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KCC2与痛觉过敏
时间：2010-08-23 14:35:05 来源： 作者：
| 各种原因引起的及痛觉过敏现象（opioid－induced hyperalgesia OIH）[1,2]是临床治疗的难题，甚至围术期大剂量使用阿片类镇痛药物进行镇痛都可产生痛觉过敏现象。痛觉过敏现象不仅加剧了患者镇痛药物的消耗，增加不良反应的发生和危害，甚至能产生触诱发痛一类的痛敏现象使治疗更加困难。既往的研究热点是关于神经系统兴奋性功能上调所致的痛敏，而近年来已有学者关注抑制性功能下调所导致的痛敏，而抑制性受体GABAA（γ-氨基丁酸(γ—aminobutyric acid)的标志性蛋白之一钾氯共转运体2（KCC2）在痛敏的产生及持续过程中呈现出不同的表达水平，更成为近年来研究的热点。本文就KCC2与痛敏的关系做一综述。 1 痛觉过敏 痛觉过敏（hyperalgesia或hyperesthesia）[3]是指在组织或神经损伤后，正常情况下的阈上痛刺激或不引起痛的刺激（触刺激、轻压刺激、非伤害性冷或热刺激）在损伤部位或损伤以外部位引起疼痛的现象，简称痛敏。它可能是外周和中枢神经系统结构或功能改变的结果，其发生和持续慢性化机制目前尚不清楚。 2 痛觉过敏机制的研究进展 痛敏包括外周损伤部位和中枢（脊髓和脊髓上位）结构多个层次上的细胞和分子病理生理过程，是外周伤害性感受器和中枢神经元双重敏化所致。目前的研究集中于中枢敏化。中枢敏化的焦点在脊髓，它是伤害性刺激上传及大脑下行痛抑制系统的必经路站。当外周组织损伤部位产生的持续进行性伤害性冲动传导至脊髓背角时，可能引起以下三方面结果：脊髓背角伤害性神经元的激活和敏化；脊髓胶质细胞活性增强进一步恶化中枢敏化；脊髓背角抑制性中间神经元活性减低。 2.1 脊髓背角伤害性神经元的激活和敏化 脊髓背角存在只对伤害性刺激起反应的特异感受神经元，当外周伤害性冲动传导至这些神经元时，由于初级传入中枢突EAAs（兴奋性氨基酸）和神经肽的释放，激活神经元突触后膜上非NMDA（天冬氨酸）的AMPA/KA（即君子酸/海人藻酸）受体引起神经元去极化，但当冲动持续进行性地传入脊髓背角就可进一步激活NMDA受体和代谢性谷氨酸受体，使胞内钙离子浓度显著持续升高，并进一步引起胞内蛋白激酶系统表达增高，如NOS-NO[4]等，促使IL-1参与介导脊髓COX2的高表达[5]，这些成分活性的增强使背角神经元持续去极化，从而产生中枢敏化现象。 2.2脊髓胶质细胞活性增强进一步恶化中枢敏化 近年来有实验研究结果显示，用GFAP标记的星型胶质细胞及用OX-42标记的小胶质细胞在大鼠外周神经损伤或癌性痛时活性显著增高，但是正常时其表达水平较低[6,7]。这些研究提供了一种可能，但相关文献太少，尚不能得到肯定。 2.3脊髓背角中抑制性中间神经元活性减低 背角中抑制性中间神经元（inhibitory interneurons, ININs）的活性降低也可以产生或增强中枢敏化。背角浅层神经元大多是以GABA能为主的抑制性中间神经元，GABAA受体是其主要的抑制性受体，参与调节脊髓背角紧张性抑制作用，维持中枢神经网络内抑制性和兴奋性系统的相对平衡。已有研究发现在外周组织损伤造成的炎症状态下，痛觉过敏发生时GABAA的抑制功能是降低的。认为这可能是痛敏和异常痛敏的诱导和持续慢性化的重要环节。 2.4 GABA抑制性功能的维持有赖于KCC2 GABA是主要的抑制性神经递质，它可激活离子型GABAA 受体，通过增加Cl-电导引起Cl-内流，使神经元发生超极化来抑制神经元放电。