聂雨泽2 王燕1 杨帆1 梁婷1 孙薇1
（1空军军医大学第二附属医院疼痛生物医学研究所 陕西 西安710038；2空军军医大学基础医学院 陕西 西安710038）
摘要：钠离子通道在神经元兴奋性产生过程中发挥重要作用，一直以来受到广大研究人员的关注。钠通道在许多神经病变，特别是神经病理性疼痛、炎性疼痛的产生中发挥重要作用。本文通过检索近年来的文献，从外周神经系统中钠离子通道的分型、表达、功能等方面进行综述，特别是钠通道对神经元兴奋性的调节，以及在疼痛中的表达变化和潜在作用机制。有利于我们进一步探索疼痛发生的神经机制，促进镇痛新药的研发。
关键词：伤害性感受神经元，钠通道，钠电流，兴奋性，疼痛
前言：
背根神经节（DRG）神经元又称作初级感觉神经元，它是外周感觉传入的第一级神经元。DRG细胞根据细胞直径大小可分为：大（>45um）、中（25-45um）、小（<25um）三类[1]。生理情况下，小直径神经元发出的无髓鞘C类纤维，以及由中型神经元发出的薄髓鞘A纤维和少数来源于大直径神经元的有髓Aβ纤维，它们可以加工并传递多觉伤害性刺激，遂被定义为“伤害性感受器”。神经纤维和神经元将外周伤害性刺激传递到脊髓背角进而传入更高级的中枢系统，这一过程主要依赖离子的电活动进行，因此各种离子通道则是产生电活动的物质基础。
由大分子膜蛋白组成含有水分子的孔道即为离子通道，它们镶嵌在脂质双分子层的细胞膜上，发挥着多种多样的生物学功能，其中电压依赖性钠离子通道则是细胞兴奋必不可少的重要元素之一。钠离子通道通常由分子量260KD的α亚基蛋白以及β亚基蛋白组成，它们广泛的存在于可兴奋性细胞中，通过钠离子内流使细胞发生去极化，介导动作电位的传播，从而在细胞的生理活动中起重要作用[2]。目前根据氨基酸序列和染色体定位是否具有一致性可以将电压依赖性钠离子通道分为9个亚型：Nav1.1、Nav1.2、Nav1.3、Nav1.4、Nav1.5、Nav1.6、Nav1.7、Nav1.8、Nav1.9，这9种通道被归为同一家族，即Nav1家族。Nav1家族中存在有三种特殊的通道亚型，Nav1.5、Nav1.8和Nav1.9的第一同源区氨基酸序列发生变化，致使它们对河豚毒素（Tetrotodoxin, TTX）不敏感，所以根据这一特点又将该家族钠通道笼统的分为两类：TTX敏感的钠离子通道以及TTX不敏感的钠离子通道[3]。
钠离子通道基本上遍布了人体的各个器官，其中TTX敏感的钠离子通道，如Nav1.1通道，在中枢神经系统和外周神经系统均有分布，且在DRG上丰富表达；而Nav1.2和Nav1.3通道主要分布在中枢神经系统，在外周神经系统中，Nav1.2和Nav1.3通道仅在胚胎期的DRG神经元上表达丰富，随着发育成熟而逐渐消失，但神经损伤后，Nav1.3通道在DGR神经元上可再表达；Nav1.4通道则主要表达在骨骼肌上；Nav1.6通道在中枢神经系统、外周神经系统和郎飞氏节上均有表达；Nav1.7通道则主要存在于外周神经系统和雪旺氏细胞上。另外对TTX不敏感的钠离子通道而言，Nav1.5通道仅表达于心肌细胞；而Nav1.8和Nav1.9通道则主要表达在外周神经系统的感觉神经元上，在DRG细胞伤害性感受神经元上高表达[4]。
钠离子通道对背根节神经元的伤害性感觉敏感性有调节作用。然而特异性感受伤害性刺激的DRG神经元上的钠离子通道具有怎样的特性和作用，在病理和生理情况下又会有怎样的变化？为此本文将详细的介绍一下伤害性感受神经元上各种钠离子通道的主要功能和特性，以及他们所产生的钠电流的总体特征。
1、DRG细胞上的钠通道
1.1 TTX敏感的钠离子通道
表达在DRG伤害性感受神经元上，且对TTX敏感的钠离子通道主要包括Nav1.1、Nav1.3、Nav1.6、Nav1.7，它们分别介导了具有不同动力学特性的钠电流。
1.1.1 Nav1.1
