钾离子通道在帕金森病中的研究进展

付 强，刘紫欣，贾钧儒，高志伟，付静璇，2，安海龙

（1. 河北工业大学理学院生物物理研究所河北省分子生物物理重点实验室，天津 300401；2.河北工业大学化工学院，天津 300130）

0 引言

帕金森病（Parkinson's disease，PD）在中老年人群中是一种常见的中枢神经退行性疾病。目前在我国65岁以上人群中约有1.7%的人受其困扰[1]。PD的临床表现主要包括运动迟缓、肌肉僵硬、静息震颤等运动障碍和嗅觉功能障碍、认知障碍、睡眠障碍、自律性功能障碍等非运动障碍[2]。PD有多种假说支持其发病机制，已发现黑质（Substantia nigra，SN）中多巴胺（dopamine，DA）神经元早期死亡会导致严重的运动障碍，原因是DA神经元在基底神经节回路中发挥关键作用，控制人体的自主运动[3]。除此之外，α-突触核蛋白的积累、细胞凋亡、线粒体功能障碍和氧化应激等均与PD发生有关[3]，但是没有任何一种假说可以完全解释PD的发病机制。目前，临床上主要使用药物提高PD患者大脑中多巴胺的水平[4]。但是，目前临床所用药物不能预防PD且无法彻底治愈PD，只能缓解病程的发展[5]。

离子通道是一类跨膜蛋白，通过在细胞膜和细胞器膜上形成亲水性孔道使离子进行跨膜转运，研究指出PD 风险基因编码多种离子通道[6]。K+通道广泛的分布于人体组织、器官中，特异性允许钾离子跨膜流动，具有重要的生理和病理功能[7]。

K+通道在代谢和信号通路中发挥着重要作用，在SN、纹状体中分布着大量K+通道，这些K+通道在神经退行性疾病发挥着不同的作用[8]。有些K+通道可在基底神经节中广泛表达，研究发现K+通道与PD的发展密切相关，对其干预甚至可缓解PD样症状。因此，K+通道被认为是药理干预PD的潜在靶点[9]。例如，G蛋白门控的内向整流性K+通道（GIRK）被突触前受体（D2-ARs）激活后，导致神经元超极化，从而抑制神经元的电活动，并通过这种负反馈回路减少DA释放[10-11]。除此之外，多篇文章还报道了干预KATP通道在PD中具有潜在的治疗作用[12-15]，调控Kv通道也能有效地预防PD[16-18]。以离子通道为靶点的PD药物开发，将可能是治疗PD的有力手段[19]。本文主要关注电压门控钾离子通道（Kv）、内向整流性钾离子（Kir）和ATP敏感性钾通道（KATP）对帕金森病的影响。

1 帕金森病的研究现状

帕金森病是第二大最常见的神经退行性疾病[20]。1817年英国内科医生James Parkinson 首次对帕金森病进行描述，他发现一种有着相同的表现的疾病，患者均表现为静止性震颤、运动迟缓、姿势步态障碍等，他将这种病称为“震颤麻痹”[11]。50年后神经学家马丁.查克特将其更名为帕金森病[21]。因此，帕金森病到现在为止已经有200余年的历史。

随着对临床上PD影像学和病理学的观察与研究，学者共同认为PD是一种综合性疾病，有着多种亚型与临床表现[22]。其中最典型的运动异常包括静息震颤，运动迟缓，僵硬和姿势不稳，最常见的非运动功能障碍包括嗅觉功能障碍，认知障碍，睡眠障碍等[23]。依据发病年龄可划分为2种：1）常发于老年具有明显运动异常的震颤型PD；2）多出现于青年人睡眠、嗅觉功能异常的不稳型PD（图1）。

图1 PD 障碍示意图[24]Fig.1 Diagram of Parkinson's disorder[24]

约5%～10%的PD 患者是因患有孟德尔单基因遗传疾病引发，而大多数PD 病例是由遗传和不良环境因素共同作用引起的偶发性疾病[25]。PD发展与多种致病途径和表观遗传机制相关，包括α-突触核蛋白积累、线粒体功能障碍、氧化应激、多巴胺储存/释放障碍、突触囊泡周期功能障碍[26-27]（图2）。

