电压门控型钠离子通道1.7在疼痛中的作用研究进展

2021
08/18

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古麻今醉
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【综述】

疼痛是临床上最常见的症状之一,伤害感受性疼痛是任何破坏性或潜在的有害刺激所致。神经病理性疼痛是躯体感觉神经系统的损伤或疾病所导致的疼痛。当神经元正常结构被破坏,可产生痛觉超敏或缺失症状。机体感知疼痛是伤害性刺激产生并在神经元间传递的过程,钠离子通道活性是神经元传导兴奋刺激的重要因素,钠离子通道受损易导致神经元损伤,从而出现疼痛感知紊乱。目前已知,钠离子通道1型(sodium channel 1, Nav1)电压门控通道家族由9个成员组成——Nav1.1~1.9,由SCN1A~SCN5A和SCN8A~SCN11A基因编码;其中钠离子通道(sodium channel, Nav)1.7因其与部分疼痛疾病的遗传相关而备受关注。


 

1 Nav1.7生理特性

     

电压门控型钠通道(voltage gated sodium channels, VGSCs)是表达于细胞膜上多亚基的跨膜糖蛋白,由α亚基(功能单位)和β亚基组成,α亚基是由4个同源跨膜结构域(Ⅰ~Ⅳ)构成,每个结构域包含6个跨膜的疏水α螺旋(S1~S6),带正电荷的S4片段具有电压感受器的功能,能够调控S5和S6中间的允许钠离子通过的亲水性孔道,引起细胞去极化或超极化,完成信号的跨膜传递(图1) 。根据α亚基的结构特点,Nav1家族中Nav1.1~Nav1.4和Nav1.6、Nav1.7是河豚毒素(tetrodotoxin, TTX)敏感型(tetrodotoxin‑ sensitive, TTX‑S)通道,其余为TTX耐受型(tetrodotoxin‑resistant, TTX‑R)通道,这些钠通道亚型在空间和时间上具有一定的差异性,从而产生明显不同的电生理特性。与其他钠通道亚型相比,Nav1.7通道具有快速激活、快速失活以及缓慢的失活动力学的特点,能被微小刺激激活,促进细胞膜进一步去极化 。外周神经元中表达的钠离子通道主要为Nav1.7 ,且Nav1.7在伤害性感觉神经元比非伤害性感觉神经元表达更明显 。Nav1.7在吞噬细胞、子宫内膜癌细胞、胃癌细胞、乳腺癌细胞、肺癌细胞中均可表达,通过抑制Nav1.7通道可以减弱细胞活性 。

 
 

2 Nav1.7与伤害感受性疼痛

     

伤害感受性疼痛一般指组织损伤所引起的疼痛。敲除小鼠初级神经元中的Nav1.7,小鼠机械痛和炎性痛降低,但不影响脊神经横断所致的病理性疼痛 。只有同时敲除初级神经元和交感神经元中的Nav1.7才能使所有痛觉感受器消失,出现与先天性无痛症(congenital insensitivity to pain, CIP)相似的症状 。Gingras等 将小鼠SCN9A基因完全敲除,发现小鼠的痛觉敏感性明显降低,但对非伤害性刺激有正常反应。单纯切除小鼠的化学交感神经,热板法疼痛阈值没有改变,手术切除Nav1.7缺失小鼠的化学交感神经时,疼痛阈值降低 。Nav1.7缺失小鼠与野生型小鼠在急性和慢性内脏疼痛模型的行为测试中差异无统计学意义,对刺激内脏传入神经的反应也没有改变 ,这表明Nav1.7与内脏疼痛的发生或维持无关。缺乏Nav1.7也会导致部分生理性活动的缺陷,包括内源性阿片类信号的上调、外周终末的动作电位启动失败、未能将动作电位传递给脊髓中的二级神经元、突触前膜的神经递质释放缺陷等 。


 

3 Nav1.7与神经病理性疼痛

     