Nav1.1在外周DRG伤害性感受神经元上广泛表达，该通道在神经元兴奋性产生过程中发挥的作用目前还未明确，但它参与形成TTX敏感的钠电流[5]，又有研究发现在表达Vglut-3（谷氨酸囊泡转运体-3）的DRG小细胞上，Nav1.1是其动作电位发放的关键作用通道[6]，另外有研究证实该通道参与机械性痛觉敏化的发生[7]。在中枢神经系统，研究表明Nav1.1通道的基因突变可导致癫痫产生，也因此推断它与动作电位的产生和传导关系密切。
1.1.2 Nav1.3
上个世纪80年代在大鼠的脑组织中首次克隆出了Nav1.3通道，它在哺乳动物的中枢神经系统中广泛存在，但正常生理情况下表达量较少。在外周神经系统中，只有神经损伤后Nav1.3通道才会表达增高或联合β3亚基再表达，该通道仅表达在感觉神经元上，参与调控神经病理性痛和炎性痛的产生。外周神经损伤的动物模型鞘内注射Nav1.3的反义寡氨酸或通过注射病毒载体下调该通道的表达后，神经损伤所引发的机械性痛敏（触诱发痛）以及异常的高频放电会减轻[8]。然而敲除Nav1.3基因后，动物模型的痛敏和异位放电均不减轻。有推测认为这种现象可能是其他亚型的钠通道的补偿性表达改变造成的[9,10]。Nav1.3通道产生一个快速失活、激活的钠离子内向电流，但该通道的去极化过程较为缓慢，从而产生一个大的“斜坡样”电流，这些动力学特点决定了Nav1.3在降低动作电位低阈值、高频放电和簇发放电中发挥重要作用，也有文献报道Nav1.3与异位自发放电和机械性痛觉敏化的产生有关[11]。
1.1.3 Nav1.6
Nav1.6也是一种TTX敏感的电压依赖性钠离子通道，它的许多特性与中枢神经系统表达的Nav1.2相似，它可以表达在许多不同类型的神经元上，其中主要表达在中枢神经系统的有髓神经元和外周的郎飞氏结上[12]。但目前有研究证实Nav1.6在外周无髓鞘的轴突上也有表达，它参与调控机械性感受神经元的兴奋性。Nav1.6通道同其他的TTX敏感的钠通道一样，能够迅速的被激活，并且快速失活。另外Nav1.6通道从失活状态的恢复速度是Nav1.7的5倍。这些特性决定了与Nav1.7相比，Nav1.6在维持较高频率的放电中起到更为关键的作用[13,14]。Nav1.6通道受到多种细胞因子的调控，如谷胱甘肽可影响该通道的失活[15]。有研究发现在CFA诱导的炎性痛模型、压迫背根神经节所致的神经病理性痛模型、星形细胞瘤组织上Nav1.6通道表达均增高[16-18]。
1.1.4 Nav1.7
在外周神经系统，约85%的DRG伤害性感受的神经元均表达Nav1.7通道，部分交感神经元上也表达该通道，在中枢神经系统该通道也会有少量表达[19]。Nav1.7通道属于TTX敏感的钠离子通道，IC50是2nM。这种通道的激活速度较快，失活速度较缓慢[20]，从失活到再次开放的恢复过程也较慢，比Nav1.3通道慢3倍，比Nav1.6通道慢5倍，由此也可以得出单一的Nav1.7通道不足以维持产生高频率的放电，这也可能是C类神经纤维的放电频率明显低于A类神经纤维的主要原因之一[21]。Nav1.7通道可以产生一个幅度较大的、低阈值的持续性钠电流，Nav1.7通道参与决定神经元静息膜电位、动作电位阈值水平，调控神经元的兴奋性[22]。研究发现低浓度IC50 = 0.3nM的狼蛛毒素肽ProTx-II可以特异性的阻断Nav1.7通道，而对其他的钠通道阻断浓度IC50达到 30-150nM[23]。
Nav1.7通道的变异可引发与疼痛有关的遗传性疾病，例如该通道的功能获得性变异可引发遗传性红斑肢痛症、阵发性剧痛（PEPD），而功能缺失性变异则导致无痛证等疾病，因此Nav1.7通道被研究者广泛关注，已成为疼痛研究的重要靶点之一[24]。在炎性痛动物模型(完全弗氏佐剂、角叉菜胶、福尔马林等注射诱导)上，Nav1.7通道的表达上调，而条件性敲除该通道后则会减轻动物的痛觉敏化行为[25]。在炎性痛模型中Nav1.7通道除了表达增高外，还会和Nav1.8通道发生协同作用；在cAMP、NGF等物质的作用下，Nav1.7通道蛋白向细胞膜上的转运、表达会提高，在切口痛模型以及紫杉醇诱导的疼痛模型上Nav1.7通道的表达均增高[26-28]。尽管现有的各种科研手段日趋完善，但Nav1.7通道在疼痛中具体发挥什么样的调控作用仍存在许多争议。例如在敲除Nav1.7和Nav1.8的动物上诱导骨癌痛模型，发现这两种通道的缺失不影响模型动物疼痛的产生[29]。
