钾离子通道-镇痛药物作用的新靶点

洪江茹，仇婕，徐秀琦，刘文涛，张广钦

(1.中国药科大学临床药学教研室，江苏 南京 211198；2.南京医科大学江苏省神经退行性疾病重点实验室，江苏 南京 211166)

疼痛是一种生理状态，可促进对有害事件的保护反应。但是，疼痛可能会作为病理生理因素，变成慢性破坏性疾病，从而损害生活质量。神经元过度兴奋是导致自发性和诱发性疼痛的主要原因。而神经元兴奋又与离子通道有着密不可分的联系。钾通道作为已知神经元中数目最多，分布最广，种类最多，作用最复杂的一类离子通道，在调节神经元和其他兴奋性细胞的静息膜电位与动作电位起到重要作用[1]。因此，近年来钾通道被视为镇痛药物作用的新靶点。本文主要介绍钾通道在疼痛中的调节作用以及作用于钾通道的镇痛药物的研究进展。

1 钾通道与疼痛信号

疼痛信号传递和处理依赖初级传入神经纤维离子通道的活性，而初级传入神经元的电活动主要是受脊髓背角神经元(DRG)释放的递质(如P物质、谷氨酸等)和离子通道(包括钠、钾和钙等通道)的制约[2]。钾通道对神经元兴奋性的影响始于周围的伤害感受末端，通过影响静息电位和动作电位阈值来调节放电[3]。

在脊髓背角神经元初步整合后，经过上行通路进入中枢的高级部位，中枢神经各级水平的调整，痛觉被感知或受抑制。在中枢神经系统中，K+通道的开放可能会导致痛觉增强。中脑导水管周围灰质神经元是内源性痛觉控制系统中的重要位点，接受脊髓纤维传入的冲动信号[4]，而目前已有许多类型的钾通道可以调节伤害感受。

2 钾离子通道的分类

根据每个亚基跨膜区域的数量及其生理和药理学特征将通道分为多个家族。根据结构和生理特性，钾离子通道可分为4种不同的类型，即：电压门控性钾通道(Kv)、内向整流型钾通道(Kir)、双P区型钾通道(K2P)以及钙激活型钾离子通道(KCA)[5]。

2.1 电压门控型钾离子通道 Kv通道是由功能性α亚基和辅助性β亚基组成的亚家族特异性四聚体，具有6个跨膜结构域(TMD)S1～S6，分别为电压感受器区域(S1～S4)和由S5和S6之间的凹角环形成的孔[6]。根据蛋白质整个疏水核心的氨基酸序列，电压门控型钾通道可分为12个Kv通道亚家族，共有40个独特的Kv通道亚基。Kv通道在神经元细胞膜中的丰富性和特异性分布受多种分子机制的调控[5]，是神经元放电频率和尖峰持续时间的关键决定因素，其活动的减少导致尖峰频率和尖峰持续时间增加，以及尖峰阈值降低，从而导致整个细胞膜过度兴奋[1]。神经损伤会导致Kv电流减少，兴奋过度和痛觉过敏[7]。在这里主要描述Kv 1家族、Kv 4家族与Kv 7家族与疼痛相关的机制以及药物靶点。

2.1.1 Kv 1家族 在神经元中，Kv1(KCNA)通道主要位于轴突和神经末梢[5]。文献报道，在Kv1家族中，Kv1.1和Kv1.2在疼痛传递中起到较大的作用。例如，在正常大鼠的DRG中，Kv1.1和Kv 1.2 亚单位的mRNA高度表达，而在轴突切开术后， Kv1家族亚单位(Kv1.1、1.2、1.3和1.4)的mRNA水平都显著降低了[8]。

然而Kv1家族的各个亚单位中与疼痛相关的机制不尽相同。有研究表明，机械敏感钾电流与Kv1.1～Kv1.2异聚体有关。干扰Kv1.1通道的表达会引起严重的机械异常性疼痛，但不引起热痛觉过敏。这说明Kv1.1通道是机械敏感性的主要感受部位[9]。敲除Kv1基因小鼠对有害刺激的敏感性明显增加。缺少Kv1.1钾通道亚基基因的突变小鼠降低热刺激实验阈值[10]。Kv1.2的表达水平在初级感觉神经元之间受到不同的调节，并表明Kv1.2蛋白在感觉传导中起着至关重要的作用[11]。Kv1.2敲除可能使静息膜电位发生去极化，降低动作电位的阈值，以及增加DRG神经元中动作电位的数量并产生神经性疼痛的症状[12]。另外，研究发现巨噬细胞和T淋巴细胞中Kv1.3的调节可能导致某些疾病的免疫反应发生重要变化。双氯芬酸能够通过特异性降低Kv1.3的表达损害巨噬细胞的活化和迁移，发挥其抗炎作用[13]。此结果为针对与炎症和疼痛相关的自身免疫性疾病提供新的治疗思路。Kv1.4亚基的表达也与膀胱炎大鼠的膀胱传入神经元兴奋性相关。有实验认为膀胱炎症通过减少Kv1.4亚基的表达而增加了膀胱传入神经元的兴奋性[14]。

