钾离子通道与内脏高敏感关系的研究进展*

王佳浩 姜柳琴 俞 汀

南京医科大学第一附属医院消化内科(210029)

功能性胃肠病(FGIDs)是指慢性和(或)反复发生的胃肠道相关各种症状的组合，这些疾病均无明确的结构性(如肿块、肿瘤)异常或生化(如激素、酸)异常，而是由消化系统功能异常所致。FGIDs的症状复杂多变，包括恶心、呕吐、腹胀、腹泻、便秘等，其中一半以上的FGIDs患者存在慢性腹痛，显著降低了患者生活质量[1]。肠易激综合征(IBS)为主要的FGIDs之一，其病理生理机制复杂，临床症状多变，其中腹痛为主要症状之一。IBS的病理生理机制尚未完全阐明，目前认为是多种因素共同作用引起肠-脑轴互动异常所致，包括内脏高敏感、胃肠动力异常、肠道低度炎症、肠道微生态失衡等，其中内脏高敏感在IBS的发生、发展中起有重要作用[2]。但其他FGIDs如非心源性胸痛和功能性消化不良的患者中亦可见内脏高敏感的发生。FGIDs 中内脏高敏感的机制至今尚未完全阐明，但普遍认为肠壁感受器的激活改变、神经通路水平的感觉输入传导改变或大脑水平感觉处理受损起有重要作用[3]。

一般认为神经性疼痛是由周围神经和脊髓背根神经节(DRG)中的神经元受体、酶和电压依赖性离子通道的表达和功能改变，以及伤害性通路中突触的表达和功能变化引起的[4]。近年已探索出多种动物模型，为神经病理性疼痛机制的研究提供了客观载体。目前已有研究发现神经元切断后产生的超兴奋性可能是神经病理性疼痛发生的重要机制，在神经损伤数小时后，切断轴突的DRG神经元过度兴奋，并开始持续数天或数周的放电，这些异位放电随后进入脊髓，诱导中枢敏感化，构成痛觉异常激发的潜在中枢机制[5]。

钾离子是细胞质中含量最丰富的离子，在细胞内承担各种重要的生理功能。钾离子通道存在于细胞膜上，控制钾离子的进出，在兴奋性和非兴奋性细胞中均起有重要作用[6]。根据钾离子通道的结构和功能，可将其分为四大类：电压门控钾离子通道(voltage-gated potassium channels, Kv)、钙激活钾离子通道(calcium-activated potassium channels, KCa)、串联孔域钾离子通道(two-pore domain potassium channels, K2P)和内向整流钾离子通道(inward-rectifier potassium channels, Kir)。目前已发现数十种与疼痛路径相关的钾离子通道，分别为KCNA通道(Kv1.1、Kv1.2、Kv1.4)、KCNB通道(Kv2.1、Kv2.2)、KCNC通道、KCND通道(Kv4.2、Kv4.3)、KCNS通道、KCNQ通道(Kv7.2、Kv7.3、Kv7.4、Kv7.5)以及KCNK通道(TWIK1、TREK1、TASK1、TRAAK、TASK2、TASK3、TREK2、TRESK)[7]。KCa通道包括大电导通道(BK/KCa1.1)、中电导通道(IK/KCa3.1)和小电导通道(SK1、SK2、SK3/KCa2.1、KCa2.2、KCa2.3)[8]。本文就典型的钾离子通道及其在内脏高敏感发生机制中的可能作用作一综述。

一、Kv通道

Kv通道在动作电位的产生和传播中起有基础性作用，并由此在机体疼痛的发生过程中扮演重要的角色。Kv通道中的每个亚基由6个跨膜片段(S1～S6)和一个胞质氨基、羧基末端组成，亚基的组成决定了Kv通道的生物物理特性及其与第二信使的相互作用，以及空间、时间表达和病理生理过程的调节。Kv通道激活后抑制细胞膜去极化和(或)动作电位的产生以及感觉神经元的兴奋性，Kv通道表达或活性下降是多种疼痛综合征如创伤、糖尿病神经病变以及一些自身免疫病中DRG神经元过度兴奋的标志[6]。

