离子通道在周围神经再生中的作用

崔永晨，张俊峰

(上海交通大学附属第六人民医院麻醉科，上海 200233)

周围神经再生是指周围神经损伤后变性轴突和髓鞘被清除，再生微环境建立，受损神经突起的再生长与神经纤维结构完整性和功能的重建，实现靶器官神经重支配的过程。近年来，显微外科技术的精准化、组织工程学的创新、周围神经局部解剖的进步以及对神经损伤的病理生理学和分子基础的更好理解，使转化神经生理学领域发生了决定性的飞跃，但临床实践中尚未有广泛应用的周围神经再生药物辅助疗法[1-3]。因此，研究和开发有效加速轴突再生的新治疗方法或其他领域药物的新尝试十分必要。脊髓背根神经节(dorsal root ganglion，DRG)是躯体初级感觉传入的细胞体聚集处，负责接收来自躯体感受器的神经冲动，当兴奋到达时，细胞膜上的离子通道是神经元动作电位产生和传导的基础[4]。周围神经损伤后，DRG上离子通道电流以及基因的表达随时间发生了显著变化，这种伤害感受性离子通道的变化与损伤早期神经病理性疼痛的发生密切相关[5]，且在修复后期对神经再生起至关重要的作用。现就近年来关于离子通道在周围神经损伤后的差异变化及其潜在作用予以综述，以探究离子通道在周围神经再生过程中的作用。

1 钙离子通道与周围神经再生

1.1钙离子通道分类 电压门控钙离子通道(voltage-gated calcium channel，Cav)作为转运钙离子的蛋白质载体，是神经元产生可传导电信号的结构基础，在神经系统的病理生理过程中发挥关键作用[6]。根据电压依赖性Cav可分为两大类：高电压激活Cav和低电压激活Cav，根据药理学特点其又可分为Cav1(Cav1.1～1.4，统称L型)、Cav2(Cav2.1-P/Q型，Cav2.2-N型，Cav2.3-R型)、Cav3(Cav3.1～3.3，统称T型)，其中Cav1和Cav2属于高电压激活Cav，Cav3属于低电压激活Cav。

1.2钙离子通道与周围神经损伤 周围神经损伤后，各型钙电流的幅度以及Cav的表达在DRG上发生了显著变化。有研究表明，周围神经损伤后血小板反应蛋白-4水平的升高可能通过靶向钙离子通道蛋白α2δ1亚单位降低DRG神经元的高电压和升高低电压激活钙电流，从而导致感觉神经元兴奋性的提高[7]。除了钙电流的变化外，损伤后各型Cav的基因表达也具有显著差异，并显示出与电流变化相似的改变。有研究采用逆转录聚合酶链反应监测大鼠慢性缩窄损伤及轴切开术后DRG中Cavα1亚基基因的表达情况发现，两种损伤均在7 d后出现不同程度的α1C(Cav1.2)、α1D(Cav1.3)亚单位基因下调[8]。同时有研究发现，周围神经损伤特异性上调小鼠DRG中的Gem，进而下调P/Q型钙离子通道[9]。N型钙离子通道也发生了类似情况，研究表明周围神经损伤后通过白细胞介素(interleukin，IL)-10下调DRG神经元上的Cav2.2，而IL-1β过量能上调Cav2.2，进而增加未损伤神经元的兴奋性[10]。对于低电压激活Cav，以往研究表明DRG神经元中表达的T型钙离子通道主要为Cav3.2[11]；另有研究显示，周围神经损伤后受损DRG的中等大小神经元Cav3.2蛋白表达增加，而未损伤DRG的Cav3.2蛋白表达没有明显变化[12]，这种变化可能与IL-6通过IL-6/可溶性IL-6受体复合物反式信号通路上调DRG神经元Cav3.2 T型钙离子通道的表达和功能有关[13]。上述钙离子通道在周围神经损伤后电活动以及基因表达中发生的规律性变化，与损伤早期疼痛的产生密切相关，但在后期可能有助于神经元再生的精确调节。