2.1.2 Kv 7家族 神经元Kv7通道(KCNQ)主要位于轴突前端。Kv7基因编码5种亚基：Kv7.1～Kv7.5[5]。其中Kv7.2～Kv7.5在神经系统中表达。在细胞处于接近静息电位与动作电位激发阈值之间的状态时，Kv7通道可影响静息膜电位，并有助于稳定神经元兴奋性并限制重复放电。在神经元中，大多数M通道是由Kv7.2、Kv7.3和Kv7.5的同聚或异聚结合形成的[15]，是已知的一种在多种中枢和周围神经元中调节兴奋性的K+通道。

伤害感受神经元中的M通道抑制作用增强会使M电流减少，导致缓慢的去极化，兴奋性增强，并引起中等程度的疼痛[16-18]。大量研究表明，感觉神经元中M电流的增加具有镇痛作用。目前已有M通道开放剂用于治疗疼痛[16-17，19]。

2.2 内向整流型钾离子通道 内向整流型钾通道有两个TMD和一个孔[6]，分为7个亚家族(Kir1～7)，包括15个亚单位[5]。其又可分为典型的 Kir通道(Kir2.x)、G蛋白门控Kir通道(Kir3.x)、ATP敏感钾通道(Kir6.x)、和钾离子转运通道(Kir1.x、Kir4.x、Kir5.x和Kir7.x)[20]。内向整流钾离子通道在神经元兴奋性，膜电位和细胞信号传导过程中起重要作用[21]。

2.2.1 G蛋白门控Kir通道(GIRK通道) GIRK通道由GIRK 1～5个亚单位组成,主要分布在中枢神经系统中，疼痛与GIRK通道密切相关，激活的GIRK通道在疼痛信号传导系统中可抑制神经元冲动的发放，从而减弱疼痛信号的转导[4]。

GIRK通道与阿片类介导的镇痛作用、化疗疼痛以及抗糖尿病神经痛有关[22-25]。在内源性或外源性阿片样物质刺激阿片受体后，GIRK通道激活，随即钾离子外流使膜电位超极化，神经元兴奋性抑制，并阻碍了伤害性传递[20]。有动物研究表明，GIRK1和GIRK2基因均可影响疼痛和阿片类镇痛反应。GIRK1基因敲除和GIRK2基因敲除小鼠在甩尾试验中表现出热痛觉过敏，增加热伤害感受，且对两种小鼠进行鞘内注射剂量较高的吗啡，镇痛反应减弱[26]。在奥沙利铂诱导的神经病变模型中，吗啡激动剂的抗痛觉作用可能需要激活GIRK1通道来完成[24]。而在化疗药物诱发的外周神经病理性疼痛模型中，发现DRG 神经元中Kir1.1和Kir3.4基因表达下调，而Kir3.1基因的表达上调[23]，而脑室注射GIRK1通道阻滞剂托肽品Q的大鼠痛阈也显著降低[24]。因此我们可推断GIRK通道在化疗痛的发展中确实发挥着重要作用。而右美托咪定是通过作用于GIRK通道来治疗大鼠糖尿病神经痛。鞘内注射右美托咪定后，GIRK通道开放，引起细胞膜超级化，降低神经元过度兴奋的扩散，从而产生镇痛作用[25]。

2.2.2 ATP敏感钾通道(KATP通道) ATP敏感性钾离子通道存在于中枢神经元和脊髓，是一个杂八聚体复合物，包含两个亚基：孔形成亚基Kir6.x(Kir6.1或Kir6.2)和SUR(一种磺酰脲类受体的调节性亚基)[27]，调节膜兴奋性、参与神经递质的释放和神经保护。目前认为KATP通道在疼痛传导中起着一定的作用，可作为治疗靶点。

目前一些临床前证据表明，KATP通道可能在偏头痛的病理生理中起重要作用。推测其可能是KATP通道的血管舒张作用，因为引起偏头痛发作的内源性神经递质通常与颅动脉扩张有关[28]。也有研究认为，KATP通道可能在脊髓上水平参与疼痛信号调控。例如，在大鼠的疼痛模型中，脊髓里的Kir6.1、Kir6.2亚基的表达水平都明显降低，可能有助于机械性超敏反应的发生[21]。

