HCN通道調(diào)控痛覺(jué)相關(guān)神經(jīng)元興奮性突觸傳遞的研究進(jìn)展*

彭斯聰 張達(dá)穎 柳 濤

（南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院 1兒科；2 疼痛科，南昌330006）

超極化激活環(huán)核苷酸門控陽(yáng)離子 (hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation, HCN)通道廣泛表達(dá)于中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)[1]，參與調(diào)控神經(jīng)元的興奮性和神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，在慢性疼痛如機(jī)械超敏和觸誘發(fā)痛的發(fā)生發(fā)展中具有關(guān)鍵的作用。谷氨酸介導(dǎo)的突觸傳遞的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation, LTP)可導(dǎo)致痛覺(jué)回路相關(guān)神經(jīng)元對(duì)外周傷害性刺激的反應(yīng)增強(qiáng)，產(chǎn)生中樞敏化，這是導(dǎo)致慢性疼痛的主要病理學(xué)基礎(chǔ)[2]。因此，通過(guò)抑制谷氨酸能興奮性突觸傳遞從而緩解中樞敏化，有望成為慢性疼痛治療的新方向[3]。目前研究發(fā)現(xiàn)，HCN通道在不同痛覺(jué)相關(guān)神經(jīng)元上的亞細(xì)胞定位具有異質(zhì)性，且其調(diào)控興奮性突觸傳遞的作用因神經(jīng)元類型而異，并與多種蛋白質(zhì)、離子通道或受體等相互協(xié)作，部分機(jī)制尚未完全闡明。因此，我們就當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，首次總結(jié)了HCN通道在痛覺(jué)相關(guān)神經(jīng)元的亞細(xì)胞定位情況，及其對(duì)興奮性突觸傳遞的調(diào)控作用和機(jī)制，旨在為慢性疼痛的基礎(chǔ)研究提供參考。

1.HCN通道的基本特性及其與慢性疼痛的關(guān)系

HCN通道于1998年被Santoro和Ludwig等人首先報(bào)導(dǎo)[4,5]，屬于環(huán)孔陽(yáng)離子通道和環(huán)核苷酸門控通道超家族，由6個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域(S1-6)組成，其中S4為電壓感受區(qū)，S5和S6之間形成陽(yáng)離子通道孔，此外還有一個(gè)位于胞內(nèi)側(cè)羧基端的環(huán)核苷酸結(jié)合區(qū)，可感受胞內(nèi)環(huán)核苷酸濃度的變化，進(jìn)而調(diào)控通道的開(kāi)放[1]。因此，HCN通道是受電壓和配體雙重調(diào)控的。細(xì)胞膜超極化以及胞內(nèi)cAMP、cGMP或cCMP均可激活HCN通道，產(chǎn)生內(nèi)向Na+-K+混合陽(yáng)離子電流，即超極化激活陽(yáng)離子電流 (Hyperpolarization-activated Cation Current, Ih)。根據(jù)激活動(dòng)力學(xué)的不同，HCN通道可分為四種同源亞型，分別為HCN1、HCN2、HCN3和HCN4，它們的激活時(shí)間依次減慢[1]。在環(huán)核苷酸門控方面，HCN通道對(duì)cAMP的敏感性較cGMP和cCMP高；HCN2和HCN4對(duì)cAMP敏感，而HCN1和HCN3則相對(duì)不敏感[1]。

2003年，Chaplan等人運(yùn)用脊神經(jīng)結(jié)扎(spinal nerve ligation, SNL)模型，首次發(fā)現(xiàn)了HCN通道可增加背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglia, DRG)細(xì)胞的自發(fā)放電頻率，產(chǎn)生觸誘發(fā)痛，表明HCN通道與病理性疼痛密切相關(guān)[6]。隨后，大量國(guó)內(nèi)外研究證實(shí)，HCN通道在神經(jīng)病理性痛、炎性痛和化療藥物誘發(fā)的周圍神經(jīng)病變(chemotherapy-induced peripheral neuropathy, CIPN)中，均扮演著重要角色，通過(guò)影響神經(jīng)元的靜息電位(resting membrane potential,RMP)、自發(fā)放電頻率、神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)速率、遞質(zhì)釋放和樹突整合等多種機(jī)制調(diào)控疼痛的發(fā)生和維持（見(jiàn)表1～2）。動(dòng)物行為學(xué)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，HCN通道阻斷劑ZD7288或抑制劑伊伐布雷定、西洛雷定以及利多卡因[7]等藥物，對(duì)于神經(jīng)病理性痛和炎性痛所致的機(jī)械痛敏、冷熱覺(jué)痛敏、觸誘發(fā)痛和自發(fā)性疼痛等，均具有明顯的緩解作用[1]。