此外，活化的小胶质细胞也可能与PD 有关。研究显示，PD的发生多伴随着DA神经元的变性，致使DA变性的原因有多种，其中重要一条为小胶质细胞被激活，释放炎症因子，近而诱导神经炎症引起PD。

2 K+通道在PD 中的作用

离子通道属于跨膜蛋白，可以调节离子跨细胞膜的流动，是维持机体生命活动的重要组份，其结构和功能的正常是细胞进行生命活动的基础。钾离子通道是细胞膜上类型较多、分布较广的一类离子通道。其在中枢神经系统存在多种亚型，在调节中枢神经系统中发挥着重要的作用[28]。钾通道是膜通道蛋白中种类最多的家族，在动物体中离子通道广为分布，在脑中也有较高表达。根据氨基酸序列，K+通道大致分为4类：1）电压门控钾通道（Kv），Kv1-Kv12；2）内向整流钾通道（Kir），Kir1-Kir7；3）钙激活钾通道（KCa），KCa1-KCa5；4） 双孔K+通道（K2P），K2P1-K2P7、K2P9-K2P10、K2P12-K2P13、K2P15-K2P18[10]。最近，越来越多证据表明脑中离子通道的非正常表达严重影响着PD等神经退行性疾病的发生。

2.1 电压门控钾离子（Kv）通道在PD 中的作用

Kv通道是一类受膜电压调节的钾通道总称。Kv通道可使钾离子外流，是由4个亚单位组成的同源或异源四聚体，其中有6个跨膜段（S1-S6），S1-S4段形成一个电压传感器域，通道的孔隙区P环可以在S5和S6之间形成[29]。Kv通道广泛存在于可兴奋性和非兴奋性细胞膜，并参与细胞电冲动的发放和内分泌的调节，与神经元密切相关。近年来，已有多篇报道显示Kv通道可调控PD的发展。

Kv1.3通道上调激活小胶质细胞，诱发神经炎症引起PD。研究表明，在SN部位的DA神经元中检测到Kv1.3，Kv2.1，Kv3.2和Kv3.3，而Kv1.3在小胶质细胞增殖中起重要作用[30]。由于，Kv1.3通道在T淋巴细胞和小胶质细胞的亚群中起关键作用，因此已被认为是治疗神经炎症疾病的新型治疗靶点[31]。在神经系统中，小胶质细胞被激活会释放炎症因子，其介导的炎症过程促进了PD中DA神经元的变性[32]。Kv1.3的经典阻断剂海葵毒素，可以有效抑制PD中小胶质细胞以及T淋巴细胞的激活[31]。此外，Kv1.3在纹状体胆碱能中间神经元（SCIN）中也起着重要作用。由Kv1.3通道介导的K+电流为去极化提供了强大的负反馈，从而限制了SCIN的兴奋性[33]。然而，在使用1-甲基-2-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（MPTP）处理的PD小鼠模型的纹状体中，Kv1.3 电流对胆碱能中间神经元兴奋性的抑制作用显着降低，导致SCIN 过度兴奋[33]。因此，保持Kv1.3的正常表达，预防SCIN的异常可能成为PD治疗潜力的新方向[34]。

Kv2.1 通道上调，导致神经元凋亡进而诱发PD。在使用MPTP 处理的PD 小鼠模型中，Kv2.1 通道的蛋白水平表达增加，从而导致SN和纹状体中DA 神经元的丢失[35]。可能的机制是Kv2.1通道开放使胞内K+外流，然后激活胞内酶（例如蛋白酶和核酸酶），从而促进细胞凋亡[36]。另有研究显示，Kv2.1通道的上调可能导致细胞内Ca2+增加或促进Ca2+内流，从而加剧细胞损伤。这证实了K+外流与神经退行性疾病的钙信号传导密切相关[37-38]。此外，使用Kv2.1特异性阻断剂广西毒素1E（guangxitoxin-1E）可挽救DA变性，抑制神经元凋亡并改善运动协调性[39]，说明Kv2.1通道在PD的发病中发挥着重要的角色。

