HCN通道调控痛觉相关神经元兴奋性突触传递的研究进展*

彭斯聪 张达颖 柳 涛

（南昌大学第一附属医院 1儿科；2 疼痛科，南昌330006）

超极化激活环核苷酸门控阳离子 (hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation, HCN)通道广泛表达于中枢和周围神经系统[1]，参与调控神经元的兴奋性和神经递质的释放，在慢性疼痛如机械超敏和触诱发痛的发生发展中具有关键的作用。谷氨酸介导的突触传递的长时程增强(long-term potentiation, LTP)可导致痛觉回路相关神经元对外周伤害性刺激的反应增强，产生中枢敏化，这是导致慢性疼痛的主要病理学基础[2]。因此，通过抑制谷氨酸能兴奋性突触传递从而缓解中枢敏化，有望成为慢性疼痛治疗的新方向[3]。目前研究发现，HCN通道在不同痛觉相关神经元上的亚细胞定位具有异质性，且其调控兴奋性突触传递的作用因神经元类型而异，并与多种蛋白质、离子通道或受体等相互协作，部分机制尚未完全阐明。因此，我们就当前国内外研究现状，首次总结了HCN通道在痛觉相关神经元的亚细胞定位情况，及其对兴奋性突触传递的调控作用和机制，旨在为慢性疼痛的基础研究提供参考。

1.HCN通道的基本特性及其与慢性疼痛的关系

HCN通道于1998年被Santoro和Ludwig等人首先报导[4,5]，属于环孔阳离子通道和环核苷酸门控通道超家族，由6个跨膜结构域(S1-6)组成，其中S4为电压感受区，S5和S6之间形成阳离子通道孔，此外还有一个位于胞内侧羧基端的环核苷酸结合区，可感受胞内环核苷酸浓度的变化，进而调控通道的开放[1]。因此，HCN通道是受电压和配体双重调控的。细胞膜超极化以及胞内cAMP、cGMP或cCMP均可激活HCN通道，产生内向Na+-K+混合阳离子电流，即超极化激活阳离子电流 (Hyperpolarization-activated Cation Current, Ih)。根据激活动力学的不同，HCN通道可分为四种同源亚型，分别为HCN1、HCN2、HCN3和HCN4，它们的激活时间依次减慢[1]。在环核苷酸门控方面，HCN通道对cAMP的敏感性较cGMP和cCMP高；HCN2和HCN4对cAMP敏感，而HCN1和HCN3则相对不敏感[1]。

2003年，Chaplan等人运用脊神经结扎(spinal nerve ligation, SNL)模型，首次发现了HCN通道可增加背根神经节(dorsal root ganglia, DRG)细胞的自发放电频率，产生触诱发痛，表明HCN通道与病理性疼痛密切相关[6]。随后，大量国内外研究证实，HCN通道在神经病理性痛、炎性痛和化疗药物诱发的周围神经病变(chemotherapy-induced peripheral neuropathy, CIPN)中，均扮演着重要角色，通过影响神经元的静息电位(resting membrane potential,RMP)、自发放电频率、神经冲动传导速率、递质释放和树突整合等多种机制调控疼痛的发生和维持（见表1～2）。动物行为学实验研究发现，HCN通道阻断剂ZD7288或抑制剂伊伐布雷定、西洛雷定以及利多卡因[7]等药物，对于神经病理性痛和炎性痛所致的机械痛敏、冷热觉痛敏、触诱发痛和自发性疼痛等，均具有明显的缓解作用[1]。

表1 HCN通道在神经病理性痛中的作用

表2 HCN通道在炎性痛和CIPN中的作用

2.HCN通道在痛觉相关神经元中的分布

疼痛上行传导通路由DRG、脊髓背角、脑干头端腹内侧髓质(rostral ventromedial medulla, RVM)、腹外侧导水管周围灰质(ventrolateral periaqueductal grey, vlPAG)和蓝斑核、丘脑腹后核、杏仁核以及大脑内侧前额叶皮质(medial prefrontal cortex, mPFC)和前扣带回皮质(anterior cingulate cortex, ACC)等部位的神经元和神经纤维组成[8]。此外，海马、内嗅皮层、小脑、中脑等脑区亦与痛觉调控相关[9～11]。其中，海马和内嗅皮层可通过增强疼痛相关的焦虑而使痛觉放大[9]，小脑的深部核团、蚓部和半球小叶通过与RVM、vlPAG和mPFC等脑区形成直接或间接的神经联系进而调控疼痛[10]，而中脑腹侧被盖区和黑质的多巴胺能神经元可通过D2受体的激活而产生镇痛作用[11]。HCN通道在上述痛觉相关区域内神经元的兴奋性轴突末梢、树突和胞体均有表达（见表3），这是其调控兴奋性突触传递的解剖学基础[8]。