1.3钙离子通道与周围神经再生 周围神经损伤后各型Cav表达的显著差异为研究其与周围神经再生的相关性提供一个新的视角和有意义的参考。有学者在体外背根神经节神经元轴突切断术后20 min给予荧光二氢吡啶类拮抗剂观察L型钙离子通道并阻断钙离子流入，结果发现拮抗剂显著抑制轴突再生，且损伤后5 min给药对再生抑制最小，损伤后2 h或24 h给药不抑制再生，而在损伤前20 min加入L型钙离子通道激动剂发现损伤后24 h轴突再生长度增加[14]。这种严格时间依赖性的L型钙离子通道阻断或激动效应证明，通过激活L型钙离子通道以加强钙离子流入对于轴突切断术后再生必不可少[15]。P/Q型以及N型钙离子通道也出现了类似情况。研究发现，在缺乏Cav2.1α1亚单位的杂合零突变小鼠慢性缩窄损伤模型中，突变小鼠表现出与年龄相关的P/Q型钙离子通道早期缺失，以及与该型钙离子通道缺失相关的施万细胞增殖、坐骨神经髓鞘和轴突再形成障碍[16]。在脊髓肌肉萎缩小鼠模型中，学者发现运动神经元轴突生长的缺陷与由N型钙离子通道下调介导的自发钙离子瞬变频率降低有关[17]。此外，有研究发现T型钙离子通道抑制剂阿米洛利能够显著阻断有机磷复合物所诱导的细胞内钙水平和钙蛋白酶活性的升高、神经突起长度的缩短以及分化细胞数量、生长相关蛋白-43和突触蛋白水平的降低[18]。这种根据周围神经损伤后钙离子通道亚型变化差异的选择性干预疗法，对于周围神经再生机制的研究以及新治疗方法的开发均具有重要意义。

2 钾离子通道与周围神经再生

2.1钾离子通道分类 钾离子通道是通透特异性允许钾离子通过质膜的离子通道，广泛分布于机体各种细胞中，在调节细胞，尤其是神经细胞的膜电位和兴奋性中起至关重要的作用，其结构和功能状态的变化与神经系统疾病的发生与发展有密切关系[19]。目前，比较公认的是将钾离子通道分为四大类：电压门控型钾离子通道(voltage-gated potassium channel，Kv)(Kv1.x～12.x)、钙离子激活型钾离子通道(包括大电导激活型、中电导激活型、小电导激活型)、内向整流型钾离子通道(Kir1.x～7.x)以及双孔钾离子通道。