除了对Cl-通道的作用外，GABA还可通过激活与K 通道偶联的GABAB 受体来抑制神经元的活动。Cl-内流来源于细胞内外的浓度梯度差，而此浓度梯度取决于特异性的氯离子转运体即钾-氯共转运体2（potassium -chloride co-transporter, KCC2），它能将细胞内氯离子泵出细胞外，造成胞外高氯，从而维持GABAA受体的抑制性功能。KCC2在成年动物的神经细胞中有丰富的表达，当KCC2表达降低时，有可能导致兴奋与抑制失衡，在行为学上表现为痛敏。新近神经生物学研究发现在成年大鼠神经元中，KCC2的表达会随着癫痫的发生或BDNF/TrkB信号通路引起的神经损伤而下调[8]，在出生后第二周开始，大鼠的海马锥体神经元中KCC2就出现了急速的上调，并导致这种不成熟神经元的特性发生了改变：从去极化状态的兴奋性神经元转变为经典的超极化抑制性神经元。这些证据提示KCC2的表达对GABA抑制功能的维持起着至关重要的作用。 3 KCC2与痛敏 钾氯共转运体2（KCC2）是阳离子-氯离子共转运体（CCCs，Cation-Chloride Cotransporters）家族中重要的一员，阳离子-氯离子转运体主要由钾-氯转运体（KCC1－4）和钠钾氯转运体（NKCC）组成并参与整合神经元中氯离子的转运[9]；而钾氯离子转运体则包括KCC1－4，KCC2是其中在神经系统广泛分布并对维持抑制功能起重要作用。 3.1 KCC2的结构和功能 KCCs介导了电中性的受钾离子浓度影响的并由Na+-K+ ATP泵的驱动而发挥氯离子外排的作用[10,11,12] 。KCC2能降低细胞内的钾离子和氯离子的浓度，补偿性地维持氯离子的化学能并顺浓度梯度不断地内流而维持膜的超极化（图1）。 图1 KCC2的结构示意图 3.2 KCC2在中枢神经系统的发育及表达 KCC家族中只有KCC2在神经系统中大量的表达。表1总结了已知的钾氯共转运体的基因。在出生后第二周开始，大鼠的海马锥体神经元中KCC2出现了急速的上调，并导致其特性发生改变：从去极化状态的兴奋性神经元转变为超极化的抑制性神经元。上调后的KCC2可引起神经元氯离子的大量外排。一些开拓性的工作[13]显示神经元中氯离子的外排主要是由钾离子-氯离子共转运过程完成的，而且在神经元成熟过程中氯离子的外排效率表现出发育轴上的增加[14]。众所周知的GABA引起的反转电位（EGABA）的负向偏移与KCC2的上调有着同步性，这可以在原位杂交实验中看到[8]，这些研究者也发现了KCC2在大脑特异的表达谱[16]，同时在背根神经细胞中也有表达。来自于利用反义寡核苷酸特异下调KCC2的表达所得到的结论表明当KCC2表达下降后，A型GABA受体介导的电流引起的负向偏移（即超极化）便几乎消失了[17]。所有这些都证明KCC2的表达与抑制性神经元的发育有重要的关系。 3.3 KCC2在神经损伤后的表达 神经损伤后因离子转运的改变致抑制性神经元去极化的事实已为很多工作所证明[18,19]，例如神经损伤情况下齿状回中A型GABA受体的组分改变就如同胚胎早期发育一样[20] ,人们也曾发现了癫痫可以导致BDNF和它的受体TrkB都表达上调，而在体的一个实验发现，当诱发成年大鼠产生癫痫时，在BDNF-TrkB（Brain-Derived Neurotrophic Factor）上调最显著的海马区域上KCC2的表达显示了快速而显著的下调。进一步的体外实验确定了激活TrkB与KCC2的下调有着直接的因果关系[21]。这说明神经损伤后KCC2呈不同的表达。而在患有癫痫患者的中，海马回的有些神经元表现出由GABA介导的去极化和兴奋性[22]，这如同是发育程序的重演，说明癫痫患者大脑的活动与早期神经网络形成时发生的大规模内源性活动有很多相似点。