表1 HCN通道在神經(jīng)病理性痛中的作用

表2 HCN通道在炎性痛和CIPN中的作用

2.HCN通道在痛覺(jué)相關(guān)神經(jīng)元中的分布

疼痛上行傳導(dǎo)通路由DRG、脊髓背角、腦干頭端腹內(nèi)側(cè)髓質(zhì)(rostral ventromedial medulla, RVM)、腹外側(cè)導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)(ventrolateral periaqueductal grey, vlPAG)和藍(lán)斑核、丘腦腹后核、杏仁核以及大腦內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)(medial prefrontal cortex, mPFC)和前扣帶回皮質(zhì)(anterior cingulate cortex, ACC)等部位的神經(jīng)元和神經(jīng)纖維組成[8]。此外，海馬、內(nèi)嗅皮層、小腦、中腦等腦區(qū)亦與痛覺(jué)調(diào)控相關(guān)[9～11]。其中，海馬和內(nèi)嗅皮層可通過(guò)增強(qiáng)疼痛相關(guān)的焦慮而使痛覺(jué)放大[9]，小腦的深部核團(tuán)、蚓部和半球小葉通過(guò)與RVM、vlPAG和mPFC等腦區(qū)形成直接或間接的神經(jīng)聯(lián)系進(jìn)而調(diào)控疼痛[10]，而中腦腹側(cè)被蓋區(qū)和黑質(zhì)的多巴胺能神經(jīng)元可通過(guò)D2受體的激活而產(chǎn)生鎮(zhèn)痛作用[11]。HCN通道在上述痛覺(jué)相關(guān)區(qū)域內(nèi)神經(jīng)元的興奮性軸突末梢、樹突和胞體均有表達(dá)（見(jiàn)表3），這是其調(diào)控興奮性突觸傳遞的解剖學(xué)基礎(chǔ)[8]。

免疫組織化學(xué)染色和免疫金法等實(shí)驗(yàn)證實(shí)，HCN通道表達(dá)于痛覺(jué)相關(guān)神經(jīng)元的軸突末梢，但亞型分布不同。小直徑的DRG神經(jīng)元，即C類初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元，是傳導(dǎo)外周痛覺(jué)信號(hào)的初級(jí)傳入神經(jīng)元，其軸突末梢主要表達(dá)HCN2亞型[12]。痛覺(jué)傳導(dǎo)通路的初級(jí)中樞——脊髓背角II層，即膠狀質(zhì)區(qū)(substantia gelatinosa, SG)，其興奮性軸突末梢表達(dá)HCN1、HCN2和HCN4，其中以HCN4為主[13]。此外，在其它痛覺(jué)相關(guān)神經(jīng)元，如ACC神經(jīng)元軸突末梢主要表達(dá)HCN2[14]，而海馬顆粒細(xì)胞[15]和內(nèi)嗅皮層神經(jīng)元[16]的軸突末梢主要表達(dá)HCN1。然而，目前對(duì)于HCN3亞型的研究較少，尚無(wú)其在神經(jīng)元軸突末梢表達(dá)的報(bào)道。HCN通道在痛覺(jué)相關(guān)神經(jīng)元的樹突也有分布，這是其調(diào)控樹突整合和突觸可塑性的前提條件。例如，在ACC和丘腦神經(jīng)元中，HCN1、HCN2和HCN4在樹突均有表達(dá)[14]。此外，免疫組織化學(xué)染色和電生理實(shí)驗(yàn)證實(shí)，HCN通道在上述多種痛覺(jué)相關(guān)神經(jīng)元的胞體亦有不同的表達(dá)。例如，在DRG神經(jīng)元中，表達(dá)于C類神經(jīng)元胞體的僅為HCN2[17]，而在Aδ類神經(jīng)元胞體則表達(dá)HCN1-3[18]，但在SG神經(jīng)元的胞體，HCN1-4均有表達(dá)[13]。以上研究結(jié)果表明，HCN通道在不同神經(jīng)元中的表達(dá)水平和亞細(xì)胞定位存在差異，提示其調(diào)控興奮性突觸傳遞的作用也可能不同。