1.2 TTX不敏感的钠通道
1.2.1 Nav1.5
Nav1.5通道是TTX不敏感钠离子通道的一种，它主要表达在心肌细胞中，该通道介导一种延迟性、持续性钠电流（late persistent current），该电流在心肌细胞电活动中发挥重要作用。目前有研究表明该通道还可以介导产生了第三种TTX-R的钠电流，该电流快速激活、快速失活，与Nav1.8、Nav1.9的动力学特性不同。在胚胎期，80%的DRG小细胞上可记录到Nav1.5通道表达，而在成熟的DRG神经元上，仅有3%的细胞表达该通道。Nav1.5通道对镉的敏感，1mM的镉可以完全阻断该电流[4]。最近又有研究表明在坐骨神经分支损伤模型(Spared nerve injury, SNI)的DRG和轴突上，Nav1.5通道的表达明显下调[30]。
1.2.2 Nav1.8
Nav1.8通道集中表达在外周伤害性感受神经元上，IB4阳性的小直径神经元上表达更多。Nav1.8通道主要参与动作电位上升支的形成，该通道激活阈值较高，失活过程较缓慢，激活电位约-40 mV[23]。另外Nav1.8通道在多种外周痛觉敏化模型中均表达增高，例如蝎毒、腺苷、磷脂酶A、TNF-α、血清素、PKC、5-HT、炎症趋化因子等介质均可以上调Nav1.8通道的表达[31-34]；发现角叉菜胶诱导的炎性痛模型上，DRG小细胞的Nav1.8通道表达增高；而敲除Nav1.8通道后，NGF诱导的炎性痛模型动物的热刺激痛觉敏化消失[35]。Nav1.8通道可被低浓度的A-803467特异性的阻断，而在A-803467用于阻断其他亚型的钠通道时，其浓度要提高100倍左右[10]。
1.2.3 Nav1.9
Nav1.9通道在炎症性痛中发挥重要作用，动物实验研究发现单一的某种炎性因子并不能上调Nav1.9的表达，但给予多种炎性因子的混合液则可以诱导Nav1.9通道的表达增高。敲除Nav1.9通道后，炎性痛模型动物（如注射福尔马林、角叉菜胶等致炎剂）的热刺激和机械刺激痛敏均减轻[16]。在关节炎疼痛模型中PKC可以上调Nav1.9通道的表达[36]。另外发现神经营养因子NGF可以调控Nav1.9通道的基因表达，如果培养基中没有NGF，培养的DRG细胞上Nav1.9通道蛋白的表达量很少，而给予NGF后，该通道的表达量上调。胶质细胞源性神经生长因子GDNF也可以增强Nav1.9蛋白的表达，炎症趋化因子也增加该通道的表达，并增大其介导的钠电流[37]。一氧化氮可以抑制Nav1.9通道介导的钠电流[38]。
2 DRG伤害性神经元上的钠电流
在外周神经系统，常用TTX作为工具药来区分对其敏感（TTX-S）和不敏感（TTX-R）的两类钠电流。
2.1. TTX-S的快钠电流以及TTX-R的快钠电流
对TTX敏感的快钠电流（瞬时钠电流）由具有快速激活、快速失活特点的几类钠离子通道介导产生。在伤害性感受神经元上该类电流的激活阈值在-40mV左右浮动，可被TTX或局麻药利多卡因（IC50≈40-50 uM）阻断。综述现有的文献发现TTX敏感的快钠电流的检测方法主要有以下两种：一种是利用工具药TTX分离得到TTX-R电流，给药前的总钠电流与之相减，即可获得TTX-S的快钠电流；另一种方法是根据TTX-S和TTX-R两种通道的电压门控特性加以区分，两类通道具有明显不同的激活和失活电压，在膜片钳上利于不同的钳制电压水平分离两种电流[17]。在许多疼痛模型中，DRG神经元兴奋性增高，该类电流增大。
TTX-R快钠电流的激活、失活速度较为缓慢。在外周DRG小直径神经元上，TTX-R快钠电流主要由Nav1.8通道介导产生，且激活阈值较高，该电流参与形成动作电位的上升支，可被局麻药利多卡因阻断（IC50≈200 uM）[21,39,40]。在多种神经病理性痛模型例如Ⅱ型糖尿病神经病理性痛模型上，观察到TTX-R快钠电流明显增大[41]