1. Kv1.2通道：Kv1.2通道在体内主要见于大神经元、神经损伤后的Aβ机械感受器和C类高阈值机械感受器中。Kv1.2通道激活后主要影响初级传入神经元动作电位的放电阈值和频率。受到神经损伤的影响，Kv1.2通道表达下调可能会减少初级传入递质的释放，并导致脊髓中枢敏感化的形成和神经损伤所致的疼痛超敏反应。一项研究[9]结果发现，雄性大鼠接受L5脊神经结扎术造模后，同侧L5 DRG内Kv1.2通道阳性神经元数量呈时间依赖性减少，而对侧L5 DRG内Kv1.2通道阳性神经元数量无明显变化；对神经损伤诱导的L5 DRG Kv1.2通道表达降低给予治疗，可减弱脊神经结扎术后疼痛超敏反应的发展和维持，但在急性疼痛中并未见类似的改变，表明增强Kv1.2通道的表达对缓解急性疼痛无明显影响。此外，旁结侧区Kv1.2亚基的分布改变也会导致Ⅱ型糖尿病患者的周围神经过度兴奋。在糖尿病患者中，周围神经过度兴奋被认为是糖尿病周围神经病变阳性症状(感觉异常、感觉障碍、痛觉异常、抽筋)的主要病因，通过对Kv1.2通道的进一步研究，可为内脏高敏感的发生、发展提供合理的解释。有研究[10]发现，Ⅱ型糖尿病模型db/db小鼠神经传导速度减慢，且发生周围神经过度兴奋，对处于离体状态下的坐骨神经使用Kv1.2通道阻断剂4-AP和DTX-1后，坐骨神经的神经传导速度显著增快，证实周围神经过度兴奋是由Kv1.2通道活性降低所介导的。神经组织活检发现外周神经旁结侧区Kv1.2亚单位的总量减少且分布改变，在混合坐骨神经的主要分支腓神经可见钠离子通道和旁结侧区Kv1.2通道呈高度聚集状态，80%的结节呈现Kv1.2通道信号减弱或缺失，而钠离子信号无明显改变。此外，Ⅱ型糖尿病患者活检神经节中亦可见旁结侧区Kv1.2亚单位显著减少，约87%的结节可见Kv1.2通道信号受损或缺失，而结状钠离子簇保存完好，这与db/db小鼠模型的神经解剖结果一致。

近年有关表观遗传修饰参与内脏高敏感的研究越来越受关注。有研究[11]发现DNA甲基转移酶DNMT3a可能通过抑制DRG中Kv1.2通道的表达导致神经病理性疼痛，周围神经损伤后，转录因子八聚体转录因子1被激活，促进DNMT3a表达，并伴随着Kv1.2通道启动子区的甲基化，降低了Kv1.2通道启动子的活性，减少受损DRG中Kv1.2通道的表达，增加DRG神经元的兴奋性，导致神经病理性疼痛和脊髓中枢敏感化。进一步研究发现一种长链非编码RNA(LncRNA)参与了神经病理性疼痛的形成。有研究[12]在大鼠DRG一级感觉神经元中发现了一种Kv1.2通道的LncRNA，将其命名为Kv1.2通道反义RNA。当周围神经损伤后，髓样锌指蛋白1(MZF1)被激活，激活与Kv1.2通道反义RNA基因启动子结合的转录因子，增加受损DRG中Kv1.2通道反义RNA的表达，导致Kv1.2通道表达下调，总电压门控钾电流减少，DRG神经元兴奋性增加，并产生神经病理性疼痛症状。当阻断这一增加时，神经损伤诱导的Kv1.2通道表达下调被逆转，神经病理性疼痛的发展和维持减弱。

