神经系统ATP敏感性钾离子通道相关研究进展＊

张登文，张传汉，王学仁△

1华中科技大学同济医学院附属同济医院麻醉科，武汉 430030

2广东省医学科学院，广东省人民医院麻醉科，广州 510080

神经系统ATP敏感性钾离子通道相关研究进展＊

张登文1，2，张传汉1，王学仁1△

1华中科技大学同济医学院附属同济医院麻醉科，武汉 430030

2广东省医学科学院，广东省人民医院麻醉科，广州 510080

ATP敏感性钾离子通道； 神经元； 脑； 脊髓

ATP敏感性钾离子通道（ATP－sensitive potassium channel，KATP通道）联系细胞代谢与细胞的电活动，KATP通道在神经细胞兴奋性调控、缺血损伤保护等生理、病理过程中发挥了重要作用［1］，现将神经系统KATP通道研究相关进展总结如下。

1 脑KATP通道

1.1 脑组织中KATP通道的表达

KATP通道的亚单位Kir6.1、Kir6.2、SUR1、SUR2在皮层、海马、下丘脑和神经基底节等不同功能脑区都有表达。哺乳动物中枢神经系统中的KATP表达具有多样性，神经元中KATP的亚基组成并不一致。在星形胶质细胞中KATP通道主要是由Kir6.1和SUR1组成，而小胶质细胞主要是Kir6.1和SUR2组成［23］。由于神经元的胞体、轴丘、轴突、突触前后膜都富含KATP通道，提示KATP通道在神经元功能中可能起着关键作用［34］。

1.2 KATP通道与脑缺血再灌注

1.2.1 神经元KATP通道 脑缺血过程中大量的兴奋性氨基酸（如谷氨酸）的释放可以导致神经元内Ca2＋浓度迅速增加，引起神经元死亡。阻止Ca2＋进入神经元内，则可减轻缺血再灌注损伤［5］。中枢神经系统中KATP通道参与了突触传递［6］。突触前膜KATP通道的激活导致终端膜超级化，抑制电压依赖性Ca2＋内流，减少兴奋性氨基酸和γ－氨基丁酸（γaminobutyric acid，GABA）等神经递质释放，从而防止其兴奋性毒性［6］。Kir6.2防止缺血缺氧后神经元去极化延长，以减轻神经元损伤。相反，Kir6.2敲除的小鼠短暂缺氧后即可导致缺血性神经元损伤［5］。

KATP通道参与神经保护作用:如雌激素可以通过上调大鼠大脑皮层组织KATP通道的表达来减少局灶性脑缺血大鼠的大脑梗死面积、改善其神经功能评分［7］。吸入麻醉药、缺血预处理及后处理、高压氧、H2S、阿片类药物、电针刺激等神经保护措施的作用机制均与KATP通道的激活有关［810］。KATP通道开放剂二氮嗪可使大脑中动脉栓塞小鼠的大脑梗死面积减少60%～70%，二氮嗪的神经保护效应可以被线粒体KATP通道阻滞剂5－羟基癸酸（5－hydroxydecanoate，5－HD）消除［11］。在全脑缺血中，二氮嗪预处理也具有类似的保护作用［5］。另一个新的选择线粒体KATP通道开放剂BMS－191095，也能提供延迟预处理对脑缺血的保护［12］。脑缺血再灌注过程中线粒体KATP通道的激活可能通过减轻线粒体Ca2＋超载，从而抑制线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）开放，减轻脑损伤［13］。这些研究表明，线粒体KATP通道具有神经保护作用，可能成为治疗中风的潜在靶点。

1.2.2 星形胶质细胞的KATP通道 二氮嗪或吡那地尔可以通过激活KATP通道来抑制细胞间的缝隙连接通讯功能，KATP通道还可以通过促进细胞膜去极化影响培养的星形胶质细胞间隙连接处Ca2＋的通透性，减轻缺血中心区细胞毒性物质向周围区的扩散［14］。KATP通道非选择性开放剂吡那地尔和选择性开放剂二氮嗪均可增加原代培养的星形胶质细胞对谷氨酸的摄取，而细胞膜KATP通道开放剂P1075却没有此种作用［4，15］。此外，吡那地尔和二氮嗪可以逆转1－甲基－4－苯基吡啶离子对星形胶质细胞谷氨酸摄取的抑制，而这种效应又可以被线粒体KATP通道阻滞剂5－HD所抵消［15］。这些研究提示缺血时星形胶质细胞线粒体KATP通道开放可以增加对谷氨酸的摄取，从而减少谷氨酸对神经元的损伤。

