河豚毒素对敏感性钠离子通道的作用及其与疼痛的关系

邓兴朝，陈欢，陈静，黄连生

（深圳瑞达生物股份有限公司，广东深圳 518102）

慢性疼痛已成为全球范围内的主要健康问题，全球有20%的成年人正遭受着慢性疼痛，每年新被确诊的慢性疼痛病人约占全球的10%。疼痛主要是癌症、类风湿性关节炎、手术、损伤以及骨髓等问题造成的，为了更好地治疗这些用常规的药物无法缓解的疼痛，迫切需要开发新的镇痛药。河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）是一种神经毒素，作用于特定的钠离子通道（VGSCs）亚型。VGSCs在疼痛中起着关键作用，其中TTX敏感亚型近年来备受关注，因为这些亚型与正常和病理性疼痛密切相关。由于TTX以高度选择性的方式阻断了VGSCs这个超蛋白家族，在缓解疼痛方面有潜在的作用。本文将对TTX是如何对钠离子通道进行作用及在疼痛中有关键作用的钠离子通道亚型进行叙述。

1 疼痛的产生与传导

组织损伤或潜在的损伤，导致组胺、激肽类、5-羟色胺、前列腺素E等致痛物质的释放，从而激活伤害性感受器及其连属的结构，在经过传导纤维传导痛信息并产生动作电位，经过背根神经元传到脊髓，并在此处经过整合后传导丘脑和大脑皮层引起疼痛的感觉。

伤害性感受器为外周游离的神经末梢，广泛分布于机体的各部位，直接接受伤害性刺激或者间接为致痛物质所激活。这些伤害性感受器的胞体位于脊髓背根神经节（DRG）上[1]。背根神经节位于脊神经后根，椎间孔骨性结构之内，也称脊神经节或感觉神经节，是机体内、外环境与脊髓联结的纽带，它发出的单个轴突会分成两支：一支是周围神经轴突，用来接受感觉信息；另一支是中枢轴突，用来将外周传入的感觉信息送至脊髓背角，完成初级感觉信息的传递[2]。脊髓背角是外周神经传入以及脑干和大脑皮质下行投射神经的汇聚处，不仅可以接受和传递伤害性信息，还可以对伤害性信息进行加工处理，是疼痛传递的第二级中转站，是感觉信息加工转换的重要节点。大脑皮层是疼痛感觉的最高级中枢，它可以接受传入的各种疼痛感觉信息并对其进行加工和处理，最终上升到意识。

近年来，一些与疼痛有关作用机制也逐渐被研究，特别是DRG的痛觉机制，在神经病理性疼痛的发生机制中具有关键的作用，其不仅与多种受体有关，更与离子通道关系密切，因此认识离子通道，对于阐明神经性疼痛的机制有重要意义[3]，同时也为开发新型的镇痛药提供了重要的理论基础。

2 河豚毒素的药理作用及可能的镇痛机制

2.1 河豚毒素的结构和理化性质

河豚毒素纯品在1955年由日本的平田义正教授从河豚鱼中成功分离出来[4]，并于1972年成功合成人工河豚毒素，分子式为C11H17N3O8，分子量为319.27，其结构特征是含有1个碳环、1个胍基、6个羟基，在C-5和C-10位有一个与半醛糖内酯连接的分开的环，为氨基全氢喹唑啉型化合物[5]，被一些学者称为“自然界最奇特的分子之一”。河豚毒素也是自然界发现的毒性较高的物质之一，1 g河豚毒素的毒性是等量氰化物的1万倍，砒霜的1 250倍。河豚毒素的粗制品为棕黄色粉末，纯品为无色晶体，无臭无味，不溶于乙醇、乙醚、苯等有机溶剂，微溶于水，易溶于稀酸溶液。理化性质稳定，在中性和酸性条件下对热稳定，240 ℃开始碳化，但300 ℃以上也不分解。

