双孔钾离子通道与癫痫

李晓莉，王澍，关宇光

离子通道的选择性扩散是电解质平衡、细胞发育和兴奋性必不可少的条件，钾离子(K+)通道是离子通道家族中最大和结构最多样化的一类，由超过80个人类基因编码。K+通道通过选择性控制细胞内外K+的流动，广泛地调节细胞功能，是生物细胞跨膜转运机制的关键因素。人类K+通道主要分为钙激活K+通道、内整流K+通道、双孔结构域K+通道(K2P)和电压门控K+通道等。其中，K2P是近年来发现的一类新型K+通道家族[1]。

癫痫是最常见的神经系统疾病之一，由脑部神经元高度同步化异常放电所致。K+通道可通过控制神经元静息电位、动作电位复极、放电频率等调节神经元兴奋性，参与癫痫发作[2]。本文对K2P通道与癫痫的研究进展作一概述，以提高K2P通道在癫痫发病机制中作用的认识。

1 K2P的结构特征、类型和生理功能

与其他K+通道相比，K2P通道家族具有独特的四个跨膜螺旋和两个孔域的膜拓扑结构，并以二聚体的形式存在。人类基因组中共有15个K2P通道基因，根据结构和功能特性，分为6个亚群：弱内向整流K+通道(TWIK)、TWIK相关碱性pH激活性K+通道(TALK)、TWIK相关酸敏K+通道(TASK)、氟烷抑制性K+通道(THIK)、TWIK相关花生四烯酸刺激性K+通道(TRAAK)、TWIK相关K+通道(TREK)、TWIK相关脊髓K+通道(TRESK)[2-3]。

在生理条件下，大多数K2P通道作为开放的整流器，主要向胞外介导背景钾电流或称“漏电流”，使膜电位低于触发阈值，并刺激神经元复极[4]。从遗传学角度看，K2P通道和癫痫之间似乎没有关联，然而对癫痫模型的研究[4]却发现其可能参与了癫痫的发生，具体机制尚不清楚。目前相关研究主要集中在TREK和TASK两个亚家族成员。因此，本综述着重总结TREK和TASK亚家族成员与癫痫的相关报道。

2 TREK与癫痫

2.1 TREK亚家族成员 TREK亚家族共有三个成员，包括TREK-1/K+通道亚家族K成员2(KCNK2)、TREK-2/KCNK10和TRAAK/KCNK4。自1996年被发现以来，TREK-1已成为迄今为止研究最多的K2P通道。活性TREK-1通道是TREK-1亚基以反向平行方式聚集的同型二聚体，相反的孔螺旋和相应孔环形成选择性K+过滤器[5]。TREK-1还可与TREK-2和TRAAK通道形成功能性异源二聚体，可被细胞内酸化或碱化激活，并呈现出独特的生物学特性。TREK亚家族成员的异质化导致了K2P通道的多样化和多种调控功能。尽管三者之间有近80%的同源性，TREK-1的特异性阻滞剂spadin及其类似物对TREK-2和TRAAK均无影响。一些用于抗精神病药物被证明是TREK-1通道的有效阻断剂，但不影响TRAAK通道[6-8]。

2.2 TREK-1与癫痫 TREK-1高表达于人类、大鼠和小鼠CNS，尤其是皮质、海马和丘脑突触前后部位，而这些部位正是癫痫发生的敏感脑区[5]。在亚细胞水平，TREK-1分布于神经元树突[1]，并与海马及皮质中GABA能中间神经元共定位，可抑制锥体细胞活性，提示其可能参与控制癫痫发作[9]。此外，TREK-1还定位于CNS的星形胶质细胞胞体和轴突上，调控星形胶质细胞谷氨酸能神经递质的快速释放[10]。作为静息膜电位的关键介质，TREK-1可在全部生理电压范围内被激活，没有电压及时间依赖性，通过反去极化维持细胞静息膜电位、促进膜电位超极化、直接调节细胞的兴奋性，控制动作电位发放频率；除此之外，TREK-1还有助于各种感觉转导过程和代谢调节[11-13]。TREK-1受多种因素调控，如机械变化、温度、pH变化等物理刺激，多不饱和脂肪酸(如花生四烯酸等)和磷脂(如磷脂酰肌醇)等化学物质[12]。