2.2钾离子通道与周围神经损伤 周围神经损伤后，DRG神经元中各类钾离子通道的表达也发生了明显改变。感觉神经元表达多种类型的Kv，主要包括Kv1、Kv2、Kv3、Kv4、Kv7和Kv9，表达模式取决于神经元亚型[20]。有研究显示，坐骨神经慢性缩窄损伤后DRG的Kvα基因表达下调，且这种基因表达差异与受损神经元的放电异常之间存在某种联系[21]。而在所有类型的Kv中，KCNA2基因表达的Kv1.2由于在大部分DRG神经元中呈阳性以及其与神经病理性疼痛的密切关系[22]，更受研究者的青睐。研究表明，周围神经损伤后DRG神经元中的Kv1.2表达下调，并导致总Kv电流降低[21-23]。这种表达下调可能与周围神经损伤增加髓样锌指蛋白1(一种转录因子)的表达，并损伤DRG与Kv1.2反义RNA(一种长链非编码RNA)基因启动子结合使该反义RNA上调，进而增加损伤神经元中DNA甲基转移酶3a的表达并诱导KCNA启动子区甲基化有关[23-25]。此外，其他各类型Kv也有报道：坐骨神经横断术后神经营养因子的分泌下调了DRG神经元Kv1.4、Kv4.2的表达[21]，而这种坐骨神经断裂损伤会诱导大鼠DRG神经元Kv2快速、强烈且持久的转录下调[26]。同时有研究发现，神经损伤后钙调神经磷酸酶调节因子1的上调是钙调神经磷酸酶引起DRG神经元中Kv3.4下调以及功能障碍的基础[27]；也有研究表明，周围神经损伤通过转录抑制因子神经元限制性沉默因子导致Kv4.3基因的表观遗传学沉默[28]，而阻遏因子1-沉默转录因子水平的升高是神经病理性损伤抑制KCNQ2基因表达下调Kv7.2的可能机制[29]，Kv9.1在轴切开术后也出现了强烈且快速的表达下调，但它本身不具备功能性通道的特性，一般与Kv2.1发挥作用相关[30]。钙离子激活型钾离子通道是动作电位后超极化的基础，因此也是神经元放电模式的重要决定因素。当神经损伤时，由于神经营养因子的调控，人DRG神经元的小电导钙离子激活型和中电导钙离子激活型钾离子通道表达有所下降，这与受损神经元复极化期动作电位时程延长所引起的电活动增加相一致[31]。在大鼠DRG神经元中，脊神经结扎后大电导激活型钾离子通道的表达在基因和蛋白水平上均减少[32]。内向整流型钾离子通道具有内向整流特性，在偏离钾离子平衡电位相同距离的电压下，负向偏离下通道的内向电流要大于正向偏离下的外向电流，因此内向整流型钾离子通道是维持静息电位和调节神经元兴奋性的关键因素。在与周围神经损伤有关的内向整流型钾离子通道中，报道主要集中于Kir2.x、Kir3.x以及Kir6.x。研究表明，周围神经损伤后Kir2.1通道的阻断通过增强甘氨酸能自发抑制性突触后电流，从而提高神经元兴奋性[33]。Kir3或称G蛋白门控内向整流钾离子通道(G protein gated inwardly rectifying K+channel，GIRK)，有研究发现，周围神经损伤后神经元GIRK1和GIRK2的下调导致GIRK功能降低以及神经元兴奋性的增加[34]。Kir6又称ATP敏感性钾离子通道，周围神经损伤后DRG中的ATP敏感性钾电流被抑制[35]，而这种抑制可能与钾通道磺酰脲受体1和Kir6.2共结合亚单位显著下调有关[36]。双孔钾离子通道的主要功能是通过支持背景钾电流来维持超极化静息膜电位，DRG神经元表达多种亚型双孔钾离子通道，其中TREK1(TWIK-related K+channel 1)是研究比较彻底的双孔钾离子通道，其在神经保护、麻醉、疼痛和抑郁的细胞机制中具有关键作用。研究表明，坐骨神经慢性缩窄损伤后，逆转录聚合酶链反应和蛋白印迹反应均显示DRG中TREK1表达显著增加，这种增加可能与miR-183-5P表达下调有关[37-38]。上述DRG神经元钾离子通道功能和结构的变化，可能揭示了一种抑制周围神经损伤后轴突过度兴奋并促进神经再生的保护机制。

2.3钾离子通道与周围神经再生 周围神经损伤早期由髓感觉神经元钾离子通道表达差异所引起的神经元兴奋性增加与神经病理性疼痛有关，但随着时间的推移发现其可能在髓鞘再形成和轴突再生过程中扮演重要角色。有研究者使用一种装载钾通道阻滞剂——4-氨基吡啶的纳米神经导管治疗坐骨神经缺损的大鼠，结果表明4-氨基吡啶的持续输送大大提高了神经再生速度，且4-氨基吡啶剂量依赖性地增加了人类施旺细胞神经生长因子、髓鞘蛋白0和脑源性神经营养因子的表达[39]。此外，4-氨基吡啶促进神经传导速度恢复、加速髓鞘再形成以及增加损伤后轴突面积的效用也在小鼠坐骨神经损伤模型中被证实[40-41]。钾通道阻滞剂的使用以及基因缺失的相关研究证明，Kv能调节神经节细胞生长锥介导的轴突延伸功能[42]，且Kv1在神经发育的早期阶段以及髓鞘再形成和再生过程中可能发挥重要作用[43]。有学者使用果蝇模型来研究神经元轴突及其神经肌肉接头突触的沃勒变性，结果表明Kir2.1活性增加(过表达)时神经挤压后远端神经残端的退化被大大延迟，反之则退化加速[44]。这种组织工程技术和钾离子通道阻滞剂的联合应用，解决了离子通道阻滞剂单独使用难以持续释放的问题，并保留了神经导管对受损神经组织进行形态、结构和功能的重建，以达到永久性替代的优越性，为神经损伤修复提供了一种多学科联合治疗策略。