1.2.3 小胶质细胞的KATP通道 小胶质细胞是中枢神经系统中的免疫效应细胞，当受到创伤或病原体入侵时，小胶质细胞会迁移到损伤部位，并被激活。和其它组织中的巨噬细胞一样，小胶质细胞会释放炎性细胞因子，使细胞聚集在损伤部位，并引起炎症级联反应。在受到损伤刺激时如缺血、神经毒素等，小胶质细胞会释放神经毒素如肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor－α，TNF－α）、IL－1、NO、ROS、蛋白酶等［16］。这些前炎性因子和细胞毒性因子的累积，会损伤神经元并进一步激活小胶质细胞。小胶质细胞中存在KATP通道已经被证实，这些KATP通道对小胶质细胞的激活具有调控作用。缺血缺氧后小胶质细胞中KATP通道的表达会增加，在活化的小胶质细胞中检测到SUR1和SUR2的表达，而静止状态的小胶质细胞却没有检测到。KATP通道开放剂埃他卡林（IPT），可以减轻鱼藤酮诱导小胶质细胞的激活和下调TNF－α及环氧合酶－2（COX－2）的mRNA的表达［1718］，而且这一效应可被选择性线粒体KATP通道阻断剂5－HD所逆转［18］。此外，IPT预处理可防止鱼藤酮诱导的线粒体膜电位损失和小胶质细胞中的p38／c－jun的N－末端激酶（JNK）丝裂原活化蛋白激酶（mitogen－activated protein kinase，MAPK）激活［17］。缺血再灌注损伤的早期，KATP阻滞剂格列本脲可以促进小胶质细胞的激活，增强小胶质细胞的吞噬能力和TNF－α的释放，促进对细胞碎片、细胞毒性物质的清除，抑制中性粒细胞进一步释放细胞毒性物质，从而减轻神经损伤［19］。后期小胶质细胞持续激活，释放大量的炎症细胞毒性因子，激起炎症反应，则会加重神经元的损伤［20］。这说明，小胶质细胞在缺血再灌注损伤中具有双重作用，且存在一定的时间窗。在缺血再灌注的早期阶段，抑制KATP通道促进小胶质细胞激活，则可以减轻神经元的损伤［20］。

1.3 KATP与其他神经系统疾病

中脑黑质（substantia nigra，SN）多巴胺能神经元KATP通道由Kir6.2和SUR1组成［21］。帕金森病（PD）模型中，黑质（SN）多巴胺能神经元KATP通道表达增加［21］。在正常生理状态下，KATP通道大部分呈关闭状态，中脑黑质（SN）多巴胺能神经元自发释放动作电位；而在PD神经元变性过程中，神经元常处于代谢抑制，ATP减少可以激活KATP通道，多巴胺能神经元超级化，失去其正常的电活动［22］。而增加神经元的兴奋性则可以保护多巴胺能神经元退行性变［23］。抑制KATP通道后，可以减轻PD的症状。进一步的研究发现，美金胺和四氢小檗碱增加黑质多巴胺能神经元放电、抗PD作用与抑制KATP通道有关［23］。因此KATP通道的激活可能在促进PD的发生中起作用，但其具体机制还需要深入的研究。

神经元异常放电可引起癫痫，基底节黑质网状机构（SNr）为癫痫播散的中枢门控系统。SNr区神经元KATP通道表达丰富，KATP通道的开放引起的K＋外流、细胞超极化从而降低神经元的兴奋性，因此激活KATP通道具有抗癫痫的作用。敲除Kir6.2或SUR1基因的小鼠容易诱发癫痫，而过表达这些基因后小鼠则表现出明显的耐受［24］。

2 脊髓KATP通道

2.1 脊髓KATP通道的表达

脊髓神经元中KATP通道主要由Kir6.2和SUR1组成，而Kir6.1和SUR1构成了星形胶质细胞中KATP通道，在小胶质细胞则由Kir6.1和SUR2组成。

2.2 脊髓KATP通道和疼痛

脊髓背角神经元的兴奋性增高是疼痛发生的重要机制。而离子通道对维持神经元的兴奋性及功能活动发挥着重要的作用。目前已发现多种离子通道和疼痛有关，如:辣椒素受体（transient receptor potential vanilloid receptor 1，TRPV1）、N－甲基－D－天冬氨酸（N－Methyl－D－Aspartate，NMDA）受体、P2X受体、钠离子通道、钙离子通道、钾离子通道等［25］。同样KATP通道可以调节可兴奋性细胞的膜电位，进而影响细胞的兴奋性及功能活动，同时KATP通道也参与了多种膜受体下游信号的传导。因而，KATP通道与疼痛发生机制之间的联系逐渐被关注。