Kv4通道在PD患者脑中高表达，抑制该通道可缓解PD样行为。哺乳动物的Kv4家族由3个不同的基因编码：Kv4.1，Kv4.2 和Kv4.3。Kv4.2 和Kv4.3 在大脑中大量表达，尤其是在中脑DA 能神经元中最为明显[40]。最近的报道发现PD动物模型和PD患者尸检中Kv4.3表达均显异常。免疫组化结果显示，在7～8个月大的A53T小鼠中，SN区Kv4.3表达选择性升高[41]。此外，RT-qPCR分析显示PD患者的SN中DA能神经元中Kv4.3 的mRNA 水平升高[42]。AmmTX3 是蝎毒素a-KTX15 家族的成员，是Kv4 通道的特异性抑制剂[43-44]。在使用6-OHDA建立的PD大鼠模型中，纹状体中注入AmmTX3可以减少运动障碍，减轻焦虑并恢复短期记忆和社交能力[17]。这都暗示了Kv4通道可能是PD中潜在的治疗靶点[45]。

Kv7通道可调节DA神经元放电，抑制该通道可增强动作电位缓解PD样行为。Kv7通道产生的亚阈值电压门控K+电流称为M型电流。Kv7家族由5个成员（Kv7.1～Kv7.5）组成，主要在中枢神经系统和周围神经系统中表达。其中Kv7.2 和Kv7.4 在SN 和中脑腹侧被盖区（Ventral tegmental area，VTA）集中表达[46-49]。Kv7.2、Kv7.3、Kv7.5 在中型多棘神经元（也称纹状体棘状突起投射神经元，MSNs）中表达[50-51]。Kv7.2、Kv7.3在纹状体DA能神经元末梢也有所表达[49]。M型电流可以调节中脑DA能神经元的放电频率。Kv7通道的激活剂可诱导DA能神经元超极化，并抑制自发或诱导的神经元兴奋性[52]。

Kv7通道在纹状体突触前和突触后均有表达[53]，由于黑质、纹状体中DA神经元的兴奋性决定了黑质纹状体系统的运动协调功能，因此减轻PD症状的一种直接方法就是增强SN中DA能神经元的兴奋性[54]。Kv7通道抑制剂XE991 可促进DA 能神经元的动作电位并增强放电，从而通过增加其兴奋性缓解PD 样行为[55-56]。此外，XE991可促进GABA能级纹状体投射神经元的去极化，这可能会影响整个纹状体微电路。研究发现在腹腔内注射氟哌啶醇用于诱发僵直、僵硬和运动姿势的僵直症状，在SN中注射XE991后，却减弱了氟哌啶醇全身给药而引起的僵直[12]。表明，在氟哌啶醇诱导的PD 大鼠模型中，使用Kv7 通道抑制剂XE991对神经元具有保护作用，能够有效的减轻PD 大鼠模型的运动障碍。因此，Kv7的药理作用对于PD有重要的研究价值。

Kv11通道与PD的发展密切相关。Kv11通道（即ERG K+通道）属于电压激活K+通道，该通道由3个不同的基因亚家族编码，包括ether-a-go-go（eag），ether-a-go-go-like（elk）和ether-a-go-go-related（erg）基因。该通道以其对心脏电活动的贡献而闻名[57]，更重要的是ERG K+通道还参与调节神经系统的某些细胞，例如丘脑底核（subthalamic nucleus， STN）神经元[58]。研究表明，ERG 通道抑制剂E-4031 和多非利特（dofetilide）可以减少PD 大鼠模型的STN 神经元放电并减轻PD 模型鼠运动功能障碍，而ERG 通道激活剂PD-118057 具有相反的作用。因此，通过ERG 通道调节丘脑放电可有效调节运动行为[58]。除运动症状外，STN功能障碍还与神经精神病学改变有关[59]，抗精神病药可能会部分阻断DA神经元中的Kv11通道，从而导致广泛异常的细胞效应[60]。因此，ERG K+通道可能为PD和其他神经性疾病潜在靶点[58]。

2.2 内向整流性钾离子（Kir）通道在PD 中的作用

Kir通道与Kv通道的结构相似，但其更倾向于让K+流进细胞。Kir通道也有一个四元结构，每个亚单位有2个跨膜结构域和一个P区。然而，它在S4跨膜区不包含电压传感器结构[61]。其中GIRK通道与PD的研究最具代表性。

