介导寒冷温度感觉的角膜瞬时受体电位通道研究进展

李东禹 张弘

作者单位：哈尔滨医科大学附属第一医院眼科医院，哈尔滨 150001

角膜对温度、化学、机械等各类刺激敏感，是人体中神经分布最密集的组织之一，主要受来自三叉神经节眼区神经元的感觉神经支配[1]。广义上可以将眼感觉神经元依据不同的功能类型分为多模式伤害性感受器神经元、寒冷温度感受器神经元和机械性伤害感受器神经元[2]。其中，机械和多模式伤害性感受器占多数，它们对有害的机械、热和化学刺激做出反应；另一部分是寒冷感受器（约占12%），当眼睛表面的温度降低时被激活[2]。

最新研究发现角膜寒冷觉感受器在角膜感觉、疼痛、泪液分泌、眨眼反射等方面发挥作用，是极具潜力的治疗靶点[2]。但目前人们对角膜寒冷觉温度感受器的认识不多，现笔者着重对分类、特点以及其在眼表的作用和临床意义进行综述。

1 瞬时受体电位离子通道蛋白超家族

近年来随着对角膜神经作用研究的深入，瞬时受体电位（Transient receptor potential，TRP）离子通道蛋白家族引起广泛关注。TRP在躯体的感受系统中将物理、化学能量转化为不同信号，在角膜神经元、角膜上皮和内皮中参与了多个重要的生理病理过程[3]。从1989 年TRP基因作为果蝇的光感受器异常变异株基因被人们所认识后[4]，目前共发现了28种哺乳动物的TRP蛋白，依照基因序列同源性将其分为6个亚家族，分别是TRPC、TRPV、TRPM、TRPA、TRPP和TRPML[5]，在眼部主要分布在结膜、角膜、视网膜等部位。其中，一类TRP蛋白可被其周围温度变化激活，称作“温度感受类TRP（Thermo TRP）[6]。不同的Thermo TRP通道激活需要不同的阈值，热刺激激活的TRP通道亚型包括TRPV1、TRPV2、TRPV3和TRPV4。TRPV1、TRPV2的激活阈值很高，分别为43℃和52℃，TRPV3和TRPV4的激活温度分别为3l～39℃和25～35℃。冷刺激激活的TRP通道亚型有TRPM8 和TRPA1 两种，温度降至28℃以下可激活TRPM8，而激活TRPA1需降至17℃以下[7-8]。不同的瞬时受体电位离子通道蛋白分别在多模式伤害性感受器、寒冷温度感受器以及机械性伤害感受器这3 种类型的角膜感觉神经元中表达，传导物理、化学以及冷觉信号等。

2 角膜感觉神经元分类

角膜感觉神经元的信息传导依赖于瞬时受体电位通道，每一种类型的神经元表达相应的瞬时受体电位离子通道蛋白。如TRPV1在多模式伤害性感受器中表达，TRPM8和TRPA1在寒冷温度感受器中表达。但不同的离子通道蛋白并不只是单一局限表达于某种感受器，而是存在着共同表达以及交叉表达的现象。目前已知的角膜感觉神经元包括以下3种。

2.1 多模式伤害性感受器

多模式伤害性感受器分布在支配角膜的大部分感觉神经纤维中，能够被机械力、热和化学性刺激物所激活，TRPV1作为这类细胞的分子标识被广泛应用。作为非选择性阳离子通道，TRPV1具有多态感受性的特点，既能被内源性刺激激活，包括pH<6、炎性介质、生长因子、神经递质、多肽、脂类、趋化因子和细胞因子等[3]，也可感受外源性伤害，如>43℃的热损伤、辣椒素、树脂毒素、乙醇、樟脑等[9]。TRPV1随着三叉神经眼支的感觉神经纤维走行，在结膜以及角膜上皮、基质、内皮层均有分布[10]。

2.2 寒冷温度感受器

寒冷温度感受器由眼表温度的降低而被激活，目前发现的寒冷温度感受器包括TRPM8 和TRPA1 两种。2002年McKemy等[11]在三叉神经细胞中成功克隆了TRPM8，TRPM8是哺乳动物感受、传导降温的主要通道，可被包括薄荷醇、桉油精在内的多种凉性化合物及低温（<25℃）激活[12]，参与了冷感觉调控、疼痛感觉调控、细胞生长调控、血管收缩及血管扩张等生理过程。TRPA1最初是作为脂肪肉瘤细胞系中过量表达的一种蛋白质被认识，可被芥末油、大蒜、冬绿油、丁香油、生姜以及桂皮油中的辛辣成分激活，诱发灼烧、刺痛的感觉。目前研究发现TRPA1与干眼的发生相关，可能与某些表达TRPV1的角膜多模式伤害性感受器神经纤维共表达[13-14]。

