钠离子通道病研究进展

杨玉凌 丁晶 汪昕

电压门控钠离子通道(VGSCs)负责神经、肌肉等可兴奋细胞动作电位的产生。编码这些通道的基因变异会引起一系列疾病。近几年来,通过对这些致病突变的识别和功能研究,新的致病机制和治疗方式也得到解析,为临床诊疗提供了新的思路。

一、VGSCs的结构、功能与分布

VGSCs由形成孔道的α亚基和辅助β亚基组成,α亚基是决定其电压门控特性和离子选择性的关键,而β亚基则参与调节α亚基的表达、膜定位以及通道动力学特性。VGSCs-α是一个由约2 000个氨基酸组成的大型跨膜蛋白,其折叠成四个同源域(DⅠ～Ⅳ),并由三个胞内环(L1～3)连接而成,其中来自DⅠ～Ⅳ的4个氨基酸组成的基序(DEKA)构成了离子选择性滤过器,而L3则是关键的失活门控区(图1A)。随着膜电位变化,VGSCs可出现三种状态:静息态、激活态和失活态(图1B)。值得一提的是,失活态可分为快失活和慢失活,慢失活在短时间内不易恢复[1]。钠离子通道的不同亚型在人体各组织器官、细胞及发育阶段的分布各异(图1C、表1)。

图1 VGSCs的结构、功能与分布(A:VGSCs α和β亚基的膜拓扑结构;B:VGSCs的激活、失活与复活示意图;C:各类型VGSCs α亚基在人体的组织分布)

表1 VGSCs α亚基的生物信息、分布与功能

二、钠离子通道病

1.脑钠离子通道病

SCN1A是最常见导致脑钠离子通道病的基因,其变异可致Dravet综合征(DS)、全面性癫痫伴热性惊厥附加症(GEFS+)、热性惊厥(FS)、发育性癫痫性脑病(DEE)以及家族性偏瘫型偏头痛(FHM)。DS是最常见的癫痫性脑病,其发病是由SCN1A变异所致的单倍剂量不足引起。研究表明位于抑制性神经元上的Nav1.1功能缺失(LOF),会引起脑内抑制功能的障碍,从而导致动物出现DS样癫痫表型[2]。DS有较明显的临床异质性,这一现象可被修饰基因所解释。近期有研究表明,SCN8A、SCN9A、POLG等均为可能的修饰基因[3]。GEFS+和FS也均由SCN1A的LOF变异引起,体外实验表明致GEFS+的突变对Nav1.1功能的影响较DS小,这也解释了其偏良性表型的原因。近年来,有学者提出了“协同致病假说”,即基因变异与癫痫发作共同导致脑内异常网络的形成,加重癫痫表型[4]。亦有研究发现即使在SCN1A突变相关DS小鼠出现症状之后回补SCN1A也可显著挽救小鼠的癫痫表型[5]。这些研究共同表明癫痫发作与SCN1A突变之间存在相互作用。然而,引起非DS型DEE和FHM的突变会导致Nav1.1功能增强(GOF),这一结果似乎与前述相矛盾,但动物实验或计算机模拟的结果表明增加的钠离子电流可能会通过去极化阻滞的机制,导致抑制性中间神经元难以维持正常的兴奋性[6]。

SCN2A变异相关的疾病包括良性家族性婴儿惊厥(BFNIS)、发作性共济失调(EA)、DEE、自闭谱系障碍(ASD)和智力发育障碍(ID)。BFNIS相关SCN2A变异是GOF变异,会导致神经元的兴奋性增加[7]。由于BFNIS患儿的癫痫发作通常在1岁后自行缓解,有学者试图解释这种现象并发现变异主要导致新生儿型的Nav1.2转录本功能增益,而对成人型的影响很小[8]。SCN2A变异相关的DEE可分为早发型(<3m)和迟发型(>3m)。导致早发型DEE的变异通常会引起Nav1.2功能增强,并且这部分患者对钠离子通道阻滞剂(SCBs)的反应较好,而引起晚发型DEE的则是LOF变异,这类患者应用SCBs通常无效甚至出现病情加重[9]。SCN2A的LOF变异还会导致ASD或ID,并且通常伴癫痫发作。研究人员发现,Nav1.2的单倍剂量不足会导致神经元树突棘密度的降低,从而导致动物出现智力或社交行为障碍[10]。同时Nav1.2表达的减少也会导致与其相互作用的钾离子通道的减少,反而导致神经元的兴奋性增加,爆发更多的动作电位[11]。