免疫组织化学染色和免疫金法等实验证实，HCN通道表达于痛觉相关神经元的轴突末梢，但亚型分布不同。小直径的DRG神经元，即C类初级感觉神经元，是传导外周痛觉信号的初级传入神经元，其轴突末梢主要表达HCN2亚型[12]。痛觉传导通路的初级中枢——脊髓背角II层，即胶状质区(substantia gelatinosa, SG)，其兴奋性轴突末梢表达HCN1、HCN2和HCN4，其中以HCN4为主[13]。此外，在其它痛觉相关神经元，如ACC神经元轴突末梢主要表达HCN2[14]，而海马颗粒细胞[15]和内嗅皮层神经元[16]的轴突末梢主要表达HCN1。然而，目前对于HCN3亚型的研究较少，尚无其在神经元轴突末梢表达的报道。HCN通道在痛觉相关神经元的树突也有分布，这是其调控树突整合和突触可塑性的前提条件。例如，在ACC和丘脑神经元中，HCN1、HCN2和HCN4在树突均有表达[14]。此外，免疫组织化学染色和电生理实验证实，HCN通道在上述多种痛觉相关神经元的胞体亦有不同的表达。例如，在DRG神经元中，表达于C类神经元胞体的仅为HCN2[17]，而在Aδ类神经元胞体则表达HCN1-3[18]，但在SG神经元的胞体，HCN1-4均有表达[13]。以上研究结果表明，HCN通道在不同神经元中的表达水平和亚细胞定位存在差异，提示其调控兴奋性突触传递的作用也可能不同。

表3 HCN通道在痛觉相关神经元的亚细胞定位

3.HCN通道对痛觉相关神经元兴奋性突触传递的调控作用

现有研究表明，HCN通道对神经元兴奋性突触传递的调控作用是双向的，存在增强和抑制两种效应。增强效应主要见于SG神经元[3]和vlPAG神经元[19]等，HCN通道激活或表达上调后表现为谷氨酸能兴奋性突触传递的增强。例如，在部分坐骨神经结扎(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神经元的兴奋性突触后电流(excitatory postsynaptic currents, EPSCs)，而ZD7288阻断Ih后可减少EPSCs，且腹腔或鞘内注射ZD7288均产生明显的镇痛作用[3]。此外，在SD大鼠的坐骨神经慢性压迫性损伤(chronic constriction injury, CCI)模型中，vlPAG神经元的HCN1和HCN2表达上调，导致其自发性(spontaneous) EPSCs频率增加，且该作用可被ZD7288阻断[19]。相反，减弱效应见于mPFC[20]、丘脑底核[21]、内嗅皮层[16]、中脑黑质多巴胺能神经元[22]、新皮质椎体神经元[14,23]以及杏仁核快速放电中间神经元[24]等部位，阻断HCN通道后谷氨酸能突触传递是增强的。例如，Cordeiro等运用Long-Evans大鼠的SNL模型，发现在mPFC的 II/III层锥体神经元中，抑制Ih的激活导致微小(miniature) EPSCs的频率的增加[20]。

在神经环路中，兴奋性和抑制性神经元的突触传递活动是相互影响的，共同维系局部的兴奋-抑制平衡。因此，HCN通道对神经元兴奋性突触传递调控的差异，可能与神经元类型和神经环路的功能不同有关。此外，这种调控效果还可因动物种属和模型制备方法的不同而异。

4.HCN通道调控兴奋性突触传递的分子机制

HCN通道具有电压感受区和环核苷酸结合区两个调控位点，膜电位超极化和胞内环核苷酸浓度升高均可激活HCN通道。其中，膜电位变化可影响多种离子通道的电化学驱动力和激活及失活；而环核苷酸通过与其下游的多种信号调节通路偶联，进而调控神经元的功能。以上特性使HCN通道调控兴奋性突触传递的分子机制具有多样性，根据作用靶点不同可进一步分为突触前结构（轴突末梢）和突触后结构（如树突或神经元胞体）两大类。