2.2.3 其他 Kir2.1 属于典型的内向整流型钾离子通道，在外周神经系统、大脑、骨骼肌等组织均有分布，主要作用是维持细胞静息膜电位和调节细胞兴奋性。将携带Kir2.1基因的腺病毒注射到大鼠第四腰椎的DRG内，诱导Kir2.1蛋白表达，可减轻慢性背根神经节压迫模型的机械性痛觉过敏[29]。感觉神经节中卫星胶质细胞的Kir4.1亚基沉默会诱发行为性痛觉过敏。炎症抑制了三叉神经节中卫星胶质细胞的Kir4.1电流，破坏了神经胶质里的钾稳态，进而导致三叉神经痛。因此，三叉神经节中的Kir4.1通道可能是治疗三叉神经炎性疼痛的新分子靶标[30]。

2.3 双P区型钾通道 双P区型钾通道由4-TMD亚基的二聚体形成的，每个亚基具有两个独立的成孔环[6]。K2P通道分为15个亚家族[5]，包括TWIK、TREK、TASK、TALK、THIK和TRESK 6个亚型。双P 区型钾通道负责神经元细胞的泄漏电流，可调节初级传入纤维的兴奋性，从而调节疼痛信号。在炎症条件下，K2P通道的几种亚型表达减少，从而引起过度兴奋[31]。再者，突触前定位的TRESK或TREK通道的活性增强将限制兴奋性神经递质的释放，而突触后TRESK或TREK通道的激活将使感觉神经元的膜超极化并降低疼痛通路中的神经元活性，从而通过使有害刺激物去极化来抵消兴奋，激活如感觉兴奋性离子通道[32]。

2.3.1 TRESK通道 TRESK通道在先兆性偏头痛，炎症性疼痛和神经病理性疼痛中起关键作用。TRESK通道发生异常时，三叉神经节过度兴奋，激活疼痛传导通路，触发疼痛[33]。轴突损伤导致TRESK通道下调，从而导致神经元过度兴奋，引起神经病理性疼痛[34]。Zhou等[35]通过鞘内注射TRESK基因重组腺病毒，使选择性神经损伤模型大鼠背根神经节中TRESK的 mRNA表达上调。他们认为TRESK可能与神经性疼痛中胶质细胞的兴奋机制有关。TRESK通过减轻脊髓中星形胶质细胞的活性，从而减轻了神经损伤大鼠的神经性疼痛。

2.3.2 TREK-1与TRAAK通道 TREK和TRAAK通道在周围神经系统中分布广泛。 它们在体感神经元中具有高水平表达。许多研究表明，TREK-1与TRAAK在疼痛的发生发展中起到关键性作用[32]。TREK-1通道已被鉴定为参与伤害感受器敏化的分子传感器[36]。有趣的是，TREK1通道与TRAAK都具有温度敏感性，且都对细胞外pH的变化敏感[37]。这可能与奥沙利铂引起的冷超敏性有关[38]。奥沙利铂可大量减少TREK-1和TRAAK通道的表达并增加促进兴奋的通道表达来促进过度兴奋性。

2.4 钙离子依赖的钾离子通道 钙离子激活钾通道具有类似于Kv的6-TMD结构，某些亚基带有一个额外的TMD(S0)。 KCa通道存在扩展羧基末端隐匿的调控区域[6]。KCa是一种依赖细胞内钙离子浓度升高而激活的钾通道，可根据其电导率的大小分为3 种类型，分别是大电导钙离子激活钾通道(KCa1.1)、中电导钙离子激活钾通道(KCa3.1)、小电导钙离子激活钾通道(KCa2.1～2.3)[5]。KCa通道是动作电位后超极化后的重要决定因素，因此也是神经元放电模式的重要决定因素。目前与疼痛关系最密切的是大电导钙激活钾离子通道。

2.4.1 大电导钙激活钾离子通道(BKCa 通道) BKCa 通道广泛存在于多种器官和组织，功能多样，在调节可兴奋细胞，包括神经细胞动作电位的复极和发放频率、细胞膜兴奋性以及平滑肌细胞收缩性、神经递质释放等中起重要作用。

有文献认为，BKCa通道可作为治疗神经病理性神经痛的靶点之一[39]。研究发现，神经损伤大鼠的DRG中BKCa通道的表达被抑制，其mRNA和蛋白水平均显著降低，这可能有助于感觉神经元的兴奋性增加。也有研究发现，BKCa通道的开放有助于三氯乙醛和乙醇的镇痛作用[40]。

