6个跨膜α螺旋片段(S1～S6)及连接区组成，包括带正电荷的电压传感器S4、S5 和S6 之间形成的离子传导孔区，跨膜核心区决定了HCN通道激活曲线的不同[2]；细胞膜内C-端包含环核苷酸结合结构域(CNBD)，未结合cAMP的CNBD可阻碍HCN通道的开放(称为“自抑制”)，而cAMP结合CNBD后可解除这种自抑制作用，致使结合cAMP的HCN通道开放速度和引起电压改变的幅度均高于未结合型[3]；细胞膜内侧N-端的功能目前尚不明确。

1.2 HCN通道的生理学特性 HCN通道的激活受到双重调控，即电压门控和配体门控。细胞膜电位超极化改变是HCN通道激活的必须条件，膜电位为-50～-60 mV时HCN通道部分激活，膜电位为-100 mV时HCN通道完全激活开放。激活的HCN通道允许Na+和K+按1∶5～1∶3的比例通过细胞膜，使细胞膜去极化，导致细胞兴奋性增加。有文献[4]报道HCN通道开放后除了对Na+和K+通透，也允许少量Ca2+内流。Cs+可阻断HCN通道，但Cs+也是非选择性钾通道阻断剂，ZD7288为特异性HCN通道阻断剂[5]。不同亚型HCN通道具有不同的激活速度：HCN1是激活速度最快的通道，其活化常数τ的变化范围是30～300 ms；HCN4是激活速度最慢的亚型，τ的变化范围是300 ms至数秒；HCN2和HCN3的活化常数τ的变化范围介于HCN1和HCN4间。各亚型HCN通道对cAMP敏感性不一致：HCN2和HCN4亚型对细胞内cAMP敏感，胞内cAMP水平升高可使其激活曲线向去极化方向移动15～20 mV；HCN1对cAMP不敏感，cAMP仅可使其激活曲线向去极化方向移动约+5 mV；HCN3几乎不受cAMP的调制[2]。

2 HCN通道在糖尿病周围神经病变发生中的作用

周围神经病变是常见的糖尿病慢性并发症，临床主要表现为感觉和自主神经症状，其发病机制尚不完全清楚。最新研究表明HCN通道表达及功能的异常改变与糖尿病周围神经病的发生、发展密切相关。

2.1 HCN通道参与糖尿病感觉性周围神经病变的发生 感觉性周围神经病变是糖尿病周围神经病最常见的类型，常常导致患者肢体疼痛、麻木、感觉过敏或减退。其中，痛性糖尿病周围神经病变(PDN)在糖尿病人群中的发病率高，以自发性疼痛、异常性疼痛、痛觉过敏为主要特征，临床表现为四肢远端对称性的持续或间断性疼痛。近年研究显示初级传入神经元HCN通道表达及功能的异常改变可能促进了PDN的发生、发展。背根节(DRG )神经元为感觉传入的第一级神经元，负责接受和初步整合感觉信息并完成向脊髓的传递，免疫组织化学染色显示HCN通道分布于DRG细胞：HCN1主要表达于大、中型DRG神经元；HCN2多表达于传递伤害性信息的中、小型神经元，提示HCN2与病理性疼痛调节密切相关；HCN3在DRG神经元表达量较少；而HCN4只在小型DRG细胞少量表达[6]。新近研究[7,8]表明，在外周炎性痛和外周神经损伤所致神经痛模型中，DRG神经元HCN2通道表达增加、Ih幅度增大，受损神经元出现异位放电；HCN通道拮抗剂可降低Ih幅度，减少受损神经元的异位放电，同时减轻痛敏症状，表明HCN通道表达增加导致的初级感觉神经元兴奋性增加促进了病理性疼痛的发生、发展。连续给予丙酮醛(葡萄糖代谢的派生物)1周可导致小鼠外周感觉神经元HCN通道的激活电位向去极化方向偏移、Ih电流密度明显上调，感觉神经元兴奋性增高，在糖尿病感觉神经病变患者也存在相同的现象[9]。我们的研究发现链脲霉素(STZ)诱导的1型糖尿病神经痛大鼠背根节HCN1、HCN2表达增加，鞘内给予HCN通道拮抗剂ZD7288可抑制糖尿病大鼠的机械痛敏，提示糖尿病感觉性周围神经病变与DRG神经元HCN通道功能失调密切相关。然而，不同亚型HCN通道所起的具体作用有待于动物实验及大量的临床研究来阐明。

