河豚毒素對敏感性鈉離子通道的作用及其與疼痛的關系

鄧興朝，陳歡，陳靜，黃連生

（深圳瑞達生物股份有限公司，廣東深圳 518102）

慢性疼痛已成為全球范圍內的主要健康問題，全球有20%的成年人正遭受著慢性疼痛，每年新被確診的慢性疼痛病人約占全球的10%。疼痛主要是癌癥、類風濕性關節炎、手術、損傷以及骨髓等問題造成的，為了更好地治療這些用常規的藥物無法緩解的疼痛，迫切需要開發新的鎮痛藥。河豚毒素（Tetrodotoxin，TTX）是一種神經毒素，作用于特定的鈉離子通道（VGSCs）亞型。VGSCs在疼痛中起著關鍵作用，其中TTX敏感亞型近年來備受關注，因為這些亞型與正常和病理性疼痛密切相關。由于TTX以高度選擇性的方式阻斷了VGSCs這個超蛋白家族，在緩解疼痛方面有潛在的作用。本文將對TTX是如何對鈉離子通道進行作用及在疼痛中有關鍵作用的鈉離子通道亞型進行敘述。

1 疼痛的產生與傳導

組織損傷或潛在的損傷，導致組胺、激肽類、5-羥色胺、前列腺素E等致痛物質的釋放，從而激活傷害性感受器及其連屬的結構，在經過傳導纖維傳導痛信息并產生動作電位，經過背根神經元傳到脊髓，并在此處經過整合后傳導丘腦和大腦皮層引起疼痛的感覺。

傷害性感受器為外周游離的神經末梢，廣泛分布于機體的各部位，直接接受傷害性刺激或者間接為致痛物質所激活。這些傷害性感受器的胞體位于脊髓背根神經節（DRG）上[1]。背根神經節位于脊神經后根，椎間孔骨性結構之內，也稱脊神經節或感覺神經節，是機體內、外環境與脊髓聯結的紐帶，它發出的單個軸突會分成兩支：一支是周圍神經軸突，用來接受感覺信息；另一支是中樞軸突，用來將外周傳入的感覺信息送至脊髓背角，完成初級感覺信息的傳遞[2]。脊髓背角是外周神經傳入以及腦干和大腦皮質下行投射神經的匯聚處，不僅可以接受和傳遞傷害性信息，還可以對傷害性信息進行加工處理，是疼痛傳遞的第二級中轉站，是感覺信息加工轉換的重要節點。大腦皮層是疼痛感覺的最高級中樞，它可以接受傳入的各種疼痛感覺信息并對其進行加工和處理，最終上升到意識。

近年來，一些與疼痛有關作用機制也逐漸被研究，特別是DRG的痛覺機制，在神經病理性疼痛的發生機制中具有關鍵的作用，其不僅與多種受體有關，更與離子通道關系密切，因此認識離子通道，對于闡明神經性疼痛的機制有重要意義[3]，同時也為開發新型的鎮痛藥提供了重要的理論基礎。

2 河豚毒素的藥理作用及可能的鎮痛機制

2.1 河豚毒素的結構和理化性質

河豚毒素純品在1955年由日本的平田義正教授從河豚魚中成功分離出來[4]，并于1972年成功合成人工河豚毒素，分子式為C11H17N3O8，分子量為319.27，其結構特征是含有1個碳環、1個胍基、6個羥基，在C-5和C-10位有一個與半醛糖內酯連接的分開的環，為氨基全氫喹唑啉型化合物[5]，被一些學者稱為“自然界最奇特的分子之一”。河豚毒素也是自然界發現的毒性較高的物質之一，1 g河豚毒素的毒性是等量氰化物的1萬倍，砒霜的1 250倍。河豚毒素的粗制品為棕黃色粉末，純品為無色晶體，無臭無味，不溶于乙醇、乙醚、苯等有機溶劑，微溶于水，易溶于稀酸溶液。理化性質穩定，在中性和酸性條件下對熱穩定，240 ℃開始碳化，但300 ℃以上也不分解。