GIRK2突变导致SN中DA神经元的逐步退化，出现PD样行为。Kir通道是介导内向整流钾电流的钾通道，该通道超级化时被激活，可延长去极化、参与动作电位的维持以及复极化的时间[62]。GIRK通道是内向整流K+通道Kir3家族的成员。GIRK通道可以介导大脑中许多神经递质突触后的抑制作用。GIRK1-4在哺乳动物中广泛分布[63]，其中GIRK2 在整个大脑中广泛表达，尤其在海马、杏仁核和SN 中表达极为显著[64]。GIRK4在浦肯野细胞和腹侧苍白球神经元等几个神经元群体中表达[64]。GIRK2在神经元中产生GIRK电流，这可能会降低生理条件下神经元的兴奋性[12]。GIRK通道的激活受G蛋白偶联受体调控，包括位于SN DA神经元上的树突状D2受体[65]。当D2受体与多巴胺结合后，G蛋白β-γ亚基从D2受体释放，GIRK2被打开[66]。GIRK2激活导致神经元超极化，并由负反馈回路抑制神经元电活动并减少多巴胺释放[14]。此外，研究发现小鼠中的GIRK2突变可导致SN中DA神经元的逐步退化，导致小鼠步态不稳和震颤，这类似于PD中观察到的运动障碍[65]。

L-3，4-二羟基苯丙氨酸（L-DOPA）是治疗PD的最常用的DA前体药物，但在人体内DOPA 会代谢转化为DOPA-醌，醌类可参与α突触核蛋白聚集、线粒体功能障碍和蛋白质降解[65]，可能引起PD治疗过程中产生副作用[67]。最近，通过使用2-碘氧基苯甲酸合成L-DOPA醌时发现L-DOPA醌可以通过与GIRK2亚基上的特定半胱氨酸结合，从而稳定GIRK的开放构象，以恢复SN DA神经元间的放电[67]。因此，调控GIRK通路，改变GIRK电流，促使神经元正常行使功能，未尝不是缓解PD发展的有效方法。

2.3 KATP 通道在PD 中的作用

ATP敏感性钾通道（ATP-sensitive potassium channel，KATP）是由2个亚基构成的复合体，包括Kir6.0家族的成孔亚基（Kir6.1-6.2）和具有调节活性的磺酰脲类受体（SUR1-2和SUR2A-2B）[68]。该通道可以感知细胞中ATP和ADP浓度的变化，从而将膜兴奋性与细胞代谢有效契合[69]。在氧化应激，线粒体损伤和其他因素的影响下，SN DA 神经元中ATP 的水平降低会诱导KATP 通道激活，从而降低神经元兴奋性[14]，引起PD的发生。值得注意的是，Kir6.2 KATP通道短期激活能促进代谢，但长期持续激活则导致神经变性[69]。

激活KATP 通道，加速产生ROS，导致PD 发生。KATP 通道的功能主要取决于SUR 的差异表达[70]。已知VTA和SN DA神经元均有KATP通道（Kir6.2/SUR1）的表达，同时发现在MPTP建立的PD小鼠模型中其SN部位SUR1的表达增加[69]。研究表明，在VTA DA神经元中，其线粒体内膜上的解偶联蛋白（UCP）的表达水平较高，轻度的解偶联可以减少活性氧（ROS）的产生[71]和开放KATP通道的可能性[63]，从而增强了对啮齿动物和灵长类PD动物模型的神经保护[72-73]。相反，由于UCP2水平较低，SN中的DA神经元比VTA 具有更高的开放通道概率和代谢敏感性[10]。用鱼藤酮或MPP+抑制线粒体呼吸链复合物I 可减少ATP 的产生，从而激活KATP 通道并产生ROS。KATP 和NMDA 受体协同增加神经元Ca2+水平，而Ca2+可加速ROS 的产生，进一步加重神经元损伤诱发PD。Kir6.2 的缺乏通过抑制microRNA-133b 来减少神经营养因子的下调Kir6.2敲低可以抑制神经元中过度的铁积累，并通过IRP-IRE 调节系统抑制铁蛋白轻链的上调，从而保护SN DA神经元免受MPP+攻击（图3）。

