Kv7（KCNQ）鉀離子通道對中樞單胺能神經傳遞的調控

趙 晨，張海林

（河北醫科大學藥理學教研室，河北石家莊 050017）

Kv7通道為電壓門控鉀離子通道，該通道在閾電位附近激活，呈現慢激活、非失活、慢去活及電壓依賴性特征，是神經系統M電流的分子基礎。Kv7鉀通道由5種KCNQ基因編碼，通過單體或多聚體形式表達產生電流［1］。除Kv7.1外，Kv7.2-Kv7.5均表達于中樞神經系統內，以 Kv7.2、Kv7.3、Kv7.5亞型分布最為廣泛，幾乎遍布整個腦區［2］，Kv7.4亞型分布較少，僅表達于腦干的離散核內［3］。Kv7.2亞型可單獨表達形成Kv7通道，但與Kv7.3以四聚體形式共表達產生M電流具有更為重要的通道功能和生理意義。Kv7.3和Kv7.5共表達形成的通道也是M電流的分子基礎［4］。Kv7.4亞型也可單獨表達，形成 Kv7通道，與 Kv7.3以異源多聚體形式共表達可產生比Kv7.4單體更大的電流，但Kv7.4不能與Kv7.2共表達形成通道［3］。

Kv7通道激活緩慢，對動作電位的去極化過程貢獻不大，其主要作用在于能夠強烈抑制神經元重復、持續放電，減少放電頻率，降低神經元興奮性［5］。Kv7通道開放劑可以治療因神經元過度興奮所引起的癲癇發作、焦慮、疼痛及偏頭痛等［6］。

Kv7通道對中樞神經系統中多種神經遞質具有調控作用，本文將針對Kv7通道對單胺類神經系統的調控進行總結與討論，這些發現很可能為治療單胺類神經系統過度興奮所致疾病（如多巴胺能神經元過度興奮所致精神分裂、藥物濫用，5-羥色胺能神經元過度興奮所致焦慮、抑郁癥以及去甲腎上腺素能神經元過度興奮所致焦慮、嗎啡戒斷反應等）提供新的治療思路和手段。

1 Kv7通道對多巴胺能神經系統的調節

多巴胺系統是大腦的“獎賞中心”，與獎勵行為、認知功能和歡愉情緒有密切的關系。體內研究顯示，多巴胺能神經元有兩種放電模式：單峰放電（tonic firing）和簇狀放電（burst firing）。單峰放電是由一種內在的起搏作用引起的，類似于心臟起搏點的作用；簇狀放電則主要依賴于外界刺激引起的興奮傳入，這種特殊的放電模式與呈遞獎勵刺激和調節目標行為相關。同時，簇狀放電能夠刺激軸突末梢和胞體樹突釋放更多的多巴胺神經遞質［7］。有趣的是，消除M電流使中腦多巴胺能神經元簇狀放電時間延長，但對單峰放電無影響［8］。

多巴胺能神經元主要分布于黑質（SNc）和腹側被蓋區（VTA）。多巴胺傳遞主要有3條通路：黑質-紋狀體通路、中腦-邊緣系統通路和中腦-皮質通路，后兩條通路均起源于VTA。相關研究顯示［9］，Kv7通道開放劑瑞替加濱（retigabine）對SNc和VTA多巴胺能神經元的興奮性具有明顯抑制作用。SNc和VTA多巴胺能神經元只有Kv7.2和Kv7.4通道表達，無Kv7.3和 Kv7.5通道表達［10］。用可逆性鉀離子通道阻斷劑四乙胺（對Kv7.2和Kv7.4有不同的敏感性）抑制VTA多巴胺能神經元的M電流，其IC50值介于Kv7.2和Kv7.4之間［11］，因為Kv7.2和Kv7.4不能共表達形成異源性通道［12］，故這些結果提示，此處的M通道可能包括同源性的Kv7.2和Kv7.4兩種類型。紋狀體內有Kv7.2和Kv7.3通道表達，無 Kv7.4通道表達［3］。Retigabine也能夠明顯抑制紋狀體多巴胺能神經元的興奮性，減少多巴胺的釋放［9］。