2.2 TTX-S持续性钠电流和TTX-R的持续性钠电流
TTX-S持续性钠电流具有与快钠流相似的快速激活特性，但该电流的失活过程缓慢，激活阈值在神经元的静息膜电位水平浮动，约-60 mV ~ -80 mV，该电流参与产生重复放电、阈下膜电位震荡，调节细胞兴奋性变化[18,38]。综述持续性钠电流的检测方法，目前主要有以下两种：给一个500ms的、长的方波刺激，之后加入TTX（外周的神经元约为100nM，中枢系统神经元约1uM），给药前后的电流相减即为TTX-S的持续性钠电流；另一种方法是给予一个长时程（25-100mV/s，3s）的斜波刺激，即可直接记录到该电流。许多药物、细胞因子均可影响该电流，例如外周背根神经节大直径神经元上的持续性钠电流可被加巴喷丁抑制[25]。
TTX-R的持续性钠电流主要由Nav1.9通道介导产生，在钳制电压约-70mV时被激活，-34mV达到电流峰值。该电流参与调控阈下电活动和动作电位。在外周伤害性神经元上的TTX-R持续性电流呈“W”型，其第二个内向流与Nav1.8通道有关，敲除Nav1.8通道后第二个内向流会消失；而敲除Nav1.9通道后第一个内向流会消失，因此“W”的形成上述两类通道有关。由于这种持续性钠电流缓慢失活的特性，决定了它在调控静息膜电位过程中发挥重要作用，可使静息膜电位水平在-40 mV~ -70mV间波动[42,43]。一氧化氮可以抑制Nav1.9通道介导的TTX-R的持续性钠电流，但可以增大TTX-S的持续性钠电流，也抑制小细胞上的TTX-S的快钠电流，但不影响大细胞上的该电流[38]。
2.3 再生性钠电流
再生性钠电流是一种TTX敏感的钠电流，主要由Nav1.6通道介导产生。
该电流首次在小脑的Purkinje细胞上记录被到。再生性钠电流产生于钠通道失活状态的逐渐恢复过程中，此时膜正处于复极化进程中，钠通道的再次开放。常用的记录方法有：电流钳下，给一个约20ms、0mV的短促刺激后，紧接着再给一个约100ms、-40mV的去极化刺激所诱发出来的电流。该电流参与重复放电的发生，为第二个动作电位提供去极化驱动[39,44]。目前研究发现40%的DRG大细胞能够产生TTX敏感的再生性电流，且与从Purkinje神经元上记录到的相似；Nav1.6敲除的DRG神经元上则不会产生该电流，然而培养的DRG细胞上通过病毒转染Nav1.6通道后，则能够产生大的再生性电流。电生理未曾在小直径神经元上记录到该电流，而且至今尚未发现有TTX不敏感的再生性电流存在。而Nav1.1、Nav1.7、Nav1.8、Nav1.9不会产生该电流。Wiley实验室在糖尿病神经病理性痛模型动物的DRG大细胞上记录到再生性电流，但结果显示此电流在病理情况下没有变化[45]。又有研究发现成纤维生长因子FGF的同源因子FHF2对该电流具有调节作用[46]。
3 结论
众所周知钠通道及电流在神经细胞兴奋性的产生过程中发挥着至关重要的作用，虽然钠电流的基本分型以及主要作用已经基本明确。但是目前关于钠通道的研究中还存在未知领域，并且在许多方面还存在着争论。本文以外周神经系统中最为关注的背根神经节小细胞为例，归纳、梳理该类细胞上各种类型钠通道的表达及作用机制。钠通道在神经元兴奋性的产生中发挥重要作用，许多研究也选用该通道作为镇痛新药的分子靶点。因此深入的揭示钠通道的作用机制，及不同亚型通道间的相互作用，有利于我们进一步阐释疼痛发生的神经机制，促进镇痛新药的研发。
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基金项目：唐都医院科技创新发展基金（2019QYTS005）；陕西省重点研发计划项目（2020SF-164）；唐都医院苗子人才资助计划；国家自然科学基金项目（31300919）
作者简介：聂雨泽（1999-），男，本科生，主要研究方向：疼痛生物医学
通讯作者：孙薇，女，博士, 讲师，主要研究方向：神经病理性疼痛的发生机制研究，