表3 HCN通道在痛覺(jué)相關(guān)神經(jīng)元的亞細(xì)胞定位

3.HCN通道對(duì)痛覺(jué)相關(guān)神經(jīng)元興奮性突觸傳遞的調(diào)控作用

現(xiàn)有研究表明，HCN通道對(duì)神經(jīng)元興奮性突觸傳遞的調(diào)控作用是雙向的，存在增強(qiáng)和抑制兩種效應(yīng)。增強(qiáng)效應(yīng)主要見(jiàn)于SG神經(jīng)元[3]和vlPAG神經(jīng)元[19]等，HCN通道激活或表達(dá)上調(diào)后表現(xiàn)為谷氨酸能興奮性突觸傳遞的增強(qiáng)。例如，在部分坐骨神經(jīng)結(jié)扎(partial sciatic nerve ligation, PSNL)模型和甲醛炎性痛模型的ddY系小鼠中，Ih激活可增加SG神經(jīng)元的興奮性突觸后電流(excitatory postsynaptic currents, EPSCs)，而ZD7288阻斷Ih后可減少EPSCs，且腹腔或鞘內(nèi)注射ZD7288均產(chǎn)生明顯的鎮(zhèn)痛作用[3]。此外，在SD大鼠的坐骨神經(jīng)慢性壓迫性損傷(chronic constriction injury, CCI)模型中，vlPAG神經(jīng)元的HCN1和HCN2表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致其自發(fā)性(spontaneous) EPSCs頻率增加，且該作用可被ZD7288阻斷[19]。相反，減弱效應(yīng)見(jiàn)于mPFC[20]、丘腦底核[21]、內(nèi)嗅皮層[16]、中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元[22]、新皮質(zhì)椎體神經(jīng)元[14,23]以及杏仁核快速放電中間神經(jīng)元[24]等部位，阻斷HCN通道后谷氨酸能突觸傳遞是增強(qiáng)的。例如，Cordeiro等運(yùn)用Long-Evans大鼠的SNL模型，發(fā)現(xiàn)在mPFC的 II/III層錐體神經(jīng)元中，抑制Ih的激活導(dǎo)致微小(miniature) EPSCs的頻率的增加[20]。

在神經(jīng)環(huán)路中，興奮性和抑制性神經(jīng)元的突觸傳遞活動(dòng)是相互影響的，共同維系局部的興奮-抑制平衡。因此，HCN通道對(duì)神經(jīng)元興奮性突觸傳遞調(diào)控的差異，可能與神經(jīng)元類型和神經(jīng)環(huán)路的功能不同有關(guān)。此外，這種調(diào)控效果還可因動(dòng)物種屬和模型制備方法的不同而異。

4.HCN通道調(diào)控興奮性突觸傳遞的分子機(jī)制

HCN通道具有電壓感受區(qū)和環(huán)核苷酸結(jié)合區(qū)兩個(gè)調(diào)控位點(diǎn)，膜電位超極化和胞內(nèi)環(huán)核苷酸濃度升高均可激活HCN通道。其中，膜電位變化可影響多種離子通道的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力和激活及失活；而環(huán)核苷酸通過(guò)與其下游的多種信號(hào)調(diào)節(jié)通路偶聯(lián)，進(jìn)而調(diào)控神經(jīng)元的功能。以上特性使HCN通道調(diào)控興奮性突觸傳遞的分子機(jī)制具有多樣性，根據(jù)作用靶點(diǎn)不同可進(jìn)一步分為突觸前結(jié)構(gòu)（軸突末梢）和突觸后結(jié)構(gòu)（如樹突或神經(jīng)元胞體）兩大類。

突觸前末梢的調(diào)控機(jī)制主要有：調(diào)控胞內(nèi)Ca2+或Na+離子濃度[14,25]、膜電位[25]及多種胞內(nèi)信號(hào)通路（如Ca2+/AC1-cAMP-PKA信號(hào)通路[14,25]和NOGC1-cGMP信號(hào)通路[26,27]）。例如，Koga等發(fā)現(xiàn)，ACC神經(jīng)元的LTP與腓總神經(jīng)結(jié)扎的慢性痛行為有關(guān)，ZD7288可抑制ACC神經(jīng)元的LTP，而ACC內(nèi)注射ZD7288可產(chǎn)生明顯的抗焦慮和鎮(zhèn)痛效果，且此效果依賴腺苷酸環(huán)化酶1 (AC1)和蛋白激酶A(PKA)的激活[14]。而Wang等在感覺(jué)皮層神經(jīng)元（II/III層）的研究中發(fā)現(xiàn)，抑制胞內(nèi)的鳥苷酸環(huán)化酶(NO-GC1)可降低胞內(nèi)cGMP水平，進(jìn)而抑制Ih的激活，最終減少突觸前末梢釋放谷氨酸[27]。