神经病理性疼痛主要病因包括物理性的机械损伤、代谢或营养性神经改变、神经元结构异常、神经递质功能障碍等。电生理基础是部分神经元的细胞膜钠离子通道和电压门控钙离子通道的表达异常,使神经元的正常生理活动发生改变。其中红斑性肢痛症(erythromelalgia, EM)电生理基础主要为Nav1.7突变型Nav。EM是一种以四肢疼痛和红斑为特征的慢性遗传性疼痛疾病,症状与温度相关。遗传性红斑性肢痛症(inherited erythromelalgia, IEM)通常在20岁之前出现症状,IEM具有常染色体显性遗传模式,通过基因测序和分析发现了Nav1.7的L858H位点和I848T位点突变 。I848T突变与痛觉感受器恢复周期中的超常传导有关 。L858H型突变增加了低于动作电位阈值的膜电位处的通道活性,使膜电位去极化并增加了跨节电流 。伤害感受器的过度兴奋性是Nav1.7突变型IEM神经性疼痛的基础 。据报道已有20余种Nav1.7突变体与IEM相关,突变位点不同,突变体的作用也不尽相同(图2) ,但根据细胞水平的电生理分析发现,主要的生理机制是激活电压依赖性的超极化和增加缓慢去极化时的放电 。

 
 

4 Nav1.7基因突变与痛觉异常疾病

     

痛觉是机体受到伤害性刺激时所产生的不愉快的主观体验,同时伴有情绪和内脏反应以及躯体运动性防卫反应。痛觉敏化指对非伤害性刺激的异常痛觉和伤害性刺激的痛觉超敏,痛觉缺失则是对正常情况下可引起痛觉的刺激无法产生痛觉。研究发现,由于神经元中Nav1.7基因突变,部分患者出现痛觉敏化或痛觉缺失,产生相应的临床症状并具有遗传性。


4.1 阵发性极度疼痛障碍(paroxysmal extreme pain disorder, PEPD)

PEPD也称为“家族性直肠疼痛”,主要由机械刺激引起,以直肠/骶骨为中心的剧烈疼痛,并伴有骶骨区和大腿疼痛,该病具有常染色体显性遗传模式。通过患者的基因测序和连锁分析发现,PEPD与Nav1.7的错义突变有关,已报道的错义突变有:R996C、V1298F、V1298D、V1299F、I1461T、T1464I、F1462V、G1607R、L1612P、M1627K、A1632E(图3) 。PEPD相关Nav1.7突变导致通道快速失活受损,在复极的过程中通道可以重新打开,产生持续的钠电流,导致自发和高频放电 。通过计算机模拟发现,Nav1.7突变产生的复活电流可以诱导伤害性神经元高频放电,从而促进PEPD的超兴奋性 。

 

4.2 小纤维神经病(small fiber neuropathy, SFN)

SFN病理特征是无髓鞘和薄髓鞘的轴突缓慢退化 ,患者通常无法感觉脚部针刺痛,对温暖和寒冷的感知能力受损,但轻微的触摸、振动、本体感觉和深部肌腱反射是正常的。SFN约50%为特发性,也可继发于糖尿病、化疗或免疫功能障碍疾病。在特发性SFN患者中,高达30%的患者发现Nav1.7功能错义变异的增加,目前发现的突变位点有:R185H、I228M、D623N、I720K、I739V、M932L/V911L、R1279P、M1532I,电生理学分析提示变异削弱了通道慢速失活 。Nav1.7突变体活性增强可能会导致钠负荷增加、钠钙交换器逆转以及轴突内钙离子增加,从而导致轴突退化 。


4.3 CIP

CIP即对通常会引起疼痛的伤害性刺激不会感到疼痛。CIP有与常染色体隐性遗传相一致的模式,其遗传基础是Nav1.7的功能缺失突变 。这些个体在对有害刺激的反应中表现出特异性痛觉缺失,而认知、运动和自主功能正常,同时存在嗅觉缺失。基因检测显示Nav1.7中存在双等位基因缺失(图4) ,在Nav1.7缺失的个体中发现表皮内神经纤维密度降低,电生理分析表明突变将导致这些通道携带电流的能力完全丧失,因此患者无法感知疼痛 。

 
 

5 Nav1.7相关靶向治疗

     

鉴于Nav1.7在痛觉中的关键作用,人们一直在努力开发这种离子通道的选择性抑制剂用于治疗Nav1.7相关疼痛。Nav1.7主要在外周神经系统中特异性表达(嗅神经元除外),这为此类镇痛药带来了希望。诸如美西利汀、利多卡因和卡马西平等治疗药物是非选择性VGSCs抑制剂,这些药物对某些与Nav1.7突变相关的疼痛通道疾病有疗效,然而,由于全身用药对心脏和大脑VGSCs的活性的影响使得药物剂量受到限制。因此,出现了针对该通道的单克隆抗体、肽类毒素和小分子物质等特异性药物的研发。