2.2 河豚毒素作用机制

河豚毒素是典型的钠离子阻断剂，可高选择性和高亲和性地阻断神经兴奋膜上钠离子通道。TTX能够与电压门控钠通道结合是由于胍基在生理pH下可以发生质子化从而带正电荷，与钠离子通道侧链上带负电的羰基相互结合，从而阻止钠离子进入通道[6]。钠离子受体至少有6个特异性靶分子结合位点，TTX是与钠离子通道受体部位Ⅰ结合。TTX受体位于可兴奋细胞膜外侧、钠通道外口附近，TTX与受体部位结合，阻碍钠离子接近通道外口。研究表明，TTX特异性作用于钠离子通道，对钾、钙离子通道和神经肌肉的突触及胆碱酯酶无直接影响，因此被作为确定钠离子通道的首选化学标记物，是研究钠通道的重要工具药[7]。此外，毒素能通过血脑屏障进入中枢，对中枢产生明显的抑制作用。单通道记录结果显示，钠离子通道被河豚毒素阻断是以一种全或无的方式，毒素和通道的比例关系是1∶1，即一个分子毒素堵塞一个钠通道，并且其结合是可逆的，并与Na+、K+、Mg2+、Ca2+等带正电荷的离子竞争受体[8]。根据电压门控钠离子通道对河豚毒素（TTX）的敏感性，将其分为TTX敏感型（TTX-s）和TTX耐受型（TTX-r），分别介导着激活阈较低失活较快的快钠电流和激活电压高失活较慢的慢钠电流。越来越多的研究表明，河豚毒素对钠通道的影响可能是其镇痛的机制[9]。而在VGSC家族中仅有6个TTX-s钠离子通道成员（Nav 1.1～1.4，1.6，1.7）可以被TTX阻断，其他的钠离子通道亚型是TTX-r钠离子通道，不能被TTX阻断。

3 电压门控TTX敏感型钠离子通道及其在疼痛中的作用

3.1 电压门控钠离子通道结构和功能

VGSCs是允许钠离子快速流入的一种复杂的跨膜蛋白，也是离子通道超蛋白家族的成员之一，可兴奋细胞中动作电位的去极化上升也以此为基础，在神经元和非神经元功能中发挥着重要作用。目前已有10种钠离子亚型从哺乳动物体内被克隆出来，由于前9种亚型的氨基酸序列相似度很大，Nav1.1、Nav1.2和Nav1.3通道的同源性更是高达90%，因此被认为来自同一家族，即Nav1（Nav1.1～Nav1.9）家族。第10个钠离子通道的结构（即NaⅩ）与Nav1家族中的所有通道明显不同[10]，被认为是一种不编码VGSCs的相关蛋白。而Nav1家族中α-亚基是由4个同源结构域组成，分别称作DⅠ～DⅣ，电压门控钠离子通道的Ⅰ～Ⅲ三个结构域负责通道的打开，Ⅳ则启动失活。每个同源结构域含有6个跨膜α螺旋构成，分别称作S1～S6，其中S1～S4组成电压感受结构域，而且S4上含有丰富的碱性氨基酸残基，与电压感受功能相关，S5-S6之间有P连接，形成选择性过滤器，与通道的离子选择性有关[11]。

3.2 TTX敏感型钠离子通道和疼痛的关系

在Nav1家族中，许多α-亚基都有特定的发育、组织或细胞分布。Nav1.4几乎只在骨骼肌中表达[12]，使其不太可能参与疼痛状态。Nav1.1、Nav1.2和Nav1.6可能在成人中枢神经系统（CNS）神经元中表达。尽管Nav1.2是主要的CNS亚型之一，在成人背根神经节（DRG）的神经元中也可检测到，但在大多数情况下，这些细胞的表达量都很低[13]。Nav1.1、Nav1.6和Nav1.7在成人DRG的感觉神经元上可以表达。Nav1.3主要在不成熟的神经元中表达，通常在成人神经元中含量很低[14]。然而，在一定条件下，成人神经元上Nav1.3的表达上调，这可能在疼痛感觉中发挥作用[15]。在本综述中，我们主要关注TTX能阻断的、在疼痛中发挥作用的几种敏感型钠离子通道。

3.2.1 Nav1.1

Nav1.1在外周神经系统和中枢神经系统广泛表达。编码Nav1.1 mRNA在大的直径感觉神经元中表达量最高，中直径神经元中表达量中等，小直径神经元中表达量低[16]。因而Nav1.1可能主要参与本体感受性传递。值得注意的是，DRG神经元中大约有11%的Nav1.1 mRNA对IB4（一种小的非肽能的伤害感受神经元标记物）呈阳性，这表明这些小直径DRG神经元中的Nav1.1可能参与伤害感受的传导和调节。同样，神经系统中编码Nav1.1的SCN1A基因突变与人类遗传性癫痫综合征和家族性偏瘫偏头痛有关，这提示着Nav1.1可能参与了偏头痛的发生[17]。在第五脊髓神经结扎（SNL）和坐骨神经轴切开术后，导致受损DRG中的Nav1.1蛋白的表达在一段时间内显著增加[18]，这说明DRG中的Nav1.1可能参与了神经性疼痛的诱导。在SNL和轴突切断术模型中，Nav1.1表达增加的时间不同，提示Nav1.1蛋白的早期增加可能参与了神经损伤引起的疼痛超敏反应[19]。而既往的实时荧光定量PCR实验的研究则表明，在SNL损伤后的DRG中Nav1.1 mRNA表达水平反而下降[20]。