2. Kv2.1通道：Kv2.1通道主要存在于小神经元和大神经元中，在受到神经损伤时其表达下调。在钾离子的亚基结构中存在一类沉默Kv亚基(KvS)，包括Kv5、Kv6、Kv8、Kv9等10种目前已知的亚基，当KvS单独存在时，不会引起钾离子通道功能的改变，但与其他Kv亚基共同组装后，KvS会被激活而发挥对应的调节作用[13]。Kv2.1通道中含有所有已知的KvS，由于其复杂精密的亚基结构，Kv2.1通道在神经系统中的作用十分突出[7]。在海马神经元中，Kv2.1通道的活动依赖性调节可动态微调神经元的放电。Kv2.1通道是一种高阈值激活通道，具有激活和失活的缓慢动力学特征。这些生物物理属性表明Kv2.1通道的效应可能在动作电位周期的后期更明显，并因长时间刺激而增强。有研究[14]证实脊髓DRG神经元的细胞内抑制Kv2.1通道主要影响超极化后的动作电位，从而影响棘波之间的不应期。在类似于慢性疼痛状态的重复放电条件下，Kv2.1通道的这种改变通过动作电位沿轴突传播，当阻断Kv2.1通道的活动时，可增强感觉神经元兴奋性，因此推测Kv2.1通道可使慢性疼痛时重复放电的保真度更高。表明Kv2.1通道的功能可能起到了“兴奋性刹车”作用，而这种“刹车”在慢性疼痛条件下会受到损害，从而造成了神经元过度兴奋。有文献报道显示海马神经元中Kv2.1通道突变缺失小鼠的神经和行为存在缺陷，主要表现为海马神经元对正常生理电流刺激的过度兴奋，产生癫痫样活动，延迟整流钾电流减少。为判断Kv2.1通道缺失是否导致神经元钾离子电流的丧失，通过对Kv2.1+/+和Kv2.1-/-小鼠培养的海马锥体神经元进行全细胞膜片钳记录，结果显示Kv2.1通道缺乏小鼠24 h内运动活动增加，Schaffer侧支对刺激诱发典型反应轨迹，而Kv2.1通道正常小鼠无明显变化。Kv2.1通道的遗传缺陷可导致人癫痫脑病，表明Kv2.1在神经元功能网络中对抑制神经元活性的升高调节起有核心作用[15]。除在中枢神经系统中广泛分布，Kv2.1通道也存在于外周神经中，小鼠DRG神经元中含有Kv2.1通道亚基和内脏躯体感觉神经元胞体，Kv2.1通道功能的改变会引起周围神经兴奋性变化[16]。此外，有研究[17]结果表明Kv2.1通道会对非兴奋性细胞产生影响，主要是通过α亚基参与内质网与质膜之间的联系以及各亚细胞器之间的蛋白质运输，从而维持质膜的静息电位。

3. A型钾离子通道：A型钾离子通道是一组电压门控的钾离子通道，具有短暂激活和快速失活的特点。哺乳动物中包括5种A型钾离子通道，即Kv1.4、Kv3.4、Kv4.1、Kv4.2和Kv4.3。除Kv3.4需高压激活外，其余四种均可在低电压下激活[18]。A型钾离子通道在控制神经元兴奋性方面起有至关重要的作用，其在痛觉神经元中下调可能会增强痛觉。Kv3.4和Kv4.3主要在在大鼠DRG神经元中表达。其中Kv3.4通道主要表达于伤害性DRG神经元及其胞体、轴突和支配脊髓背角的神经末梢，而Kv4.3通道选择性表达于非肽能伤害性DRG神经元胞体中。大多数表达Kv4.3通道的DRG神经元亦表达Kv3.4通道。在大鼠脊神经结扎所致的神经病理性疼痛模型中，DRG神经元中Kv3.4通道和Kv4.3通道的蛋白水平明显降低。鞘内注射反义寡核苷酸抑制DRG神经元Kv3.4通道或Kv4.3通道的表达后，可发生机械性超敏反应，但无温度超敏反应，提示在痛觉神经元中A型钾离子通道表达减少可能导致机械过敏，进而发生神经病理性疼痛[19]。

近年对Kv4.2表达或活性变化在内脏高敏感中作用的相关研究正在开展中。一项研究[20]发现在大鼠DRG中丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)激活后会介导丁酸诱导的结肠超敏反应，在使用或不使用鞘内或静脉注射MAPK抑制剂U0126的情况下，对接受丁酸钠(NaB)直肠滴注的大鼠进行结直肠扩张，再用NaB处理体外分离培养的DRG神经元，结果发现结肠NaB引起的内脏超敏反应可激活MAPK-ERK1/2通路，使Kv4.2磷酸化丧失功能，导致A型钾电流的减少和DRG神经元兴奋性的增强。