2.3 机械性伤害感受器

电生理研究发现，20%～30%的角膜神经周边轴突是机械性伤害感受器，它们仅对接近损伤角膜上皮细胞强度的机械力反应，能够感知机械力的强度以及持续时间[15]，角膜机械性伤害感受器可能负责由角膜表面接触或划伤引起的即刻、尖锐感觉的疼痛[16]。

3 TRPM8通道的生理功能

3.1 TRPM8通道能够感受温度的变化

寒冷温度觉感受器占角膜感觉神经元总数的10%～15%，按照激活阈值可分为高背景、低阈值（High background，low threshold，HB-LT）寒冷温度觉感受器（约70%）和低背景、高阈值（Low background，high threshold，LB-HT）寒冷温度觉感受器（约30%）[13]。眼表温度降低1℃～2℃，人们就会产生主观的降温感觉[17]，这是由于HB-LT寒冷温度觉感受器能准确地识别并传导温度的变化，对0.5℃乃至更小的温度变化做出反应。HB-LT寒冷温度觉感受器在接近眼表温度时持续放电产生基础动作电位[18]，它们的活动随温度的动态而进行动态调节，温度降低<1℃，神经元的放电速率明显增加[19]。而LB-HT寒冷温度觉感受器对降温反应弱，在角膜正常温度时仅产生低背景的活动，在稍高的温度阈值下才会产生冲动。

目前普遍认为TRPM8 通道对应HB-LT寒冷温度觉感受器[20]，当TRPM8表达被抑制或阻断后，HB-LT寒冷温度觉感受器的活动减少甚至消失。而TRPA1与LB-HT寒冷温度觉感受器之间的关系有待证明。另一方面，虽然TRPM8与传统的电压门控K+，Na+和Ca2+通道相似，但冷刺激引起TRPM8的激活是一种渐进性的电压改变而不是一种阈值现象，因此没有传统的电压门控通道灵敏[20]。与TRPM8通道关闭相比，通道的开放过程对温度改变的依赖性更低。

3.2 TRPM8通道能够感受泪膜渗透压变化

除了感受温度的变化，泪膜渗透压的改变也会对寒冷温度觉感受器产生刺激。TRPM8通道能够感受轻度至中度的渗透压变化。在恒定的温度下，渗透压的增加能够加速寒冷温度觉感受器动作电位的产生[21]。

Parra等[22]通过仅改变高渗溶液中的溶质排除了由离子组成所造成的误差后，发现当渗透压升高时，大鼠角膜寒冷温度觉感受器的活动性明显增加；且低渗透压溶液能够抑制TRPM8通道的活动[21]。这种传导寒冷和渗透压刺激的变化可能是电压门控通道、转导通道等共同激活的结果，TRPM8 通道在其中的具体机制可以通过后续实验进行验证。

3.3 TRPM8通道能够调控眨眼反射

TRPM8通道除了能感受泪膜渗透压变化外，还能够协助调控眨眼反射。眨眼可分为反射性眨眼与自发性眨眼。人类的眨眼过程分为升温和降温周期，眨眼时角膜表面温度上升，会抑制寒冷温度觉感受器的活动，当小鼠的角膜温度以约0.2℃/s的速度增加1℃时，TRPM8 通道的活动减少约50%，而两次眨眼之间由于泪液的蒸发作用导致角膜表面温度下降，寒冷温度觉感受器的活动也会很快增加[19]。另外，蒸发所造成的泪膜渗透压的升高同样也会增加寒冷感受器的活动[22]。因此，眨眼产生的泪膜周期性变化会使TRPM8通道的活动随之调节，进而维持和调节自发性眨眼频率。当眼表被刺激后自发性眨眼频率会增加[23]。另有研究也发现增加眼表空气流可以增加寒冷温度觉感受器的活动，会使眨眼频率呈线性增加[24]，而敲除寒冷温度觉感受器的大鼠眨眼频率减少[21]。

4 TRPM8通道与疾病的联系

4.1 TRPM8通道与疼痛的关系

角膜是人体最独特的组织之一，适度的降温对人体其他部位无害，但会在角膜引起严重刺激，产生病理性冷痛[25]。生理状态下，TRPM8通道可以感受温度变化、传导寒冷感觉，而不会引起不适症状。在病理状态下，当寒冷感受器结构或数量发生异常时，往往会引起不同的症状[26]，如对冷觉敏感、疼痛，严重者会导致干眼的发生。