图3 PD 中SN DA 神经元中KATP 通道功能的示意图模型[19]（DMT1：二价金属转运蛋白；NMDA 受体：N-甲基-D-天冬氨酸受体；MPP+：1-甲基-4-苯基吡啶）Fig.3 Schematic model for the function of KATP channels in SN DA neurons in PD[19]（DMT1：Recombinant Divalent Metal Transporter 1；NMDA 受体：N-methyl-D-aspartic acid receptor；MPP+：N-Methyl-4-Phenylpyridinium Iodide）

KATP通道也与α-突触核蛋白（α-syn）相关。α-syn是一种突触前神经元蛋白，在突触的形成和维持中发挥作用[74]。在某些病理条件下，α-syn 的C 端被截短会形成称为Lewy 体的淀粉样蛋白，这是PD 的标志[75]。细胞外α-syn可以通过类似朊病毒机制从病变的神经元转移到健康的神经元中[76]，并且这种α-syn在细胞间的传播被怀疑是在PD脑中的扩散机制[77]。在小鼠纹状体中，GABA能神经元上的KATP通道激活可以减少GABA释放，从而降低该递质对谷氨酸能神经末梢GABA B受体的作用。使细胞内Ca2+增加并触发αsyn 的分泌[9]。最近的研究表明，α-syn 转染的MES23.5 细胞中SUR1 mRNA 水平增加，且SUR1 被选择性激活。这些发现都有力的证明，KATP通道在PD的发病机理中起着至关重要的作用。

2.4 K2P 通道在PD 中的作用

K2P通道是一种对细胞外K+浓度敏感，而对电压不敏感的K+通道[61]。TREK-1是K2P的主要类型，主要在中枢神经系统中表达[9]，具有很强的外向整流能力，其可通过抑制去极化，从而控制神经元的兴奋性，最终保持静息电位的稳定[79]。有报道称，K2P通道参与了神经退行性疾病的病理过程[80]。同时有报道指出，K2P与PD之间的相关性，使用TREK-1的激活剂——利鲁唑可以减轻PD大鼠模型的异常不自主运动[66]。因此，合理开放K2P通道，控制神经元的兴奋性，将是PD治疗的潜在靶点。

3 结论与展望

尽管左旋多巴仍然是目前治疗PD运动症状的最有效药物，但长期使用会出现副作用，例如开关效应和认知能力下降等。对于PD的药物治疗，假设临床药物可通过增加纹状体中DA的水平，或者找到和DA相同作用的药物以此来治疗PD是极为有效的，但目前没有此类药物。因此，迫切需要寻找其他方向的药物治疗，探索新的治疗方法。随着对PD了解的加深，可以通过控制特定离子通道合理开放，以此改善PD患者的生活质量。越来越多的研究表明K+通道是治疗PD的新靶点，靶向K+通道的药物研发同样也会在未来治疗PD中发挥着越来越重要的作用。

本文系统介绍了治疗PD 的潜在离子通道靶标：Kv1、Kv2、Kv4、Kv7、Kv11、Kir3 和KATP 通道，讨论了K+通道在PD相关脑区中的不同功能。1）多种K+通道的表达水平随PD的发展发生变化。在PD动物模型或患者中，检测到DA神经元的丢失，Kv2.1表达上调。需要指出的是，在PD的早期阶段，有关K+通道表达水平变化的研究鲜有报道，明确K+通道在PD早期的作用具有重要意义。2）不同钾通道的激活剂或抑制剂可能对PD产生治疗作用。目前，许多K+通道抑制剂已被证明在6-OHDA或MPTP/MPP+诱导的PD模型中发挥着治疗作用。例如，Kv7等K+通道的激活剂或抑制剂可以调节SNc中DA神经元的放电模式和纹状体投射神经元的兴奋性，从而有力地改善PD大鼠模型中的运动障碍。但对于不同的K+通道激活剂或抑制剂的在PD发展过程中使用量和时间都有所不同。例如，Kir6.2 KATP通道短期激活能促进代谢，但长期持续激活则导致神经变性，因此，在PD发展的不同阶段，如何确认通道阻滞剂或激活剂的干预的量和时间还需进一步研究。

综上所述，K+通道与PD的发生和发展是紧密连接的，调控K+通道可以为PD的治疗提供了新的思路，以K+通道的激活剂或抑制剂药物研究的开发将是PD药物治疗新的方向，但药物的应用在临床试验中仍有很长的路要走。