D2受體是一種多巴胺自身受體，研究發現，retigabine可以有效逆轉由多巴胺D2受體阻斷劑和精神興奮藥物（如可卡因、利他林）引起的紋狀體神經元興奮作用［13］。值得注意的是，在異源表達系統，興奮D2受體可激活共表達的Kv7通道，其中以D2受體對Kv7.4的激動作用最為明顯［14］。因此，上述D2受體阻斷劑的作用可能在于阻斷D2受體，進而抑制M通道，導致神經元興奮，同時神經元釋放的多巴胺又作用于D2自身受體，增強了M通道的功能。這一結果提示存在負反饋調節環路。由于SNc和VTA神經元有Kv7.4通道表達及突觸附近有多巴胺D2自身受體的表達，因此，此處釋放的多巴胺作用于D2自身受體，進而增強SNc和VTA神經元的Kv7.4通道功能，由此導致的神經元抑制可以抑制多巴胺的進一步釋放。

2 Kv7通道對5-羥色胺能神經系統的調節

5-羥色胺是腦內的另一種單胺類神經遞質，主要參與情緒調節、認知功能（學習和記憶）、食欲和睡眠。5-羥色胺通路均起源于中縫核，它是一類分布于腦干中線附近的細胞集群，大體可分為喙部（rostral group）、中部（intermediate group）和尾部（caudal group）3個細胞群。喙部主要包括中縫背核（DRN）和中部中縫核（MRN），由喙部神經元投射到廣泛的前腦區域，包括杏仁核、海馬、下丘腦以及幾乎全部皮質區域，負責控制認知、情緒、食物攝取、生理節律和繁殖，是5-羥色胺能系統調控情緒的主要區域。尾部主要投射到髓質、小腦和脊髓，負責控制軀體活動、疼痛感覺和自主神經系統［15］。

相關報道表明，DRN神經元過度興奮是緊張和焦慮的一個生理特征。長期處于壓力環境所引發的緊張、焦慮和恐懼情緒會導致5-羥色胺能神經元興奮性增加，DRN附近的5-羥色胺水平也增加［16］。因此，抑制 DRN神經元的興奮性，減少DRN投射通路的5-羥色胺能系統活動可能會產生相應的抗焦慮作用。

迄今為止，除Kv7.4通道外［3］，還未見其他Kv7通道表達于DRN內，因此，Kv7.4通道將成為一個有待探索的抗抑郁靶點。Hansen等［8］用免疫組化方法證實，Kv7.4通道 的確存在于DRN和MRN，且在兩區域內表達水平有所不同。DRN神經元主要包括5-羥色胺能神經元和非5-羥色胺能神經元（主要是GABA能神經元），值得注意的是，Kv7.4通道僅表達于5-羥色胺能神經元上，但并不是所有5-羥色胺能神經元都有Kv7.4通道表達［8］。

Retigabine可以明顯抑制 DRN神經元的興奮性［8］。Hansen等［10］在DRN腦片上記錄到retigabine對神經元放電頻率有強效的抑制作用，且效能和效價與在多巴胺能神經元上記錄到的結果基本一致。本實驗室也在急性分離的DRN腦片上得到證實，Retigabine能夠明顯增加5-羥色胺能神經元的 M電流（EC50≈0.64μmol·L-1），使細胞膜超極化，抑制神經元自發放電，此抑制作用可被M通道阻斷劑XE991所逆轉（待發表結果）。Retigabine對于DRN各區域的神經元具有普遍的抑制作用，正如免疫組化結果顯示：背側、腹側及腹外側均有Kv7.4通道表達［8］。由此可推斷，DRN區域5-羥色胺能神經元的Retigabine敏感的M電流都是由Kv7.4亞型所介導的。