3.2.2 Nav1.2

Nav1.2是中枢神经系统中主要的电压门控钠离子通道主要亚型之一，它定位于树突，无髓鞘的轴突和前髓鞘的轴突上[21]。虽然在早期发育阶段，Nav1.2 mRNA表达水平是中等的，但在成人DRG中，其表达水平而非常低。Nav1.2 mRNA表达水平在大鼠神经损伤后，腹后外侧核的神经细胞中并未改变[22]。在背根神经元炎症性疼痛的模型中，Nav1.2的表达水平并未变化，在周围神经损伤后其表达水平并未受影响和下降，在疼痛的人神经瘤中没有观察到其表达的变化。此外，对外周神经系统的研究普遍报道在这一水平下Nav1.2的信号很低。这种亚型似乎与疼痛无关。然而，Nav1.2最近被确认为是介导椎板Ⅰ/Ⅱ脊髓神经元的动作电位放电的电压门控钠离子通道的主要亚型[23]。

3.2.3 Nav1.3

Nav1.3在发育中的中枢神经系统中广泛表达，但在成人的中枢神经系统和外周神经系统中通常缺失或低水平表达，仅少量存在于交感神经元中[24]。Nav1.3通道具有快速激活和失活的动力学机制，能够在失活后快速恢复。有研究表明，当外周神经损伤后，背根神经元中的Nav1.3的表达水平会上调，在神经横切和炎症后其表达也会反复增加[24]。在脊髓损伤后，Nav1.3在多种感受伤害性脊髓背角神经元中的表达水平均上升，这种上升与可能与这些感受伤害性神经元的兴奋性和疼痛有关。Nav1.3的反义敲除可减弱脊髓损伤动物的脊髓背角神经元生物兴奋性和疼痛行为[25]。因此，Nav1.3的再表达可能在增加神经元兴奋性方面起着重要作用，从而导致神经性疼痛、心房颤动和脊髓损伤。然而Hains等[26]人发现鞘内Nav1.3反转录降低了脊髓角神经元的兴奋性，减轻了与脊髓损伤和周围神经慢性缩窄性损伤（CCI）相关的疼痛的行为。

3.2.4 Nav1.6

Nav1.6可以在多种不同类型的神经元中有表达，但主要外周和中枢神经系统神经元的节点上表达。Nav1.6与其他TTX敏感型的钠离子通道相似，也具有快速激活和失活的特性，但该通道从失活中能够恢复的速度大约是Nav1.7通道的5倍[27]，表明Nav1.6在神经元中的表达能够维持更高的发射频率。在培养DRG神经元中发现，重组的Nav1.6通道可以产生很高的复活电流，并且在大鼠眶下神经损伤模型中，在病灶近端Nav1.6通道的蛋白水平明显升高，这暗示着在神经性疼痛的情况下，疼痛可能会被Nav1.6通道快速运输到周围终末，但这种增加是否参与了受损DRG神经元的异常自发活动性的产生还有待进一步研究。

3.2.5 Nav1.7

Nav1.7是SCN9A编码的跨膜蛋白，具有缓慢开放和缓慢失活的特性。Cox等人[28]通过神经学检查巴西斯坦北部的缺乏功能性Nav1.7通道几个家庭，结果表明：这些人虽然从未经历过疼痛，但是他们的听力、视觉、智力、本体的感觉、触觉等都被认为与正常人相同。Goldberg等人[29]对这些人的出汗、眼泪形成、血压调节等方面也进行了测试，结果表明这些对疼痛不敏感的人在这三项上也是正常的。Goldberg在这些对疼痛不敏感的患者中也发现了Nav1.7截断突变，证明了Nav1.7功能缺失会导致人群对疼痛不敏感。通过以上研究，发现了这些缺乏功能性Nav1.7通道的个体除了对疼痛完全不敏感外，其他方面表现出正常的状态，因此以Nav1.7为靶点的药物可能是理想的镇痛药。

4 结语

鉴于钠离子通道在疼痛形成中具有重要的作用，理论上以它们为靶点治疗疼痛时可以减少许多副作用的产生，因此该通道可能是开发新型镇痛药的理想靶点。而TTX对钠离子通道的亚型具有选择性、高亲和力，它们通过与钠离子通道上的受体部位Ⅰ结合而调节钠离子通道的功能，并且该毒素和通道的比例关系是1∶1。因此，开发这种阻滞剂药物代表了疼痛治疗的新希望。