在突觸后結(jié)構(gòu)中，HCN通道調(diào)控樹突整合和EPSPs的機(jī)制主要有：增強(qiáng)離子型谷氨酸受體（NMDA受體[23]和AMPA受體[23,26]）介導(dǎo)的電流、上調(diào)胞內(nèi)Ca2+濃度[23,28]以及激活多種胞內(nèi)信號(hào)通路（如PLC-PKC信號(hào)通路[29]、TNFα-TNFR1-p38信號(hào)通路[30]和JNK-NO-cGMP信號(hào)通路[31]）。例如，在多種疼痛模型中觀察到DRG和脊髓背角的p38 MAPK信號(hào)通路激活，而致痛因子TNFα可通過(guò)激活SG神經(jīng)元胞內(nèi)的TNFα-TNFR1-p38 MAPK信號(hào)通路抑制Ih，增加SG神經(jīng)元的sEPSCs從而產(chǎn)生致痛效應(yīng)[30]。在新皮質(zhì)錐體神經(jīng)元中，ZD7288阻斷Ih后可通過(guò)改變遠(yuǎn)端樹突簇的Ca2+信號(hào)，增加頂樹突簇的興奮性傳入，從而顯著增加AMPA和NMDA受體介導(dǎo)的EPSP幅度[23]。

此外，HCN通道在調(diào)控興奮性突觸傳遞的過(guò)程中，還可與其他蛋白質(zhì)、離子通道或受體協(xié)同作用，參與非痛覺(jué)相關(guān)的生理功能，例如運(yùn)動(dòng)功能、聽(tīng)覺(jué)、認(rèn)知、學(xué)習(xí)和記憶等。目前研究發(fā)現(xiàn)，可與HCN通道共同調(diào)控興奮性突觸傳遞的分子包括細(xì)胞骨架蛋白[32]、質(zhì)子泵[32,33]、K通道[23,34～36]、鈣通道[16,21,37]、α2去甲腎上腺素能受體[29]以及大麻素受體[31]等。例如，在PFC錐體神經(jīng)元中，阻斷Kir2和Kleak通道后使膜電位去極化，引起Ih去活而增強(qiáng)EPSP[34]。然而，在痛覺(jué)調(diào)控中是否存在上述機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究。以上研究結(jié)果表明，HCN通道調(diào)控神經(jīng)元興奮性突觸傳遞的機(jī)制因神經(jīng)元類型而異，且具體的分子機(jī)制較為復(fù)雜，有待將來(lái)進(jìn)一步研究。

5.現(xiàn)狀和展望

綜上可知，HCN通道在神經(jīng)元軸突、樹突和胞體均有分布，但表達(dá)的亞型不盡相同；其對(duì)神經(jīng)元興奮性突觸傳遞存在雙向調(diào)控，而具體作用和機(jī)制因神經(jīng)元類型而異，同時(shí)還受到動(dòng)物種屬、疾病模型制備方法、神經(jīng)環(huán)路的特點(diǎn)以及興奮-抑制平衡等因素的影響。盡管如此，HCN通道抑制劑被認(rèn)為可有效減少痛覺(jué)相關(guān)神經(jīng)元的興奮性突觸傳遞，抑制中樞敏化的形成，從而緩解異常痛覺(jué)的產(chǎn)生，因此為慢性疼痛的研究和治療提供了新的思路。

雖然HCN通道目前被認(rèn)為是治療神經(jīng)病理性痛和炎性痛的新靶點(diǎn)之一[8]，但目前研究仍存在不足之處：①動(dòng)物和人類作為有機(jī)的整體，在慢性疼痛的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中存在諸多代償機(jī)制，而目前在體的動(dòng)物研究及臨床研究均較少，限制了其應(yīng)用。②HCN通道的4種亞型的蛋白序列存在高度同源性(80～90%)，目前尚無(wú)特異性的HCN通道亞型阻斷劑，在一定程度上限制了相關(guān)研究的進(jìn)行[1]。③由于HCN通道在心臟、中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)分布廣泛且具有異質(zhì)性，對(duì)多種生理功能（例如心臟起搏和心率、神經(jīng)節(jié)律、學(xué)習(xí)和記憶、視覺(jué)、痛覺(jué)等）均有重要的調(diào)控作用[1]，相關(guān)藥物的副作用尚未明確，因此，對(duì)HCN通道調(diào)節(jié)劑治療慢性疼痛的研究任重而道遠(yuǎn)。