2.4.2 小电导钙激活钾离子通道(SKCa 通道) SKCa通道广泛分布于哺乳动物的神经系统中，可以根据其基因编码(KCNN1、KCNN2 和KCNN3)产物分成SKCa1、SKCa2、SKCa3 三个亚型[41]。

目前关于SKCa通道的表达在感觉信息传递和神经性疼痛的发展中的作用尚不明确[1，42]。有研究认为，SKCa通道具有调节感觉传递的作用，其中介导感觉反应的主要是SKCa3通道。另外，Bahia等[42]还通过鞘内注射试剂来观察大鼠反应，结果表明，当加入选择性SKCa通道阻滞剂UCL 1848，则对自然诱发的伤害性和非伤害性刺激的神经元反应增加；而1-EBIO增加SKCa通道活性时，机械刺激引起的神经元反应受到抑制，且该现象可被UCL 1848的使用逆转。这说明增加SKCa通道活性能够减少机械刺激导致的伤害感受性感觉的传入。此外有实验研究了SKCa通道在疼痛中的作用[41]：持续给予小鼠皮下注射低剂量吗啡，观察到脊髓SKCa2 通道蛋白表达降低，诱发了小鼠机械痛、热痛和内脏痛等痛觉过敏现象，这表明SKCa2 通道与疼痛有相关性。

3 以钾通道为靶点的药物

目前研究发现，大多数疼痛病理模型均导致钾电流的减少。因此，钾通道开放剂被作为治疗疼痛的药物，临床开发的药物也以钾通道开放剂为主。

研究Kv7 通道的开放剂主要治疗癫痫和神经性疼痛等疾病。已经上市的仅有瑞替加滨，可有效减轻神经性疼痛。也有公司提出双杂环化合物咪唑并吡啶、咪唑并哒嗪和咪唑并嘧啶类化合物可作为KCNQ通道调节剂，部分化合物表现出了较好的抗惊厥和抗神经性疼痛活性[43]。

选择性神经元钾通道开放剂氟吡汀(Flupirtine)可通过激活内向整流钾离子通道，同时调整钾离子外流，能够稳定细胞膜电位，阻断疼痛冲动的传导。马来酸氟吡汀治疗慢性腰背痛有较好的前景，可作为治疗慢性腰背痛的一线用药[44]。右美托咪定通过上调背根神经节 GIRK1表达减轻大鼠糖尿病神经痛[25]。

临床试验表明，KATP通道开放剂吡那地尔与噻嗪类药物合用可以消除头痛的副作用[45]。KATP钾离子通道开放剂也是近年来出现的新型心血管类药物。KATP开放剂，如烟浪丁(NCR)，对于各种类型的心绞痛都有一定的疗效[46]。烟浪丁还可以抑制丘脑束旁核的伤害性痛放电，有助于脊髓抗痛效应[47]。此外，KATP 通道也可作为术后疼痛治疗的有效靶点[48]。鞘内注射吡那地尔可减轻痛觉过敏的现象，而鞘内注射 KATP通道阻断剂格列本脲可明显降低大鼠的触觉退缩阈值，加重疼痛[21]。

目前研究发现，全身麻醉药就是通过激活双孔钾通道的某些亚型来达到镇静催眠的作用[49]。另外，TRESK通道的过度表达能降低初级传入神经元的兴奋性，从而表现出镇痛作用，因此强效和特定的TRESK特异性通道开放剂可用于治疗偏头痛和其他慢性疼痛症状[50]。

鞘内注射特定的BKCa通道激活剂NS1619剂量依赖性地减少了神经结扎大鼠的机械性异常性疼痛和痛觉过敏。选择性BKCa通道阻滞剂埃博毒素的预处理消除了NS1619的作用[51]。鞘内注射SKCa 通道激动剂1-EBIO可增高脊髓SKCa2 通道蛋白表达，进而阻断机械痛、热痛和内脏痛敏[41]。

4 结语与展望

总之，钾离子通道是所有离子通道家族中最多样化的，而多种类型的钾通道又都与疼痛相关，大多是由于其表达或功能水平下降导致痛觉过敏现象的发生。因此钾通道被作为治疗疼痛的新靶点，这意味着我们需要开发出具有高选择性靶向性开放剂。虽然将钾通道作为治疗疼痛的靶点还有很长的路要走，但不可否认的是，钾通道开放剂具有很大的治疗潜力。