Nav1.3主要表达于胚胎期脑内,而在出生后的表达很少。病例研究显示SCN3A变异与家族局灶性可变病灶型癫痫(FFEVF)和DEE有关。体外功能研究也表明,引起这两种疾病的变异会导致持续性钠电流的增加或钠离子通道失活障碍,属于GOF变异[12]。然而,一部分SCN3A的LOF变异或片段缺失也在有智力发育障碍或自闭障碍的患儿中被发现,其可伴或不伴癫痫发作[13]。

Nav1.6是脑内表达最丰富的钠离子通道,其功能障碍会导致伴或不伴小脑共济失调的认知障碍、DEE和BFNIS。伴或不伴小脑共济失调的认知障碍是最早被确定的人类SCN8A变异相关表型,突变导致基因出现移码并导致编码蛋白提前终止[14]。类似的LOF变异还见于智力和运动障碍的患者中,且这两类患者通常均不伴有癫痫发作[15]。而体内外研究表明,引起DEE或BFNIS的SCN8A的变异会导致钠离子通道失活障碍、持续钠电流增加进而引起神经元兴奋性增加[16]。患者临床表现的严重程度也取决于变异对钠离子通道功能的损害程度[15]。然而,在SCN8A单倍剂量不足的动物模型中也能观察到自发的失神发作[17],这表明SCN8A的LOF也会导致癫痫发生,因此还需更深入地探究Nav1.6的功能及其与疾病的关联。

尽管过去认为Nav1.7很少在脑内表达,但目前已有部分研究结果显示SCN9A也是导致癫痫发作的候选基因。2009年,在一个FS的大家系中,研究人员共分离验证发现SCN9A的错义突变。后续也有部分研究表明SCN9A与GEFS+以及儿童良性局灶性癫痫(BECTS)相关[18-19]。目前有关致痫的SCN9A变异的功能研究较少,且均显示为GOF变异[20]。

2.骨骼肌钠离子通道病

骨骼肌钠离子通道病由SCN4A基因变异所引起。根据遗传模式的不同,可分为常染色体隐性遗传(AR)的先天性肌无力综合征(CMS)及AD遗传的高钾性周期性麻痹(HyperPP)、低钾(正常钾)性周期性麻痹(HypoPP/NormoPP)和先天性肌强直病(PMC)。CMS以持续运动后肌肉无力和疲劳为特点,该病由Nav1.4的LOF突变引起。突变导致钠离子通道更易失活,且复活更慢,使骨骼肌细胞难以产生动作电位,从而导致了肌无力的表型[21]。HyperPP和PMC的病因相似,SCN4A的GOF突变可导致钠离子通道无法正常失活或失活变慢、复活加快,从而导致细胞膜去极化[6]。不同的是,在HyperPP中产生了去极化阻滞现象,患者出现弛缓性麻痹[22]。而在PMC患者中,去极化的膜电位会导致紊乱的动作电位爆发,从而引起肌肉痉挛或强直[23]。殊途同归,在HypoPP/NormoPP的患者中,SCN4A的突变会导致一种异常的非选择性阳离子孔道的产生,导致胞内钠离子水平增高,增高的钠离子可影响Na+-K+-ATP酶的活性,并导致K+平衡电位去极化,从而产生一种反常去极化阻滞现象,导致患者出现肌无力表型[24]。

3.心肌钠离子通道病

SCN5A编码的Nav1.5是心肌细胞内最重要的钠离子通道,其突变会导致一系列心脏疾病,如AD遗传的长QT间期综合征(LQTS)、Brugada综合征(BrS)、扩张性心肌病(DCM)、家族性房颤(FAF)、心脏传导阻滞及AR遗传的病态窦房结综合征(SSS)[25]。除导致LQTS和部分DCM、房颤的突变是GOF变异外,其他大多为LOF变异。在LQTS患者中,SCN5A的GOF突变可引起持续钠内流,导致延长的复极化和平台期,进而引起QT间期增加[26]。GOF突变也可导致心房肌细胞的兴奋性增强,引起房颤表型。此外,钠离子通道功能的增加,还会导致胞内钠离子水平增加,激活Na+-Ca2+转运体,进一步导致胞内钙超载而损害心肌细胞,引起DCM[26]。而SCN5A的LOF变异可通过两种途径影响心脏功能:一是Nav1.5表达量减少会损害与其相互作用蛋白的功能,导致心肌细胞形态和功能障碍[27];二是在电信号的传导过程中,Nav1.5的功能缺失会导致动作电位的位相异常、心肌细胞之间的电耦合减少或传导功能障碍,进而引起心律失常[28]。