2.2 河豚毒素作用機制

河豚毒素是典型的鈉離子阻斷劑，可高選擇性和高親和性地阻斷神經興奮膜上鈉離子通道。TTX能夠與電壓門控鈉通道結合是由于胍基在生理pH下可以發生質子化從而帶正電荷，與鈉離子通道側鏈上帶負電的羰基相互結合，從而阻止鈉離子進入通道[6]。鈉離子受體至少有6個特異性靶分子結合位點，TTX是與鈉離子通道受體部位Ⅰ結合。TTX受體位于可興奮細胞膜外側、鈉通道外口附近，TTX與受體部位結合，阻礙鈉離子接近通道外口。研究表明，TTX特異性作用于鈉離子通道，對鉀、鈣離子通道和神經肌肉的突觸及膽堿酯酶無直接影響，因此被作為確定鈉離子通道的首選化學標記物，是研究鈉通道的重要工具藥[7]。此外，毒素能通過血腦屏障進入中樞，對中樞產生明顯的抑制作用。單通道記錄結果顯示，鈉離子通道被河豚毒素阻斷是以一種全或無的方式，毒素和通道的比例關系是1∶1，即一個分子毒素堵塞一個鈉通道，并且其結合是可逆的，并與Na+、K+、Mg2+、Ca2+等帶正電荷的離子競爭受體[8]。根據電壓門控鈉離子通道對河豚毒素（TTX）的敏感性，將其分為TTX敏感型（TTX-s）和TTX耐受型（TTX-r），分別介導著激活閾較低失活較快的快鈉電流和激活電壓高失活較慢的慢鈉電流。越來越多的研究表明，河豚毒素對鈉通道的影響可能是其鎮痛的機制[9]。而在VGSC家族中僅有6個TTX-s鈉離子通道成員（Nav 1.1～1.4，1.6，1.7）可以被TTX阻斷，其他的鈉離子通道亞型是TTX-r鈉離子通道，不能被TTX阻斷。

3 電壓門控TTX敏感型鈉離子通道及其在疼痛中的作用

3.1 電壓門控鈉離子通道結構和功能

VGSCs是允許鈉離子快速流入的一種復雜的跨膜蛋白，也是離子通道超蛋白家族的成員之一，可興奮細胞中動作電位的去極化上升也以此為基礎，在神經元和非神經元功能中發揮著重要作用。目前已有10種鈉離子亞型從哺乳動物體內被克隆出來，由于前9種亞型的氨基酸序列相似度很大，Nav1.1、Nav1.2和Nav1.3通道的同源性更是高達90%，因此被認為來自同一家族，即Nav1（Nav1.1～Nav1.9）家族。第10個鈉離子通道的結構（即NaⅩ）與Nav1家族中的所有通道明顯不同[10]，被認為是一種不編碼VGSCs的相關蛋白。而Nav1家族中α-亞基是由4個同源結構域組成，分別稱作DⅠ～DⅣ，電壓門控鈉離子通道的Ⅰ～Ⅲ三個結構域負責通道的打開，Ⅳ則啟動失活。每個同源結構域含有6個跨膜α螺旋構成，分別稱作S1～S6，其中S1～S4組成電壓感受結構域，而且S4上含有豐富的堿性氨基酸殘基，與電壓感受功能相關，S5-S6之間有P連接，形成選擇性過濾器，與通道的離子選擇性有關[11]。

3.2 TTX敏感型鈉離子通道和疼痛的關系

在Nav1家族中，許多α-亞基都有特定的發育、組織或細胞分布。Nav1.4幾乎只在骨骼肌中表達[12]，使其不太可能參與疼痛狀態。Nav1.1、Nav1.2和Nav1.6可能在成人中樞神經系統（CNS）神經元中表達。盡管Nav1.2是主要的CNS亞型之一，在成人背根神經節（DRG）的神經元中也可檢測到，但在大多數情況下，這些細胞的表達量都很低[13]。Nav1.1、Nav1.6和Nav1.7在成人DRG的感覺神經元上可以表達。Nav1.3主要在不成熟的神經元中表達，通常在成人神經元中含量很低[14]。然而，在一定條件下，成人神經元上Nav1.3的表達上調，這可能在疼痛感覺中發揮作用[15]。在本綜述中，我們主要關注TTX能阻斷的、在疼痛中發揮作用的幾種敏感型鈉離子通道。

3.2.1 Nav1.1

Nav1.1在外周神經系統和中樞神經系統廣泛表達。編碼Nav1.1 mRNA在大的直徑感覺神經元中表達量最高，中直徑神經元中表達量中等，小直徑神經元中表達量低[16]。因而Nav1.1可能主要參與本體感受性傳遞。值得注意的是，DRG神經元中大約有11%的Nav1.1 mRNA對IB4（一種小的非肽能的傷害感受神經元標記物）呈陽性，這表明這些小直徑DRG神經元中的Nav1.1可能參與傷害感受的傳導和調節。同樣，神經系統中編碼Nav1.1的SCN1A基因突變與人類遺傳性癲癇綜合征和家族性偏癱偏頭痛有關，這提示著Nav1.1可能參與了偏頭痛的發生[17]。在第五脊髓神經結扎（SNL）和坐骨神經軸切開術后，導致受損DRG中的Nav1.1蛋白的表達在一段時間內顯著增加[18]，這說明DRG中的Nav1.1可能參與了神經性疼痛的誘導。在SNL和軸突切斷術模型中，Nav1.1表達增加的時間不同，提示Nav1.1蛋白的早期增加可能參與了神經損傷引起的疼痛超敏反應[19]。而既往的實時熒光定量PCR實驗的研究則表明，在SNL損傷后的DRG中Nav1.1 mRNA表達水平反而下降[20]。