5.1 小分子抑制剂

许多公司正在开发主要针对Nav1.7高敏性疼痛疾病的小分子抑制剂。目前临床应用的Nav阻滞剂是与孔隙区域相互作用,但不同Nav之间的孔隙(由S5和S6形成)具有高度同源性的α亚基,使得针对孔隙区域的选择性阻滞剂的开发具有挑战性。因此,目前备受关注的方向是以该通道中其他同源性较低的区域(如电压传感器)为靶向的试剂,如某些芳基磺酰胺抑制剂与结构域Ⅳ电压感应区的胞外位点结合,阻止通道从失活状态恢复,从而治疗Nav1.7 高敏型疼痛,对PEPD和SFN效果较明显 。临床化合物PF‑05089771和结构重组的临床前工具化合物PF‑05198007具有Nav1.7选择特异性,它们与Ⅳ区域的电压感应区结合从而降低动作电位的峰值和斜率,可能缓解EM所致的疼痛 。Nav1.7阻滞剂XEN402可减轻与IEM相关的疼痛,因此罕见遗传疾病的特殊突变蛋白可作为治疗的新靶点 。


5.2 毒 素

天然毒素长期以来被用于探测离子通道的功能,其中ProTx‑Ⅱ(分离自蓟马狼蛛)和HWTX‑Ⅳ(分离自虎纹捕鸟蛛)对Nav1.7的选择性抑制作用较强,这些毒素以Nav1.7的电压传感器为目标,与Ⅱ域电压传感器中的S3b‑S4螺旋‑旋转‑螺旋(桨叶基序)结合 。这种桨叶基序可以随着膜电位的变化而移动,同时感应电压的变化,与孔隙的打开、关闭和失活相耦合 。因此,这些毒素可以在闭合构型中捕获此Nav1.7的电压传感器,从而抑制Nav1.7通道的激活,缓解Nav1.7高度活跃所致的疼痛,尤其对IEM相关疼痛效果显著。HWTX‑Ⅳ在炎症和神经痛模型中表现出对疼痛相关超敏反应的抑制作用 。Pn3a在体外对背根神经节的TTX‑S电流和脊髓节段内的伤害性突触传递有抑制作用,但在使用自然刺激的急性疼痛模型中没有镇痛作用 。Gp‑Tx1是从狼蛛毒液中纯化的另一种毒素,与ProTx‑Ⅱ和HWTX‑Ⅳ具有相同的抑制性半胱氨酸结基序,并与Nav1.7的Ⅱ域电压传感器结合,产生与ProTx‑Ⅱ相似的作用 。


5.3 单克隆抗体

鉴于Nav1.7抗体可明显抑制椎间盘损伤大鼠的疼痛行为 ,而毒素具有与在电压感应所需的Ⅱ域中“桨叶基序”结合可抑制Nav1.7激活的特性,因此针对这一区域的单克隆抗体SVmab1理论上是可以抑制Nav1.7的激活,通过类似ProTx‑Ⅱ和HwTx‑Ⅳ的方式抑制Nav1.7电流,稳定通道的闭合状态。与毒素不同,SVmab1的抑制作用在较高的激活频率下才会发生,它减少了背根神经节的钠电流以及行动电位的产生,特异性更强。在临床前模型中,这种抗体可以抑制炎症和神经元结构改变所致的病理性疼痛以及瘙痒,但重组单克隆抗体SVmab1并不阻断Nav1.7电流 。


 

6 小 结

     

VGSCs是神经细胞不可或缺的离子通道,其中Nav1.7在疼痛信号的传递中起着至关重要的作用。目前临床应用的通过抑制心脏或神经元放电来治疗Nav1.7敏感型疼痛的药物缺乏选择特异性,因此疗效并不显著。通过对Nav1.7功能夺获和功能缺失突变个体的人类遗传学的研究表明,可以开发针对Nav1.7的靶向药物来治疗疼痛,从而降低全身用药的副作用。Nav1.7 α亚基中Ⅱ域的特殊回旋结构和Ⅳ域的电压感应区均已作为新型镇痛药物研发的重要靶点,针对Nav1.7的特异性药物(如单克隆抗体、肽类毒素和小分子物质等)的开发具有广泛临床应用前景。


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关键词:
钠离子,神经元,特异性,电压,疼痛,痛觉,毒素,药物

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