研究[9]发现，TREK-1敲除(TREK-1-/-)小鼠更易出现海人酸(KA，谷氨酸受体激动剂)和戊四氮(PTZ，GABA能受体拮抗剂)诱发的癫痫状态，且癫痫严重程度评分、死亡率和平均最大发作强度均明显增加，EEG也提示TREK-1-/-小鼠双侧棘波放电频率和幅度显著提高，海马中c-FOS(神经元兴奋性标志)表达明显增高，说明TREK-1-/-鼠对KA和PTZ所致癫痫具有高敏感性，而TREK-1具有降低神经元兴奋性的重要作用。此外，Harinath等[14]发现咖啡因和茶碱的致痫作用正是通过cAMP/PKA信号通路阻断TREK-1通道，最终使细胞膜去极化。另外，多不饱和脂肪酸和磷脂如亚麻酸和溶血磷脂，不能降低KA诱导的TREK-1-/-小鼠癫痫发作[9]，说明多不饱和脂肪酸和磷脂至少部分上是通过激活TREK-1发挥神经保护作用的。

TREK-1突变体-TREK-M(具有更强结构活性和抗蛋白激酶降解能力)可明显缩短锂和匹罗卡品诱导的大鼠癫痫持续状态时间，还可减少内嗅皮质和海马神经元死亡，并通过使静息膜电位超极化和降低输入电阻抑制神经元放电，说明TREK-M通过沉默超兴奋神经元抑制癫痫急性发作[15]。

由于开放TREK-1对癫痫发作具有神经保护作用，因此阻断该通道后可能产生有害作用。然而给予TREK-1拮抗剂spadin的小鼠并未出现KA或PTZ所致癫痫发作增强。更有趣的是，给予spadin的小鼠发生全身痉挛和后继死亡的几率降低[8,13]，其具体机制有待进一步探讨。

2.3 TREK-2与癫痫 目前为止，有关TREK-2与癫痫的报道仍十分有限。研究[16-17]发现，去甲肾上腺素通过激活TREK-2通道使锥体细胞超极化，从而抑制内嗅皮质及其海马投射区神经元兴奋性，提示TREK-2可能是单胺类药物抗癫痫的分子基础。

Haenisch等[18]发现电诱导颞叶癫痫持续状态后，大鼠海马中TREK-2表达明显上升。由于缺乏TREK-2在癫痫机制中的研究，基于目前在脑缺血方面的研究结果，推测有可能是非编码RNA所涉及的转录后机制在TREK-2调控中发挥重要作用，且痫性损伤后上调的TREK-2可能对星形细胞钾和谷氨酸水平稳态的维持发挥保护功能。实际上，癫痫发作后脑内花生四烯酸、细胞体积和pH值等的改变，均会引起TREK-2表达的变化，其具体作用仍有待更深入的研究。

2.4 TRAAK与癫痫 由于膜电位在细胞兴奋性、神经递质释放、激素分泌和电解液转运等多种过程中发挥关键作用，所以当编码K+通道的基因过度激活或突变失活，使K+流动异常或受损后，机体出现相关多种疾病类型，影响神经传导、CNS功能、心脏电生理、激素分泌和肾脏功能等。2018年，Bauer等[19]报道了3例KCNK4全新错意突变导致患者出现一种独特的神经发育综合征-FHEIG综合征，主要表现为面部畸形、多毛症、癫痫、智力障碍、发育迟缓、牙龈过度生长，且KCNK4突变患者临床表型的特征是随着年龄的增长颅面特征有显著的进化，因此在与其他疾病的鉴别诊断中应考虑到这种情况。与其他K2P通道不同，KCNK4几乎只在中枢和外周的神经元及视网膜中表达[20]，因此KCNK4突变后造成的多方位影响是始料未及的。膜片钳结果证实KCNK4通道突变体的功能显著增加，K+通道持续性开放，基础K+电流明显增加，去极化电流显著加大，导致细胞内K+枯竭和间质K+浓度增加，同时造成邻近细胞去极化，对机械刺激和花生四烯酸的敏感性受损，从而出现一系列严重后果[19]。有趣的是，KCNK4-/-小鼠未表现出明显的发育异常和对癫痫敏感性的增加，且无认知、触觉、视觉和听觉方面的缺陷，推测KCNK4功能可能由K2P家族的其他成员所代偿，或其相关性仅限于像脑缺血这样的病理生理状况[9,21]。Bauer等[19]认为持续高水平的K+胞外电流导致显著去极化电位是负责FHEIG综合征的临床特征和症状出现的原因。