3.2.2 Nav1.2

Nav1.2是中樞神經系統中主要的電壓門控鈉離子通道主要亞型之一，它定位于樹突，無髓鞘的軸突和前髓鞘的軸突上[21]。雖然在早期發育階段，Nav1.2 mRNA表達水平是中等的，但在成人DRG中，其表達水平而非常低。Nav1.2 mRNA表達水平在大鼠神經損傷后，腹后外側核的神經細胞中并未改變[22]。在背根神經元炎癥性疼痛的模型中，Nav1.2的表達水平并未變化，在周圍神經損傷后其表達水平并未受影響和下降，在疼痛的人神經瘤中沒有觀察到其表達的變化。此外，對外周神經系統的研究普遍報道在這一水平下Nav1.2的信號很低。這種亞型似乎與疼痛無關。然而，Nav1.2最近被確認為是介導椎板Ⅰ/Ⅱ脊髓神經元的動作電位放電的電壓門控鈉離子通道的主要亞型[23]。

3.2.3 Nav1.3

Nav1.3在發育中的中樞神經系統中廣泛表達，但在成人的中樞神經系統和外周神經系統中通常缺失或低水平表達，僅少量存在于交感神經元中[24]。Nav1.3通道具有快速激活和失活的動力學機制，能夠在失活后快速恢復。有研究表明，當外周神經損傷后，背根神經元中的Nav1.3的表達水平會上調，在神經橫切和炎癥后其表達也會反復增加[24]。在脊髓損傷后，Nav1.3在多種感受傷害性脊髓背角神經元中的表達水平均上升，這種上升與可能與這些感受傷害性神經元的興奮性和疼痛有關。Nav1.3的反義敲除可減弱脊髓損傷動物的脊髓背角神經元生物興奮性和疼痛行為[25]。因此，Nav1.3的再表達可能在增加神經元興奮性方面起著重要作用，從而導致神經性疼痛、心房顫動和脊髓損傷。然而Hains等[26]人發現鞘內Nav1.3反轉錄降低了脊髓角神經元的興奮性，減輕了與脊髓損傷和周圍神經慢性縮窄性損傷（CCI）相關的疼痛的行為。

3.2.4 Nav1.6

Nav1.6可以在多種不同類型的神經元中有表達，但主要外周和中樞神經系統神經元的節點上表達。Nav1.6與其他TTX敏感型的鈉離子通道相似，也具有快速激活和失活的特性，但該通道從失活中能夠恢復的速度大約是Nav1.7通道的5倍[27]，表明Nav1.6在神經元中的表達能夠維持更高的發射頻率。在培養DRG神經元中發現，重組的Nav1.6通道可以產生很高的復活電流，并且在大鼠眶下神經損傷模型中，在病灶近端Nav1.6通道的蛋白水平明顯升高，這暗示著在神經性疼痛的情況下，疼痛可能會被Nav1.6通道快速運輸到周圍終末，但這種增加是否參與了受損DRG神經元的異常自發活動性的產生還有待進一步研究。

3.2.5 Nav1.7

Nav1.7是SCN9A編碼的跨膜蛋白，具有緩慢開放和緩慢失活的特性。Cox等人[28]通過神經學檢查巴西斯坦北部的缺乏功能性Nav1.7通道幾個家庭，結果表明：這些人雖然從未經歷過疼痛，但是他們的聽力、視覺、智力、本體的感覺、觸覺等都被認為與正常人相同。Goldberg等人[29]對這些人的出汗、眼淚形成、血壓調節等方面也進行了測試，結果表明這些對疼痛不敏感的人在這三項上也是正常的。Goldberg在這些對疼痛不敏感的患者中也發現了Nav1.7截斷突變，證明了Nav1.7功能缺失會導致人群對疼痛不敏感。通過以上研究，發現了這些缺乏功能性Nav1.7通道的個體除了對疼痛完全不敏感外，其他方面表現出正常的狀態，因此以Nav1.7為靶點的藥物可能是理想的鎮痛藥。

4 結語

鑒于鈉離子通道在疼痛形成中具有重要的作用，理論上以它們為靶點治療疼痛時可以減少許多副作用的產生，因此該通道可能是開發新型鎮痛藥的理想靶點。而TTX對鈉離子通道的亞型具有選擇性、高親和力，它們通過與鈉離子通道上的受體部位Ⅰ結合而調節鈉離子通道的功能，并且該毒素和通道的比例關系是1∶1。因此，開發這種阻滯劑藥物代表了疼痛治療的新希望。