除了表达下调的现象外，KCC2在神经损伤的某个时期还会出现表达上调的现象。在很多体内和体外神经损伤的模型中，用能特异结合胞内C端[23]的抗体来检测KCC2已证明其在胞体内的染色有显著的增强。 3.4 KCC2与痛敏 3.4.1 GABA具有抑制痛敏的功能 外周神经损伤后，鞘内注入GABA受体的拮抗剂荷包牡丹碱使动物缩足反射增强，说明当GABA的功能被阻断后，动物易表现出痛敏；当鞘内注入GABAA受体的激动剂蝇蕈醇即可阻断外周神经损伤后所诱导的触诱发痛[18]；.这些现象均提示GABA的抑制作用。 3.4.2 GABA的抑制功能取决于氯离子平衡，氯离子平衡来源于KCC2 G ABA是脊椎动物中枢神经系统最主要的抑制性递质之一，从突触前膜释放出的GABA可以激活两类受体：1、代谢型受体GABAB。2、离子型受体GABAA和GABAC，抑制性中间神经元受体以GABAA为主，离子型受体兴奋后开启突触后膜上的离子通道，使离子可以按照电－化学规律自由进出细胞，引起突触后快速的膜电位改变，从而形成兴奋或抑制的效应。离子型通道受体分为阳离子通道如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体；甘氨酸和γ-氨基丁酸（GABA）类的抑制性受体激动后能开启阴离子通道即氯离子通道。脊髓背角的浅1层中间神经元大多是以GABA能为主的抑制性神经元，其通过与投射神经元联系来完成对伤害性信息传递的初级调控和整合。当伤害性信息进入脊髓背角后，兴奋抑制性中间神经元，释放递质作用于GABAA受体，因其对阴离子即CI通透，通道打开，CI-会随化学－电梯度自由进出，只有维持胞外高CI-浓度的状态才能使CI-随化学-电梯度进入胞内，从而维持外正内负的超极化抑制状态。这也就是说需要一个转运体将胞内的氯离子高效补偿性地泵出胞外，而这个转运体就是KCC2。 3.4.3 氯离子平衡与KCC2 氯离子自稳态的调节来源于阳离子-氯离子转运体家族，神经元中氯离子的转运主要由钾氯转运体（KCC2）和钠钾氯转运体（NKCC）组成并参与。KCC2一般是降低细胞内的钾离子和氯离子浓度，而NKCC则增加细胞内的钾离子、钠离子和氯离子。因此对于通过GABAA受体或其它阴离子通道的氯离子逆转电位来说，这两种共转运体有着对立拮抗的作用。它们本身都是电中性的且不消耗能量，它们受细胞内外钠离子和钾离子梯度差的影响并由Na+-K+ ATP泵的驱动；同时由一系列的激酶来调节活性。现已为大家所接受的是在大脑发育的最初阶段GABA是作为一个兴奋性递质而存在的，而这在相当程度上是由阳离子-氯离子转运体来调控发育的。发育的初期，KCC2的表达是低的而NKCC的表达是高的，使NKCC在脑内成为占主导地位的阳－氯离子转运体。此时当GABAA受体被激活时因细胞内高氯而导致膜的去极化并由此而引发大范围的阴离子外流使神经元去极化，其表现为兴奋状态。随着发育的不断成熟，NKCC的表达被抑制而KCC2的表达增强，GABAA受体被激活时细胞外高氯介导了氯离子向内的反向电流，并因此而产生大量的阴离子内流促使膜的超极化，则其总体表现为抑制。 3.4.4 KCC2与痛敏 痛敏发生时，GABA的抑制性功能降低，而GABA的主要的离子型受体GABAA的功能性蛋白是KCC2 ，那么痛敏的产生与KCC2 的表达水平高低有何关系呢？近来在成熟动物外周神经损伤后的脊髓背角神经元中也证实了因氯离子逆转电位而致的去极化作用的改变[25]，其改变发生在脊髓薄片的Ⅰ层神经元中，该处神经元是脊髓伤害性通路的上传的主要部分，其作用的改变依赖于这些神经元中KCC2表达的降低，氯离子去极化拓展为网状效应即为去抑制，而对于神经细胞群来说这种转化将触发GABA能的兴奋作用，脊髓背角1层神经元中对GABA的递质效应就如同GABAA能介导的如钙离子内流所致的兴奋性动作电位。