研究发现，在小鼠角膜中，65%的冷觉感受器对TRPV1 激动剂辣椒素有反应，这表明TRPM8 和TRPV1 在角膜感觉纤维中有很高的重叠[20]，这些共同表达TRPV1和TRPM8的神经元群可能代表了一组对有害刺激产生矛盾反应的寒冷温度觉感受器神经元的亚群。

最新研究陆续揭示了TRPV1 在促进眼部冷伤害性感受中的作用。在干眼病模型中，TRPM8+冷敏纤维中TRPV1的表达增加[26]。尽管TRPV1 对冷不敏感，但它能增强TRPM8+神经元在冷刺激下的膜电位变化和放电速率，促进了TRPM8+冷敏神经元释放神经肽P物质，P物质与突触后的NK1 受体相互作用，介导神经源性炎症，传递寒冷伤害感觉的信号，使小鼠眼部冷伤害性感觉增强，导致严重的冷痛。TRPV1 在TRPM8+神经元中的靶向性过表达可以有效地在角膜和皮肤中产生冷痛[26]，并且TRPV1和TRPM8的共表达仅对于角膜的冷痛和痛觉异常起到作用，但不会改变角膜的热敏感性。TRPV1对于干眼所致的冷痛是不可或缺的，而药物抑制TRPV1是治疗干眼相关冷痛的一种有前景的策略，是治疗眼痛的潜在靶点，可能为疼痛治疗开辟一条新的途径。

4.2 TRPM8通道异常可能会导致干眼

生理状况下的寒冷感受器可以调节泪液分泌，在特定情况下还可以传导痛觉。在干眼的患者中会出现伴有疼痛感的泪液分泌异常，由此许多研究探寻了寒冷温度感受器异常与干眼之间的联系。干眼是很常见的眼病，全球发病率高达5%左右[27]。低阈值寒冷温度觉感受器对温度和渗透压的变化比较敏感，主要感受蒸发造成的泪膜变化；高阈值寒冷温度觉感受器受弱刺激时产生降温感觉，在眼表过度干燥时被强烈激活，引起疼痛的感觉。寒冷感受器形成了介导泪膜的动态平衡调节的反射弧的传入臂，其功能的中断可能是导致干眼的原因之一[28]。

角膜冷觉感受器损伤或表达异常是导致干眼患者眼表不适、疼痛等一系列感觉障碍和泪水分泌障碍的重要原因[26]。在模拟屈光手术小鼠模型中，发现部分TRPM8神经末梢含有P物质，并且观察到术后P物质的异常表达、TRPM8神经末梢数量恢复不完全与术后干眼样疼痛的发生相关[1]。

另一方面，Piña等[2]通过小鼠实验发现角膜神经消融术主要通过上调典型的寒冷温度感受器TRPM8表达，来增强其对冷和薄荷醇的敏感性，从而导致TRPM8+神经元放电活动和基础泪液分泌率增加。角膜神经损伤后的干燥感和泪液分泌的增加在很大程度上是由于寒冷的温度感受器神经元中TRPM8的上调所致。

4.3 干眼导致TRPM8通道特性改变

寒冷感受器异常会导致干眼发生，干眼同样会导致寒冷感受器的功能出现异常。事实上，干眼患者对冷温过敏，临床上表现为冷痛觉过敏或冷异位痛，是屈光不正手术致干眼样疼痛患者的常见症状[1]。在泪腺切除干眼的动物模型中，角膜冷觉细胞的激活阈值温度更高、对寒冷的反应更加强烈以及对薄荷醇反应的敏感性增加[29]。同样，泪液分泌长期减少会引起神经损伤，引起寒冷温度感受器产生类似的改变[30]，感受器兴奋性的增加是导致干眼患者不适和干燥感的原因之一。

寒冷感受器兴奋性增加是否由于TRPM8 通道表达的增加所导致？从泪液缺乏小鼠的三叉神经元中分离的角膜寒冷感觉神经元中，并没有发现寒冷引发内向电流的改变。进一步研究表明此现象不是由于TRPM8通道的表达增加，而是角膜寒冷温度觉感受器神经元内Na+通道电流增加和K+通道电流减少所导致。