3 TASK与癫痫

3.1 TASK通道的分布和作用 TWIK相关酸敏K+通道可能是大脑中表达最强的“漏”通道，尤以TASK-1和TASK-3最丰富，几乎存在于整个CNS[22]。在人类正常海马锥体神经元和齿状回颗粒细胞均有TASK-1、TASK-2与TASK-3表达。在亚细胞水平，TASK-1表达在人类海马锥体神经元和齿状回颗粒细胞的树突和核周围；而TASK-3定位于锥体细胞和颗粒细胞的细胞核而非树突中。TASK-1和TASK-3还表达在海马非锥体层和齿状回多形层的中间神经元中。在大鼠海马中，不同脑区神经元和神经胶质细胞中TASK通道的表达存在差异：TASK-1表达在锥体细胞、中间神经元和星形胶质细胞，TASK3只表达在神经元中[23]。TASK2在海马锥体细胞、齿状回颗粒细胞和血管周围星形胶质细胞中均有表达[16,22,24]。

TASK通道可被细胞外酸化、缺氧、局部麻醉药和内源性大麻素等抑制，可被吸入麻醉药激活，中间神经元上TASK-1的超极化效应可能抑制锥体细胞内在的起搏和激活，同时还会影响一些特定类型细胞对酸化的特异敏感性[22]，因此推测TASK可能参与细胞增殖、缺血和癫痫等多个生理及病理过程。某些类型的额叶癫痫、全面性癫痫和婴儿癫痫综合征与编码离子通道蛋白亚基的基因突变、异常突触传递、跨膜K+梯度的调节和细胞外pH值的活动-依赖转换有关[16]。有趣的是，pH值在癫痫发作机制中发挥重要作用，而且决定着癫痫海马的病理生理特点，如癫痫发作导致双相pH值转换，包括最初的细胞外碱化及随后酸化延迟，而一些抗癫痫药物也会导致神经元pH值的波动。由于TASK通道受到pH值的高度调控，目前其在癫痫发作中的作用正逐渐受到重视。

3.2 TASK-1与癫痫 研究[23]发现，海马硬化的颞叶癫痫患者因神经元丢失导致海马锥体神经元和齿状回颗粒细胞TASK-1减少，然而非海马硬化的颞叶癫痫患者尽管海马锥体细胞和齿状回颗粒细胞的形态正常，但TASK-1表达仍明显降低，而星形胶质细胞TASK-1表达显著增高。

Kim等[24]发现，在经典遗传性癫痫沙鼠模型中，TASK-1不仅在海马神经元表达，还在星形胶质细胞中表达，齿状回中也可见少量TASK1阳性星形胶质细胞。在幼龄期，癫痫抵抗和癫痫易感沙鼠海马中TASK-1和TASK-2通道表达无差异；但成年后癫痫易感沙鼠TASK-1阳性星形胶质细胞明显高于癫痫抵抗组；当癫痫发作后，TASK-1阳性星形胶质细胞数量明显下降。癫痫易感沙鼠星形胶质细胞中TASK-1的上调可能通过增加K+向外整流导致细胞外K+水平升高，增加了细胞兴奋性；癫痫发作后，星形胶质细胞中TASK-1的快速下调是快速适应过程的一部分，通过减少星形胶质细胞K+外流而抑制癫痫活动。

值得注意的是，一些抗癫痫药物如加巴喷丁、拉莫三嗪、托吡酯和丙戊酸均可减少海马中10%～25%的TASK-1阳性星形胶质细胞，卡马西平和维加巴特林可减少约50%TASK-1阳性星形胶质细胞的数量；而TASK-1阳性神经元数量不受任何抗癫痫药物的影响；研究[25]亦发现在颞叶癫痫患者的海马星形胶质细胞内向/外向的K+电导比率显著降低。这些结果均提示星形胶质细胞TASK-1的下调可起到抗癫痫效应。