2.2 HCN通道参与糖尿病心脏自主神经病变的发生 心脏自主神经病变是引起糖尿病患者病死率上升的重要因素，临床表现包括心律失常、无症状性心肌缺血或无痛性心肌梗死、体位性低血压等等，其发病可能与交感神经和副交感神经的失衡有关，近年研究显示分布于心血管的HCN通道参与了糖尿病性心脏自主神经病变的发病。

2.2.1 HCN通道参与糖尿病性心律失常的发生

2.2.1.1 HCN通道参与窦性心律失常的发生 Li等[10]首次通过分子标记定位发现人类窦房结存在HCN1、HCN2和HCN4通道，由三种HCN通道共同产生的If电流是窦房结细胞4期自动除极的必需离子电流，在窦房结细胞自律性产生中起重要作用。其中，HCN4是窦房结、房室结、希氏-普肯野纤维等传导系统中表达最丰富的亚型，在If电流的产生中起主导作用[11]。HCN通道功能异常改变参与了窦性心律失常的发生：Baruscotti等[12]首次发现1例存在不良性窦性心动过速家族史患者的HCN4通道R524Q突变，突变的R524Q位于HCN4通道cAMP结合区域；全细胞膜片钳记录发现转染R524Q基因的窦房结细胞对cAMP敏感性增加，窦房结起搏细胞动作电位频率增快；随后发现心率正常的新生大鼠在转染R524Q基因后心率增快，这说明R524Q突变导致的HCN4功能增强参与了窦性心动过速的发生；Millat等[13]和Schweizer等[14]发现心动过缓伴慢性沙加斯心肌病与HCN4基因中PGly482Arg变异导致的HCN4功能下降密切相关。STZ诱导的1型糖尿病大鼠窦房结HCN2和HCN4通道蛋白表达降低，同时伴有心率减慢、窦房传导时间和窦房结恢复时间延长[15]。最近Meyer等报道1例创伤应激后伴有心悸、头疼的1型糖尿病患者，直立倾斜试验显示该患者存在高肾上腺素能直立性心动过速综合征，使用HCN通道阻断剂伊伐布雷定可明显缓解患者直立性心动过速综合征症状[16]。这些研究提示窦房结HCN通道表达及功能的改变参与了糖尿病窦性心率失常的发生。然而，1型、2型糖尿病窦房结各亚型HCN通道蛋白表达及功能改变的机制有待于进一步研究。

2.2.1.2 HCN通道参与房性、室性心律失常的发生 生理状态下HCN通道很少表达于心脏传导系统以外的组织，故长期以来认为HCN通道在心脏的功能只表现在自律细胞，而与工作细胞的兴奋、收缩无关。但后来研究发现，HCN2、HCN4在心房和心室肌细胞均有少量表达，生理状态下HCN通道表达水平低，且激活阈值比正常静息电位更负，因此工作细胞不产生If电流[17]。但越来越多的研究显示, 心脏病变时心房和/或心室的HCN2、HCN4表达发生改变，引起If电流增强或减弱进而导致心肌细胞电不稳定性增加，促进心律失常的发生：Riesen等[18]发现肥厚性心肌病猫左心室HCN4表达显著增加；Hofmann等[19]发现主动脉缩窄所致的心肌肥厚小鼠心室肌If电流密度增加，降低了心室肌细胞动作电位的复极化储备，进而导致室性快速心率失常的发生；Zicha等[20]的研究显示，快速心室起搏诱导的充血性心力衰竭犬窦房结HCN4通道表达下调,而右心房HCN4表达明显上调,认为这与慢性心力衰竭所致的房颤有关；此外，Kuwabara 等[21]发现HCN通道阻断剂伊伐布雷定可降低扩张型心肌病小鼠室性快速心律失常，而心脏过表达HCN2基因的小鼠对β-肾上腺素能受体激活所致的心律失常敏感性增加。王庆志等[22]的研究显示STZ诱导的1型糖尿病大鼠左心室HCN2、HCN4表达升高，认为HCN2、HCN4 表达升高导致的心脏电重构可能与糖尿病室性快速心律失常密切相关。然而，1型、2型糖尿病时心房与心室HCN通道表达、功能的变化与各种心律失常的确切关系有待于大量实验与临床的深入研究。