二、KCa通道

1. BK通道：BK通道几乎广泛分布于体内各种组织中，主要集中表达于平滑肌、肾脏、神经系统和耳蜗中，其功能发生障碍和表达异常可引起机体正常生理功能的障碍，导致器质性病变。BK通道蛋白由6个跨膜区组成，其中包括一个带正电荷的S4跨膜区、一个包含典型钾离子通道TVGYGD特征序列的孔区，以及一个大型COOH端。在对蛋白质疏水性模式进行分析后发现，BK通道蛋白存在一个额外的跨膜结构域S0(455)，可使蛋白质NH2末端指向外侧。与Kv通道相同，BK通道由α亚基组成一个四聚体结构，S0～S4结构域组成电压传感器，在COOH末端存在两个高亲和力钙离子结合位点，总体形成一个四聚门控环结构[21]。BK通道对神经元兴奋性的调节起重要作用，当周围神经损伤后，会引起初级传入神经元和脊髓背角神经元的可塑性改变，导致中枢敏感化和神经病理性疼痛。但关于BK通道在神经病理性疼痛中的感受控制作用仍未完全明确，BK通道在大鼠DRG和背角神经节中的作用并不一致，在神经受损时发生的变化也不一致。有研究[22]显示神经损伤后DRG中BK通道表达受到抑制，同时BK通道在脊髓背角的分布发生改变。在实施大鼠L5和L6脊神经结扎术后，发现神经损伤大鼠DRG中BK通道mRNA水平与正常对照组相比显著降低，但两组脊髓整体BK通道mRNA表达无明显差异。神经损伤侧中小型DRG的BK通道免疫反应性显著下降，外侧背角BK通道免疫反应减弱，但脊髓背根入髓区附近的背角神经元上BK通道免疫反应增强。在脊髓水平用iberiotoxin阻断BK通道后，可显著降低正常对照组和神经损伤大鼠的机械性伤害性撤回阈值，鞘内注射BK通道开放剂可剂量依赖性地逆转神经结扎大鼠的痛觉过敏，但对正常对照组大鼠的伤害性感觉无明显影响。另有研究发现在神经损伤或持续性炎症后，DRG神经元中Cavα2δ-1亚单位表达上调，增加了Cav2.2通道的表达，并异常增强突触前膜的兴奋性输入，导致脊髓中枢的敏感性增高[23]。

2. SK通道：由于缺乏选择性通道调节剂，已知所有的有机小分子阻滞剂在SK通道所有亚型中均无法表达，导致目前对SK通道亚型生理功能的了解有限。但有研究发现蜂毒明肽可阻断天然和克隆的SK通道，且对KCa2通道亚型之间的选择性并不同，氨基酸残基种类对蜂毒明肽阻断能力的发挥具有重要作用，而KCa2.2通道是其中敏感性最高的SK通道亚型[24]。近年一项研究[25]发现母婴分离幼鼠成年后内脏高敏感的发生与体内SK2通道显著下调密切相关。新生小鼠接受母婴分离以制备早期应激模型，成年后发现内脏痛觉阈值较幼稚小鼠明显降低，焦虑和抑郁样行为更明显，膜SK2蛋白和MPP2蛋白表达下调。此外，电生理结果显示母婴分离小鼠脊髓背角神经元放电频率增加，SK2介导的后超极化电流(I AHP)降低。鞘内注射SK2通道激活剂1-乙基-2-苯并咪唑啉酮(1-EBIO)可逆转母婴分离小鼠的电生理改变，提高内脏疼痛阈值。在幼稚小鼠中，给予SK2通道阻滞剂蜂毒明肽可减轻I AHP，提高脊髓背角神经元的自发放电频率，降低内脏疼痛阈值。