采用逆行示蹤標記方法，將標記物注入大鼠海馬區，10 d后，在DRN區域有部分含Kv7.4通道的神經元被標記，這表明調節DRN神經元的Kv7.4通道可以直接影響海馬區5-羥色胺能系統的功能［8］。又因為由DRN發出的5-羥色胺投射通路（包括海馬）與抑郁直接相關［17］，故調節Kv7.4通道功能可能會改善相關的抑郁樣行為。

3 Kv7通道對去甲腎上腺素能神經系統的調節

去甲腎上腺素能神經元胞體主要聚集于腦干的藍斑核團和外側被蓋核。藍斑核內的去甲腎上腺素能神經元神經投射非常廣泛，幾乎遍布腦的各個部位，包括全部大腦皮層、丘腦、下丘腦、嗅球、小腦、中腦和脊髓，在腦內形成彌散連接。腦內去甲腎上腺素神經元的作用非常廣泛，幾乎參與全部腦功能的調節，如調節注意力、警覺、覺醒、意識、情緒、學習和記憶、焦慮與疼痛、神經內分泌等［18］。

有關藍斑核內去甲腎上腺素能神經元上的Kv7通道還未見報道，但相關研究表明，Retigabine能夠明顯抑制海馬和皮層神經元釋放去甲腎上腺素，且可以劑量依賴地抑制9 mmol·L-1K+引起的去甲腎上腺素釋放（EC50≈1μmol·L-1），此抑制作用可被M通道阻滯劑XE991所逆轉。同時，他們又通過免疫熒光手段證明Retigabine誘導的海馬釋放去甲腎上腺素減少是通過Kv7.2通道實現的［19］。

當藍斑核團興奮時，去甲腎上腺素在腦內的廣泛區域釋放，產生復雜的作用，也正是因為這種作用復雜性，迄今為止中樞去甲腎上腺素的生理作用尚不完全清楚，但一般認為，去甲腎上腺素能傳遞可以影響機體對特定的刺激產生情緒反應，如去甲腎上腺素能傳遞增強會產生焦慮和驚恐的情緒。由于去甲腎上腺素能神經元投射廣泛，且與多巴胺能和5-羥色胺能的投射區域均有重疊，我們期待Kv7通道開放劑對單胺類神經元過度興奮所致的精神方面的疾病具有普遍的治療作用。

4 Kv7通道開放劑與疾病

目前已發現的Kv7通道開放劑有30余種，其中研究最為深入和全面的是 retigabine，10μmol·L-1retigabine能夠使M通道的激活曲線向超極化方向移動14-43 mV。在海馬區，Retigabine可減少神經元動作電位的發放［5］。Retigabine在臨床前動物模型中表現出有效的抗驚厥和鎮痛作用，現已在臨床上用于癲癇部分發作的輔助治療。值得注意的是，Retigabine的抗癲癇作用主要是通過抑制海馬區Kv7通道功能及皮質谷氨酸能神經遞質作用實現的［20］。此外，還有一些Kv7通道開放劑也可以發揮類似的功能。例如：甲氯滅酸和雙氯芬酸能夠激活Kv7.2／Kv7.3通道，抑制自發和引發的皮層神經元興奮性，在最大電刺激癲癇模型中表現出抗癲癇作用［21］。美國 Icagen研發的 Kv7通道激活劑ICA27243對Kv7.2／Kv7.3通道選擇性高于Kv7.4和Kv7.3／Kv7.5通道，可有效改善最大電刺激癲癇模型的癲癇發作［22］。本實驗室自行研發的新型鉀通道開放劑QO-58開放Kv7.2／Kv7.3通道的 EC50為 0.21μmol·L-1，與 retigabine（EC501.89μmol·L-1）比較生物活性更強，且在戊四唑誘發的小鼠癲癇模型和電刺激引發的驚厥模型中，QO-58（＞25 mmol·L-1·kg-1）及其賴氨酸鹽 QO-58-lysine（QO-58L）均顯示出抗癲癇作用，同時能夠緩解由緩激肽誘導的炎性疼痛反應［23］。