2.2.2 HCN通道参与糖尿病压力感受性反射减弱的发生 压力感受性反射是机体调节动脉血压和心率的重要机制，糖尿病患者压力感受器对血压的调控作用减弱，血压的波动性增大，易发生体位性低血压，是导致糖尿病致死率高的重要因素。存在于结状节的主动脉弓压力感受神经元是压力感受性反射初级传入神经元，可检测主动脉血压变化，其功能异常可导致主动脉压力感受器反射减弱。近年研究发现，糖尿病时结状节神经元的HCN通道表达及功能发生明显改变：Tu等[23]发现STZ导致的糖尿病大鼠结状节神经元HCN通道蛋白表达增加、Ih电流密度增大；Li等[24,25]进一步研究发现，STZ诱导的1型糖尿病大鼠结状节HCN1和HCN2表达、Ih电流密度均明显升高，导致结状节神经元兴奋性降低，而HCN通道拮抗剂ZD7288可降低Ih电流密度并使结状节神经元的兴奋性恢复正常。可见，结状节神经元HCN通道过度激活导致的神经元兴奋性降低可能是1型糖尿病患者压力感受性反射减弱的原因之一。

3 HCN电流抑制剂的开发应用

以往多种用于单纯降低心率的药物经研究鉴定属于HCN电流抑制剂或调节剂，如烯丙尼定、ZD7288以及最新研制的伊伐布雷定。烯丙尼定可增加HCN通道关闭状态的稳定性，从而降低窦房结细胞舒张期去极化速度，具有显著降低心率的作用[26]。但同时，烯丙尼定对心肌细胞IK通道和L-型钙通道也产生抑制作用，延长心肌细胞动作电位时程、致使负性肌力作用产生[26]，此外，烯丙尼定还存在口干、低血压等一系列副作用，不被临床应用。HCN通道抑制剂ZD7288通常用于电生理实验中检验HCN通道电流，其作用机制为ZD7288与HCN通道细胞内侧跨膜区S6紧密结合抑制跨膜区微孔开放[27]。伊伐布雷定是近年研发的一种新型特异性HCN通道抑制剂，其作用机制与ZD7288相似，目前临床主要用于治疗不恰当窦性心动过速，可改善心绞痛及心力衰竭患者的运动耐量[28]。但由于伊伐布雷定能抑制心肌细胞的hERG K+通道电流，其使用可能存在致患者猝死的风险；另外，临床上因其偶尔出现暂时性视觉障碍和罕见的窦性心动过缓等不良反应而使其应用受限[29]。HCN通道主要表达于心脏和神经系统，参与机体诸多生理与病理过程，如伤害性信息传导通路HCN通道表达及功能的异常改变可促进病理性疼痛的发生、发展[30]，心脏自律细胞或工作细胞HCN通道的异常改变与心律失常的发生密切相关，故以HCN通道为靶点来治疗相关疾病有着重要意义。但现有的HCN通道阻滞剂均为亚型非选择性抑制剂，有明显的不良反应[31]。因此，应尽快开发HCN通道亚型选择性强的药物。

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10.3969/j.issn.1002-266X.2017.43.035

R338.2

A

1002-266X(2017)43-0110-04

国家自然科学基金资助项目(31360253)。

刘晓红(E-mail: lxh680718@aliyun.com)

2017-08-23)