突触前末梢的调控机制主要有：调控胞内Ca2+或Na+离子浓度[14,25]、膜电位[25]及多种胞内信号通路（如Ca2+/AC1-cAMP-PKA信号通路[14,25]和NOGC1-cGMP信号通路[26,27]）。例如，Koga等发现，ACC神经元的LTP与腓总神经结扎的慢性痛行为有关，ZD7288可抑制ACC神经元的LTP，而ACC内注射ZD7288可产生明显的抗焦虑和镇痛效果，且此效果依赖腺苷酸环化酶1 (AC1)和蛋白激酶A(PKA)的激活[14]。而Wang等在感觉皮层神经元（II/III层）的研究中发现，抑制胞内的鸟苷酸环化酶(NO-GC1)可降低胞内cGMP水平，进而抑制Ih的激活，最终减少突触前末梢释放谷氨酸[27]。

在突触后结构中，HCN通道调控树突整合和EPSPs的机制主要有：增强离子型谷氨酸受体（NMDA受体[23]和AMPA受体[23,26]）介导的电流、上调胞内Ca2+浓度[23,28]以及激活多种胞内信号通路（如PLC-PKC信号通路[29]、TNFα-TNFR1-p38信号通路[30]和JNK-NO-cGMP信号通路[31]）。例如，在多种疼痛模型中观察到DRG和脊髓背角的p38 MAPK信号通路激活，而致痛因子TNFα可通过激活SG神经元胞内的TNFα-TNFR1-p38 MAPK信号通路抑制Ih，增加SG神经元的sEPSCs从而产生致痛效应[30]。在新皮质锥体神经元中，ZD7288阻断Ih后可通过改变远端树突簇的Ca2+信号，增加顶树突簇的兴奋性传入，从而显著增加AMPA和NMDA受体介导的EPSP幅度[23]。

此外，HCN通道在调控兴奋性突触传递的过程中，还可与其他蛋白质、离子通道或受体协同作用，参与非痛觉相关的生理功能，例如运动功能、听觉、认知、学习和记忆等。目前研究发现，可与HCN通道共同调控兴奋性突触传递的分子包括细胞骨架蛋白[32]、质子泵[32,33]、K通道[23,34～36]、钙通道[16,21,37]、α2去甲肾上腺素能受体[29]以及大麻素受体[31]等。例如，在PFC锥体神经元中，阻断Kir2和Kleak通道后使膜电位去极化，引起Ih去活而增强EPSP[34]。然而，在痛觉调控中是否存在上述机制还有待进一步的研究。以上研究结果表明，HCN通道调控神经元兴奋性突触传递的机制因神经元类型而异，且具体的分子机制较为复杂，有待将来进一步研究。

5.现状和展望

综上可知，HCN通道在神经元轴突、树突和胞体均有分布，但表达的亚型不尽相同；其对神经元兴奋性突触传递存在双向调控，而具体作用和机制因神经元类型而异，同时还受到动物种属、疾病模型制备方法、神经环路的特点以及兴奋-抑制平衡等因素的影响。尽管如此，HCN通道抑制剂被认为可有效减少痛觉相关神经元的兴奋性突触传递，抑制中枢敏化的形成，从而缓解异常痛觉的产生，因此为慢性疼痛的研究和治疗提供了新的思路。

虽然HCN通道目前被认为是治疗神经病理性痛和炎性痛的新靶点之一[8]，但目前研究仍存在不足之处：①动物和人类作为有机的整体，在慢性疼痛的发生发展过程中存在诸多代偿机制，而目前在体的动物研究及临床研究均较少，限制了其应用。②HCN通道的4种亚型的蛋白序列存在高度同源性(80～90%)，目前尚无特异性的HCN通道亚型阻断剂，在一定程度上限制了相关研究的进行[1]。③由于HCN通道在心脏、中枢和外周神经系统分布广泛且具有异质性，对多种生理功能（例如心脏起搏和心率、神经节律、学习和记忆、视觉、痛觉等）均有重要的调控作用[1]，相关药物的副作用尚未明确，因此，对HCN通道调节剂治疗慢性疼痛的研究任重而道远。