3 钠离子通道与周围神经再生

3.1钠离子通道分类 电压门控钠离子通道(voltage-gated sodium channels，VGSCs)是心肌细胞、骨骼肌细胞和神经元等可兴奋细胞膜上广泛分布的一类微孔跨膜蛋白，是神经元产生兴奋性以及发挥正常电生理功能所需的主要离子通道[4]。它主要由α和β亚基组成，根据其α亚基可分为Nav1.1～1.9和Nax10种亚型。根据钠离子通道对神经毒素河豚毒敏感性的差异又可进一步分为两大类：河豚毒素敏感型(tetrodotoxin-sensitive，TTX-S)亚型，包括Nav1.1、Nav1.2、Nav1.3、Nav1.4、Nav1.6以及Nav1.7；河豚毒素不敏感型(tetrodotoxin-resistant，TTX-R)亚型，包括Nav1.5、Nav1.8以及Nav1.9。DRG作为感觉传入的初级神经元，表达多种VGSCs，主要有Nav1.1、Nav1.2、Nav1.3、Nav1.6、Nav1.7、Nav1.8以及Nav1.9。

3.2钠离子通道与周围神经损伤 周围神经损伤导致的DRG神经元过度兴奋，在某种程度上与钠电流以及钠通道表达变化相关。有研究发现，轴切开术后10 d，DRG神经元TTX-R钠电流下降，TTX-S钠电流升高，但兴奋性不变[45]。轴切开术后4周，神经元变得过度兴奋，TTX-R钠电流仍降低，但TTX-S钠电流却恢复到正常水平[45]。钠通道表达也发生了类似变化，DRG神经元VGSCsα亚基的基因表达及免疫组织化学结果显示：坐骨神经损伤后1周左右Nav1.3的表达显著上调，Nav1.8和Nav1.9表达下调，变化持续一段时间后恢复至正常水平[46-47]。这种受损DRG神经元中VGSCs表达从TTX-R向TTX-S表型的转换与神经损伤后早期的病理性疼痛行为平行发生，但在后期似乎与感觉神经退化和再生过程更相关。

3.3钠离子通道与周围神经再生 钠电流及钠通道在神经损伤后发生的时间依赖性变化，表明神经再生可能与电导改变导致的轴突兴奋性变化和钠通道表达存在某种联系。有研究表明，DRG VGSCs基因的早期恢复先于受损无髓神经纤维的功能恢复，且与轴突再生相关[48]。体外实验发现，Nav1.7的功能增益突变与轴突退化和再生能力降低有关，使用钠通道阻滞剂卡马西平和反向钠钙交换阻滞剂可以改善这一情况[49]。体内实验却发现，Nav1.9-/-小鼠的神经元轴突长度急剧缩短[17]，且细胞实验也证实了这一现象[50]，这表明Nav1.9功能是轴突生长所必需。然而，其他钠离子通道在周围神经再生中的作用有待进一步探索。

4 小 结

周围神经损伤后，感觉神经元上钙离子通道、钾离子通道以及钠离子通道各亚型电流以及基因表达随时间改变显著。目前，研究者多将这种变化与神经病理性疼痛联系起来，仅有少量研究证实调控离子通道生物学功能以及基因表达水平有助于周围神经再生[20,51-52]。因此，未来研究者应当将眼光聚焦于离子通道与周围神经再生这一领域，挖掘离子通道影响神经再生的潜在机制，探讨神经再生过程中各种选择性离子通道阻滞剂或激动剂、 神经毒素以及局部麻醉药等非选择性阻滞剂或激动剂甚至是基因干预治疗方案的可行性，从而为促进周围神经再生提供新靶点。