3.3 TASK-2与癫痫 TASK-2在海马和齿状回各层结构中均有表达，是一种非失活性通道。TASK-2电流对细胞外pH高度敏感(通过TASK-2的K+电流被酸性pH抑制，被碱性pH激活，估计pKa为7.6～8.6)[26]。

Kim等[26]报道大鼠颞叶癫痫与海马和齿状回中TASK-2表达增加有关。癫痫持续状态后，齿状回颗粒细胞层、CA3锥体细胞层及血管周围区域的TASK-2免疫反应性增强，而CA1锥体细胞层的TASK-2免疫反应性减弱，说明癫痫后TASK-2在脑区中的定位并不均匀，pH波动与神经元活性的差异可能是导致区域性差异的原因。TASK-2阳性神经元增加可能反映了一种快速的适应，从而导致癫痫活动减弱，以应对早期癫痫相关的碱化；血管周围TASK-2免疫反应性增强由该处TASK-2阳性星形胶质细胞增加引起，这种上调可能导致血流量异常和/或血-脑屏障异常，从而导致海马损伤[16,24,26]。

3.4 TASK-3与癫痫 TASK-3通道参与多种病理生理过程，包括睡眠/清醒控制、认知和癫痫[27]。TASK-3通道编码基因KCNK9位于8号染色体8q24位点。最近对不同家系的相关研究[28]证实，染色体8q24与特发性全面癫痫(包括儿童和青少年失神癫痫)和家族性成人肌阵挛性癫痫相关。

Bonaglia等[29]对1例严重精神运动迟缓、特发性癫痫和生长迟缓患儿的核型分析发现，其8q24.3染色体位点出现2.3 Mb的反向重复。TASK-3通道在遗传性失神癫痫大鼠模型(GAERS)中发生了突变-C端胞内结构域中的聚丙氨酸道出现一个额外丙氨酸残基。虽然突变体TASK-3通道在丘脑和皮质区表达水平未出现明显异常，但这种沉默突变仍被认为是导致该模型多基因起源表型的潜在因素[27]。

TASK-3在海马硬化和非海马硬化颞叶癫痫患者的锥体细胞和颗粒细胞中降低；而大鼠癫痫发作1 d后，TASK-3免疫反应在海马神经元中减少，在小胶质细胞中上调，提示这可能是癫痫发作的结果，而非导致癫痫的原因。颗粒细胞和锥体细胞中TASK-3免疫反应的下降可能使神经元发生持久去极化(可能发生在细胞外碱化期间)，导致癫痫长时间发作[23]。Brickley等[30]报道敲除TASK-3而非TASK-1，可降低小脑颗粒细胞动作电位阈值，导致静息膜电位去极化增强，细胞的兴奋性增加。因此，TASK-3减少可降低动作电位阈值，导致颞叶癫痫患者海马神经元的兴奋性延长。虽然癫痫发生后小胶质细胞中TASK-3表达上调的确切生物学意义及调控机制还不完全清楚，但目前已知TASK上调在小胶质细胞的转化/分化中发挥重要作用[23]。因此，星形胶质细胞和小胶质细胞上TASK通道可能是癫痫治疗的潜在靶点。

内嗅皮质接收来自中缝核的5-羟色胺(5-HT)能输入，抑制神经元兴奋性。在内嗅皮质GABA能中间神经元中，5-HT通过抑制TASK3通道和增加动作电位点燃产生膜去极化作用，增加中间神经元兴奋性，因此GABA释放增加、锥体细胞活性下降，抑制癫痫发作，提示5-HT介导的GABA释放增加和神经元兴奋性抑制是其在内嗅皮质中发挥抗癫痫作用的原因[31]。

综上，TASK通道具有抗癫痫和促癫痫的双重潜能，而通道本身既无保护作用，也无损害作用，其相关作用的发挥取决于病理生理情况下表达的细胞类型和环境。基于这些发现，对TASK通道的认识已从单纯的背景通道发展成为病理生理条件下的关键调节因子[16]。

4 总结与展望

在过去十几年里，K2P通道的重要性已越来越清晰。除癫痫外，它们已成为心血管疾病、抑郁症、记忆障碍及各种疼痛障碍和偏头痛的重要潜在治疗靶点。然而，虽然其生理作用的相关研究正快速发展，但目前对K2P通道门控和调控的结构基础和分子机制仍然知之甚少，特别是在癫痫领域，仍有多种K2P家族成员的作用未得到证实。因此，未来需要进行更深入、更详细的探讨，为理解疾病机制、筛选和开发新型药物提供更多证据。