在焦慮和抑郁模型中所涉及的Kv7特定亞型目前尚未見報道，但廣譜Kv7通道開放劑的抗焦慮作用已在嚙齒動物的可預知和不可預知刺激引起的焦慮模型中得到證實［24］。在XE991敏感的焦慮模型中，Retigabine在焦慮測試（零迷宮和埋珠實驗）中表現出劑量依賴的抗焦慮作用。同時，另一Kv7通道開放劑BMS204352的左旋異構體在相同的焦慮模型中也表現出相似的抗焦慮作用，但BMS204352的右旋異構體對Kv7通道具有抑制作用。此兩種化合物對動物的運動均無影響，因此可排除因運動減少產生的交互影響［24］。還有研究顯示，抑郁動物模型分為易感型和非易感型兩種，對兩種抑郁模型動物的基因表達譜進行對比，結果顯示在非易感型抑郁模型中，Kv7.3表達有所增加，而易感型抑郁模型中無此現象［25］，提示Kv7.3很可能成為抗抑郁的潛在有效靶點。

5 結論

單胺類神經元過度興奮會引發多種中樞神經系統疾病，諸多研究表明，Kv7通道在單胺類神經系統內有表達，其功能活性可以影響單胺類神經元的興奮性，同時對神經傳遞通路的投射區域神經元功能也有調節，這些事實為以Kv7通道作為靶點研究單胺類神經元相關疾病奠定了基礎。Kv7通道在神經系統疾病治療中的意義已經在臨床應用中得到證實，目前已開發出以retigabine等為基礎的Kv7通道開放劑，作為治療癲癇以及疼痛的藥物使用。雖然Kv7通道與其他神經系統疾病如焦慮和抑郁之間的關系研究較少，但最近有關在抑郁模型中，Kv7特異表達發生改變的發現為抑郁癥研究提供了新的方向［25］。目前，還沒有更多明確的研究顯示，究竟哪種Kv7通道亞型參與這些疾病的發生，但在Kv7通道開放劑對單胺類神經系統調節過程中，Kv7.4通道發揮了重要的作用，因此，Kv7.3和Kv7.4通道很可能成為今后開發治療神經元過度興奮藥物的有效靶點。

參考文獻：

［1］ Jentsch T J.Neuronal KCNQ potassium channels：physiology and role in disease［J］.Nat Rev Neurosci，2000，1（1）：21-30.

［2］ Schroeder B C，Kubisch C，Stein V，Jentsch T J.Moderate loss of function of cyclic-AMP-modulated KCNQ2／KCNQ3 K+channels causes epilepsy［J］.Nature，1998，396（6712）：687-90.

［3］ Kharkovets T，Hardelin J P，Safieddine S，et al.KCNQ4，a K+channelmutated in a form of dominant deafness，is expressed in the inner ear and the central auditory pathway［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2000，97（8）：4333-8.

［4］ Schroeder B C，Hechenberger M，Weinreich F，et al.KCNQ5，a novel potassium channel broadly expressed in brain，mediates M-type currents［J］.JBiol Chem，2000，275（31）：24089-95.

［5］ Marrion N V.Control of M-current［J］.Annu Rev Physiol，1997，59：483-504.

［6］ Gribkoff V K.The therapeutic potential of neuronal K V 7（KCNQ）channelmodulators：an update［J］.Expert Opin Ther Targets，2008，12（5）：565-81.

［7］ Grace A A，Bunney B S.The control of firing pattern in nigral dopamine neurons：burst firing［J］.JNeurosci，1984，4（11）：2877-90.

［8］ Hansen H H，Waroux O，Seutin V，et al.Kv7 channels：interaction with dopaminergic and serotonergic neurotransmission in the CNS［J］.JPhysiol，2008，586（7）：1823-32.