4.感觉神经钠离子通道病

Nav1.7、Nav1.8和Nav1.9是周围神经系统中重要的钠离子通道,广泛分布于外周神经,其功能障碍会导致周围感觉异常,以痛觉感受障碍最为明显[29]。SCN9A的功能异常可导致AD遗传的原发性红斑肢痛症、阵发性极度疼痛障碍(PEPD)、小纤维神经病(SFN)和AR遗传的先天性无痛(CIP)。红斑肢痛、PEPD和SFN均以发作性疼痛为特点,病理机制较明确,即Nav1.7的GOF变异会导致感觉神经元的兴奋性增加并出现自发性放电,从而导致了患者出现发作性疼痛表型[30]。CIP则是由Nav1.7的LOF变异所引起,体外研究结果表明Nav1.7变异会导致钠电流减少或完全无功能,无法传导感觉刺激。也有研究表明SCN9A的缺失会导致外周感觉纤维发育障碍,导致痛觉感受障碍[31]。SCN10A和SCN11A的GOF变异也会导致PEPD。SCN11A的LOF变异还会导致以无痛为特点的感觉和自主神经病变。携带SCN11A与携带SCN9A变异的无痛患者不同,虽然他们也感受不到外周肢体的伤害刺激,但却可感受到内脏痛,这一现象的原因可能是在交感神经节上表达的钠离子通道主要是Nav1.7而非Nav1.9[32]。不过有研究表明部分SCN9A的GOF变异可在无痛障碍的患者中发现,体外功能研究发现Nav1.9的功能显著增强,产生去极化阻滞现象,阻碍了动作电位的产生[33]。钠离子通道病的功能型与临床表型之间的联系见表2。

表2 钠离子通道病的功能型与临床表型之间的联系

三、钠离子通道病的治疗

钠离子通道病的治疗方式可分为药物、外科和基因治疗。药物治疗在目前临床上应用最为广泛。对于钠离子通道GOF相关疾病可应用经典的SCBs,如使用卡马西平治疗BFNIS和疼痛障碍[34],美西律治疗LQTS和PMC。随着人们对各种钠离子通道结构的解析和认识,针对某种钠离子通道特异性的药物也开始进入临床前应用。Nav1.6特异性的阻滞剂——XEN901可有效减轻SCN1A和SCN8A变异小鼠的癫痫行为,并已进入临床试验阶段[35]。Hm1a是一种毒性肽,可选择性地激动Nav1.1并减轻DS小鼠的癫痫症状[36]。除针对钠离子通道的药物外,临床上也会使用其他细胞兴奋调节剂,如应用加强脑内抑制性功能的氯巴占来治疗DS。此外,诸如大麻二酚、司替戊醇等特殊机制的抗癫痫药物也在大型临床试验中被发现可改善DS患儿的症状[37-38]。外科治疗方式也可改善部分患者的症状,如部分心肌钠离子通道病患者可接受射频消融、起搏器植入等外科手术[39];难治性癫痫患者也可采用迷走神经刺激术、脑深部电刺激等方式来缓解症状[40]。

近几年,基因治疗得到了越来越多学者的关注。应用等位基因特异的反义寡核苷酸(ASOs)技术可有效减少突变导致的mRNA的降解,增加DS小鼠中Nav1.1的表达水平并改善小鼠的发作情况[41],并已进入临床试验阶段。此外,研究者通过应用融合转录激活因子CRISPR技术,可实现靶向SCN1A的转录激活,增加Nav1.1在DS小鼠中的表达[42]。虽然基因靶向治疗相比其他治疗手段更加精准,但其临床应用还需更多安全性和有效性的证据。

四、总结与展望

随着研究不断深入,钠离子通道病的临床表型、发病机制及治疗策略已取得许多进展。根据突变所致钠离子通道功能的改变,可分为GOF和LOF型。大多变异所致表型及严重程度具有其功能型依赖性。临床上,针对GOF相关疾病,可应用SCBs进行治疗,而LOF型钠离子通道病须避免使用SCBs以防加重患者表型。目前,基因治疗策略正在钠离子通道病中得到逐步应用,但治疗的安全性仍是需要首要关注的。然而,钠离子通道病基因型-功能型-表型之间的关联仍有许多研究空白,如何根据患者不同基因型指导用药并评估患者预后仍有待深入探索。