局部阻断或削弱KCC2的表达可显著降低伤害性刺激的阈值，这也证实了背角1层神经元的阴离子平衡如被打破可能会触发神经病理性痛。这种机制已被广泛用于解释神经系统的高兴奋性疾病例如癫痫的发病机制[24]，在大鼠的发育期，有实验观察到KCC2在发育过程中的不断增加导致了GABAA和甘氨酸介导的从网状兴奋到抑制的机制改变[25]。而与此发育相关的，新生儿对伤害性感受所引发的退缩反应的阈值会随年龄的增长而不断增高[26,27]，出生后第七天的逆转电位的转变要比出生后14 天的伤害性阈值的降低更为明显[28,29]，这说明随着神经系统的发育，KCC2的表达不断上调，伴随GABA从兴奋向抑制的转变。而这种转变在痛敏的发生中承担重要的角色。 4 结语 短时程的离子可塑性来自于直接的活动依赖的离子移位以及在回收过程中的运输效率，而长时程的离子可塑性则依赖于能调节神经元内阴离子浓度的蛋白表达水平。对KCC2而言，也许KCC2的表达下调有着更广泛的意义，可以使损伤的神经回复到新生的状态，从而使神经元重新定位到正确的靶点；也许这种离子外排的下降是一种节约能量的策略，能帮助损伤后的神经元在这段超兴奋消耗能量的状态中生存下来。显然这些假说都需要将来大量的试验数据来证实或者推翻，而不是只需要几个实验就能说明的。目前推测在神经发育和损伤过程中，GABA传递、KCC2表达水平和神经营养因子三者间有着紧密的联系。膜上KCC2的存活周期很短，只有几十分钟，这就使得KCC2成为介导GABA神经元离子可塑性的最理想的候选者[26]，而那些能影响KCC2运输和活性的因素显然能调控GABA能神经元离子可塑性。沿着这条线路进行的研究也许会提供一些新的线索，可能对痛敏的治疗带来新的突破！ 24. Ben-Ari Y, Khazipov R, Leinekugel X, et al. GABAA, NMDA and AMPA receptors, a developmentally regulated ‘menage a trois’. Trends Neurosci. 1997, 20(11):523–529. 25. Teng CJ, Abbott FV. The formalin test, a dose-response analysis at three developmental stages. Pain. 1998, 76(3):337–347. 26. Falcon M, Guendellman D, Stolberg A, et al. Development of thermal nociception in rats. Pain. 1996, 67(1):203–208. 27. Fitzgerald M. The post-natal development of cutaneous afferent fibre input and receptive field organization in the rat dorsal horn. J Physiol. 1985, 364:1–18. 28. Baccei ML, Fitzgerald M. Development of GABAergic and glycinergic transmission in the neonatal rat dorsal horn. J Neurosci. 2004, 24(20):4749–4757. |
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