SK通道表达改变导致内脏高敏感发生的机制在进一步探讨中。有研究[26]发现SK通道具有控制CA1区锥体细胞兴奋性的作用，躯体和体周SK通道在CA1锥体细胞的胞体和近端树突中有功能性表达，在控制这些神经元的内在兴奋性方面起到仅次于Kv7/M通道的辅助作用，且Kv7/M通道可正常工作，重复放电过程中SK通道的激活不会显著影响CA1锥体细胞的棘波输出，当Kv7/M通道活动受损时，SK通道的激活会显著且特异地减少神经元放电输出。N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)拮抗剂可降低炎性疼痛动物模型的机械超敏反应。有研究[27]结果显示在体内激活脊髓SK通道可减少炎性疼痛模型中产生的具有抗伤害作用的NMDAR拮抗剂剂量，弗氏完全佐剂(CFA)可诱导产生机械超敏反应，鞘内注射SK通道激动剂NS309可剂量依赖性减弱CFA诱导的机械超敏反应。注射CFA后脊髓背角神经元中SK通道亚单位SK3的突触后表达和由浅层记录的蜂毒明肽敏感的SK通道介导的电流显著减少，应用NS309可逆转CFA引起的SK通道介导的电流下降。双重免疫染色结果显示SK3和NMDAR亚基NR1共表达，符合功能相互作用。鞘内注射NS309联合NMDAR拮抗剂可减少NMDAR拮抗剂DL-AP5剂量，而DL-AP5是在CFA模型中产生抗伤害效应时所需的。

三、K2P通道

K2P通道在体内广泛分布，主要负责编码背景或漏钾电流，漏钾电流在许多神经元和非神经元细胞的静息膜电位和兴奋性调节中起重要作用。K2P家族包含15个成员，根据其结构和功能特性可分为6个亚家族，即TREK、TASK、TWIK、THIK、TRESK和TALK亚家族[28]。神经病理性疼痛的发生与DRG过度兴奋有关。近年有研究[29]发现在神经病理性疼痛模型中，K2P家族钾离子通道表达下调，且在大鼠DRG中的表达具有细胞特异性。利用IB4和TRPV1对部分重叠的DRG神经元群进行染色，结果发现TWIK1在大型神经元中大量表达，与IB4和TRPV1不重叠，TASK1表达与IB4和TRPV1阳性细胞重叠，TASK3表达稀疏，且仅限于少部分细胞。造模后对假手术组和脊髓结扎大鼠DRG组织进行实时RT-PCR，结果显示脊髓结扎大鼠同侧DRG的Kv1.2表达较假手术组显著降低，TWIK1和TASK3表达亦显著降低，而TASK1无明显降低。在K2P家族中，TRESK亚家族改变与内脏高敏感的形成密切相关。近年对TRESK通道的研究发现其在调控特定DRG神经元亚群兴奋性中具有重要作用，TRESK通道表达下调参与了DRG神经元超兴奋性的发生。当切断大鼠坐骨神经后，L4-L5背根节感觉神经元兴奋性增强，TRESK表达减弱，损伤标志物ATF3和Cacna2d1表达上调，而同一家族中其他通道的表达无明显变化，表明TRESK通道是DRG总漏钾电流的主要来源[30]。进一步研究发现鞘内注射TRESK基因重组腺病毒可减轻大鼠神经损伤后的神经病理性疼痛，鞘内注射构建TRESK基因重组腺病毒后，大鼠备用神经损伤后DRG中TRESK mRNA表达显著上调，脊髓星形胶质细胞的活化程度明显减轻，神经损伤引起的持续性触觉超敏明显减轻，但对热性痛觉过敏症状无明显改善作用[31]。

四、结语

近年随着实验技术的发展以及相关机制的深入研究，对内脏高敏感的形成和发展机制有了更深入的理解，尤其是与钾离子通道改变引起的神经元兴奋改变导致的内脏高敏感和神经病理性疼痛的机制研究，进一步推动了对以疼痛综合征和内脏高敏感为主要特点的相关疾病的认知。然而，目前虽然已发现了与疾病发生、发展有关的诸多钾离子通道靶点，但针对这些靶点的机制通路研究仍比较匮乏，尤其是以Kv1.2通道为主要改变的糖尿病神经病变相关疾病，阐明此类靶点的机制与通路仍需开展大量研究和实验，针对此类钾离子通道改变为靶点的药物开发会极大程度地缓解患者病痛，为临床治疗方法的选择增加新思路。