5 衰老对TRPM8通道的影响

目前老龄化的加速使干眼的发病率急剧升高，影响着中国21%～30%的人口[31]。衰老会引起眼表各种形态和功能的变化，随着年龄的增长，眼部神经功能下降并且会引起泪液分泌紊乱[32]。衰老所引起的一系列变化是否与寒冷感受器有关？Alcalde等[27]发现年轻小鼠角膜中2种类型的冷感受器神经元及神经末梢之间的分布保持平衡，随年龄增长，在老年小鼠中2 种不同的神经元比例发生变化，高阈值寒冷感受器神经元数量明显增多，低阈值寒冷感受器的复杂末梢大大减少，大部分为简单末梢和分支末梢。表达TRPM8的感觉神经末梢之间平衡的失衡最终导致了老年干眼患者泪液质量的变化，以及伴随的干燥感等一系列眼部刺激症状。因此，寒冷觉感受器将异常感觉传入大脑可能是干眼在老年人中发病率很高的原因之一。

在干眼的老年患者中，经常可以观察到伴随刺激和不适的溢泪现象。虽然老年人的溢泪主要归因于泪液排出通路阻塞，但就像研究中的老年小鼠一样，功能受损的寒冷感受器神经元的异常活动也可能导致泪水溢出，加重干眼的症状[27]。衰老导致了眼表典型的低阈值冷感受器神经元的数量和功能活动减少、高阈值冷觉感受器神经元的反应性紊乱，并且使部分神经元致敏，这一系列变化会使人更易产生干燥感和刺激性流泪的症状。

6 TRPM8通道相关的临床应用

不论是病理状态或是衰老过程，TRPM8通道在与寒冷相关的疼痛中起着多方面的作用，因此其相关靶点为临床应用提供了多种可能。比如目前TRPM8受体激动剂除了我们熟知的降温和局部使用薄荷醇能够缓解瘙痒的感觉之外，有研究显示合成的TRPM8激动剂（Cryosim-1）凝胶同样可以治疗瘙痒[33]；Yoon等[34]发现TRPM8激动剂（Cryosim-3）可作为对常规治疗无效的干眼相关神经病理性疼痛的治疗新药物。另一方面，与之前传统的认知不同，Kaido等[35]评估了薄荷醇温敷贴对于干眼的治疗效果，发现薄荷醇可能需要升温才能增加泪液分泌量，薄荷醇和温度对泪液分泌的调节似乎是复杂的。由于长期使用滴眼液治疗会导致角膜上皮性疾病和其他疾病的发展，薄荷脑敷贴也许可以成为治疗干眼症的一种潜在的替代疗法。另一方面，TRPM8受体的拮抗剂也可缓解疼痛症状，可以用于治疗严重干眼相关的角膜疼痛综合征[36]。但与此同时，在敲除TRPM8基因的小鼠实验中显示，使用TRPM8拮抗剂在干眼情况下会减少基础泪液分泌[34]，这是一种不良反应。

目前对于TRPM8受体相关药物的研究没有完全成熟，对于激动剂和拮抗剂的具体作用没有完全清晰。在健康条件下激活TRPM8可以改善不适，但在干眼条件下却会引起不适，造成这种差异的原因可能是对冷刺激的感知不同[35]。尽管干眼组和对照组之间在薄荷醇诱导的冷敏感性方面没有差异，但对冷刺激的定性感知却有所不同。持续的眼表暴露可能会改变更高级的大脑功能，致使在微弱刺激下也会产生特定的感觉，因此仅在外周水平激活TRPM8受体可能不是干眼患者刺激反应的直接原因。

7 总结和展望

近年来，随着TRP家族及不同角膜感觉轴突对多种组织细胞的重要性得以揭示，角膜寒冷温度感受器在角膜感觉、泪液分泌、眨眼反射等方面的功能日益受到研究者关注。目前已经肯定TRPM8参与了基础泪液分泌过程的调节从而参与了干眼的发病机制，可能会为治疗干眼或潜在的其他眼表病变带来新的靶点。

未来除了继续研究使用TRPM8作为生物标志物外，还可以探索基于TRPM8受体的诊断探针；鉴定TRPM8基因多态性及其与个体疼痛敏感性差异的联系，可能有助于个性化用药；目前已经发现TRPM8 的调节可以帮助减轻炎症、神经损伤或周围神经病变后的疼痛，然而其激动剂和拮抗剂的作用要么不够清晰，要么仍然存在争议，因此还需要进一步的说明。此外，角膜寒冷感受器的传导通路中到底有多少种介质参与了寒冷温度感受器的传导过程？不同的通路之间是否存在相互影响？尚需要更加深入、细致的研究。

利益冲突申明 本研究无任何利益冲突

作者贡献声明 李东禹：收集数据；参与选题、设计及资料的分析和解释；撰写论文；根据编辑部的修改意见进行修改。张弘：参与选题、设计和修改论文的结果、结论；修改论文中关键性结果、结论