［9］ Martire M，D′Amico M，Panza E，et al.Involvement of KCNQ2 subunits in［3H］dopamine release triggered by depolarization and pre-synaptic muscarinic receptor activation from rat striatal synaptosomes［J］.JNeurochem，2007，102（1）：179-93.

［10］Hansen H H，Ebbesen C，Mathiesen C，et al.The KCNQ channel opener retigabine inhibits the activity ofmesencephalic dopaminergic systems of the rat［J］.JPharmacol Exp Ther，2006，318（3）：1006-19.

［11］Koyama S，Appel SB.Characterization ofM-current in ventral tegmental area dopamine neurons［J］.J Neurophysiol，2006，96（2）：535-43.

［12］Kubisch C，Schroeder B C，Friedrich T，et al.KCNQ4，a novel potassium channel expressed in sensory outer hair cells，ismutated in dominant deafness［J］.Cell，1999，96（3）：437-46.

［13］Mikkelsen JD.The KCNQ channel activator retigabine blocks haloperidol-induced c-Fos expression in the striatum of the rat［J］.Neurosci Lett，2004，362（3）：240-3.

［14］Ljungstrom T，Grunnet M，Jensen B S，et al.Functional coupling between heterologously expressed dopamine D（2）receptors and KCNQ channels［J］.Pflugers Arch，2003，446（6）：684-94.

［15］Lesch K P，Waider J.Serotonin in themodulation of neural plasticity and networks：implications for neurodevelopmental disorders［J］.Neuron，2012，76（1）：175-91.

［16］Amat J，Baratta M V，Paul E，etal.Medial prefrontal cortex determines how stressor controllability affects behavior and dorsal raphe nucleus［J］.Nat Neurosci，2005，8（3）：365-71.

［17］Araragi N，Lesch K P.Serotonin（5-HT）in the regulation of depression-related emotionality：insight from 5-HT transporter and tryptophan hydroxylase-2 knockoutmouse models［J］.Curr Drug Targets，2013，14（5）：549-70.

［18］Berridge CW，Waterhouse B D.The locus coeruleus-noradrenergic system：modulation of behavioral state and state-dependent cognitive processes［J］.Brain Res Brain Res Rev，2003，42（1）：33-84.

［19］Martire M，Castaldo P，D′Amico M，et al.M channels containing KCNQ2 subunitsmodulate norepinephrine，aspartate，and GABA release from hippocampal nerve terminals［J］.J Neurosci，2004，24（3）：592-7.

［20］Blackburn-Munro G，Dalby-Brown W，Mirza N R，et al.Retigabine：chemical synthesis to clinical application［J］.CNS Drug Rev，2005，11（1）：1-20.

［21］Peretz A，DeganiN，Nachman R，et al.Meclofenamic acid and diclofenac，novel templates of KCNQ2／Q3 potassium channel openers，depress cortical neuron activity and exhibit anticonvulsant properties［J］.Mol Pharmacol，2005，67（4）：1053-66.

［22］Padilla K，Wickenden A D，Gerlach A C，et al.The KCNQ2／3 selective channel opener ICA-27243 binds to a novel voltagek-sensor domain site［J］.Neurosci Lett，2009，465（2）：138-42.

［23］劉燦仿，祁金龍，張海林，賈慶忠.新型鉀通道開放劑（QO-58）在大鼠體內組織分布研究［J］.中國藥理學通報，2012，28（1）：66-9.

［23］Liu C F，Qin JL，Zhang H L，Jia Q Z.Study of tissue distribution on a new potassium channel opener（QO-58）in rats［J］.Chin Pharmacol Bull，2012，28（1）：66-9.

［24］Korsgaard M P，Hartz B P，Brown W D，et al.Anxiolytic effects of Maxipost（BMS-204352）and retigabine via activation of neuronal Kv7 channels［J］.JPharmacol Exp Ther，2005，314（1）：282-92.

［25］Krishnan V，Han M H，Graham D L，et al.Molecular adaptations underlying susceptibility and resistance to social defeat in brain reward regions［J］.Cell，2007，131（2）：391-404.