研究发现，多种治疗急慢性炎性疼痛的镇痛药物其作用机制与KATP通道相关信号通路激活有关: Ortiz等［26］发现KATP通道阻滞剂格列本脲可以抑制双氯芬酸对福尔马林急性炎性痛模型的镇痛作用，但其不能抑制其他非甾体抗炎药的镇痛作用。Mizokami等［27］发现贝壳杉烯酸（Kaurenoic acid）不仅可以明显抑制完全弗氏佐剂和福尔马林引起的急性炎性痛，也可以抑制慢性炎症引起的机械痛觉过敏，而它这种镇痛作用可以被l－NAME、ODQ、KT5823和格列本脲减弱，这说明其镇痛作用依赖于NO－cGMP－PKG－KATP信号传导通路的激活。同样外周局部给与腺苷受体激动剂CPA可以减轻角叉菜胶引起的痛觉过敏，而分别抑制NO合成酶、鸟苷酸环化酶、蛋白激酶G及KATP通道后，CPA的这种镇痛效应则被抑制［28］。这说明激活外周腺苷受体减轻炎性痛涉及该信号传导通路的激活。Negrete等［29］研究发现2型大麻素受体（CB2R）激动剂JWH－015可以激活内源性阿片类物质介导的NO－cGMP－PKG－KATP信号途径，从而表现出抗慢性炎性痛作用。除此之外，花姜酮（zerumbone）、高压氧（hyperbaric oxygen，HBO2）、吗啡等阿片类药物的抗外周伤害性刺激作用也与NO－cGMP－PKG－KATP信号途径激活有关［3031］。随后另外一些研究发现，KATP通道介导的其它信号通路也参与了激活阿片受体所介导的抗外周伤害性刺激。Cunha等［32］发现在神经元型一氧化氮合酶缺失的小鼠中吗啡无外周镇痛作用，同时吗啡可以诱导初级伤害感受神经元中NO增加，而该途径的激活又依赖于PI3Kγ／AKT的激活，最终增加KATP通道的活性。因此，吗啡的外周镇痛作用可能与激活阿片受体介导的PI3Kγ／AKT／nNOS／NO／KATP信号传导通路有关。Distrutti等［33］认为H2S可以缓解结直肠扩张诱发的内脏痛，但这种镇痛作用可被μ阿片受体、PI3K及KATP通道相关抑制剂或阻滞剂所抑制，因而H2S可能通过激活阿片受体介导的PI3Kγ／AKT／nNOS／NO／KATP信号传导通路来减轻疼痛。

KATP通道的功能状态及表达变化也可能参与了神经病理性疼痛的发生与维持。开胸术后疼痛模型大鼠胸段脊髓背角KATP通道的表达明显下降，而在坐骨神经结扎模型及骨癌痛模型中也发现同样的现象［3437］。同时在开胸术后疼痛模型及骨癌痛模型中给与KATP通道的开放剂吡那地尔可以明显上调大鼠的疼痛阈值，这种效应并呈一定的剂量依赖性，鞘内注射KATP通道的阻滞剂格列本脲后大鼠的疼痛阈值则呈剂量依赖性的下降［3637］。正常大鼠鞘内注射Kir6.2siRNA干扰脊髓Kir6.2的表达后，大鼠的机械缩足阈值也下降［37］。这些结果表明脊髓背角KATP通道的功能状态及表达可能参与了神经病理性疼痛的发生与维持。Gutierrez等［38］发现crotalphine可以通过激活δ和κ阿片受体介导的NO－c GMP－PKG－KATP信号途径减轻慢性坐骨神经压迫引起的神经性疼痛。

3 展望

KATP通道表达于神经系统的不同细胞和不同部位，将细胞代谢和兴奋性联系在一起，在维持神经细胞兴奋性、胶质细胞分泌和免疫反应、对缺血损伤保护以及疼痛调节等许多生理或疾病的发生等方面发挥重要的作用。以后的研究方向可能包括:①神经系统KATP通道表达由于其受到多种因素的调控，其相关调控机制仍不十分明确，还有待进一步的研究。②KATP通道将成为相关疾病（如缺血、神经退行性病变）的治疗靶点，研究其组织特异性，开发特异性和高选择性的药物将成为今后的研究方向。③目前KATP通道在疼痛中的作用已经得到证实，其相关信号传导通路也被初步阐明。然而，大部分研究主要是集中于外周伤害性刺激引起的炎性痛，而神经病理性疼痛及癌痛等复杂性疼痛的研究较少。另外，KATP通道不仅存在于神经元中，而且在星形胶质细胞、小胶质细胞等都有表达。而这些胶质细胞可以释放各种细胞因子、神经递质等，进而调控神经元的功能及形态的变化，在疼痛的发生和维持中具有极其重要的作用。那么胶质细胞中KATP通道在疼痛中又起何种作用？以及在痛觉传导通路中如背根神经节、脊髓背角、大脑高级中枢等不同部位中KATP通道的作用又是如何？这些问题的解决有待进一步研究。这些研究将有助于进一步完善疼痛的机制，为开发新的镇痛药物提供方向。

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（2014－04－02 收稿）

R329.2

10.3870／j.issn.1672－0741.2015.01.026

＊国家自然科学基金资助项目（No.81371251）；国家临床重点专科建设项目

张登文，男，1985年生，住院医师，医学博士，E－mail:zhangdengwen＠126.com

△通讯作者，Corresponding author，E－mail:xrwang＠hust.edu.cn