Kv7（KCNQ）钾离子通道对中枢单胺能神经传递的调控

赵 晨，张海林

（河北医科大学药理学教研室，河北石家庄 050017）

Kv7通道为电压门控钾离子通道，该通道在阈电位附近激活，呈现慢激活、非失活、慢去活及电压依赖性特征，是神经系统M电流的分子基础。Kv7钾通道由5种KCNQ基因编码，通过单体或多聚体形式表达产生电流［1］。除Kv7.1外，Kv7.2-Kv7.5均表达于中枢神经系统内，以 Kv7.2、Kv7.3、Kv7.5亚型分布最为广泛，几乎遍布整个脑区［2］，Kv7.4亚型分布较少，仅表达于脑干的离散核内［3］。Kv7.2亚型可单独表达形成Kv7通道，但与Kv7.3以四聚体形式共表达产生M电流具有更为重要的通道功能和生理意义。Kv7.3和Kv7.5共表达形成的通道也是M电流的分子基础［4］。Kv7.4亚型也可单独表达，形成 Kv7通道，与 Kv7.3以异源多聚体形式共表达可产生比Kv7.4单体更大的电流，但Kv7.4不能与Kv7.2共表达形成通道［3］。

Kv7通道激活缓慢，对动作电位的去极化过程贡献不大，其主要作用在于能够强烈抑制神经元重复、持续放电，减少放电频率，降低神经元兴奋性［5］。Kv7通道开放剂可以治疗因神经元过度兴奋所引起的癫痫发作、焦虑、疼痛及偏头痛等［6］。

Kv7通道对中枢神经系统中多种神经递质具有调控作用，本文将针对Kv7通道对单胺类神经系统的调控进行总结与讨论，这些发现很可能为治疗单胺类神经系统过度兴奋所致疾病（如多巴胺能神经元过度兴奋所致精神分裂、药物滥用，5-羟色胺能神经元过度兴奋所致焦虑、抑郁症以及去甲肾上腺素能神经元过度兴奋所致焦虑、吗啡戒断反应等）提供新的治疗思路和手段。

1 Kv7通道对多巴胺能神经系统的调节

多巴胺系统是大脑的“奖赏中心”，与奖励行为、认知功能和欢愉情绪有密切的关系。体内研究显示，多巴胺能神经元有两种放电模式：单峰放电（tonic firing）和簇状放电（burst firing）。单峰放电是由一种内在的起搏作用引起的，类似于心脏起搏点的作用；簇状放电则主要依赖于外界刺激引起的兴奋传入，这种特殊的放电模式与呈递奖励刺激和调节目标行为相关。同时，簇状放电能够刺激轴突末梢和胞体树突释放更多的多巴胺神经递质［7］。有趣的是，消除M电流使中脑多巴胺能神经元簇状放电时间延长，但对单峰放电无影响［8］。

多巴胺能神经元主要分布于黑质（SNc）和腹侧被盖区（VTA）。多巴胺传递主要有3条通路：黑质-纹状体通路、中脑-边缘系统通路和中脑-皮质通路，后两条通路均起源于VTA。相关研究显示［9］，Kv7通道开放剂瑞替加滨（retigabine）对SNc和VTA多巴胺能神经元的兴奋性具有明显抑制作用。SNc和VTA多巴胺能神经元只有Kv7.2和Kv7.4通道表达，无Kv7.3和 Kv7.5通道表达［10］。用可逆性钾离子通道阻断剂四乙胺（对Kv7.2和Kv7.4有不同的敏感性）抑制VTA多巴胺能神经元的M电流，其IC50值介于Kv7.2和Kv7.4之间［11］，因为Kv7.2和Kv7.4不能共表达形成异源性通道［12］，故这些结果提示，此处的M通道可能包括同源性的Kv7.2和Kv7.4两种类型。纹状体内有Kv7.2和Kv7.3通道表达，无 Kv7.4通道表达［3］。Retigabine也能够明显抑制纹状体多巴胺能神经元的兴奋性，减少多巴胺的释放［9］。

D2受体是一种多巴胺自身受体，研究发现，retigabine可以有效逆转由多巴胺D2受体阻断剂和精神兴奋药物（如可卡因、利他林）引起的纹状体神经元兴奋作用［13］。值得注意的是，在异源表达系统，兴奋D2受体可激活共表达的Kv7通道，其中以D2受体对Kv7.4的激动作用最为明显［14］。因此，上述D2受体阻断剂的作用可能在于阻断D2受体，进而抑制M通道，导致神经元兴奋，同时神经元释放的多巴胺又作用于D2自身受体，增强了M通道的功能。这一结果提示存在负反馈调节环路。由于SNc和VTA神经元有Kv7.4通道表达及突触附近有多巴胺D2自身受体的表达，因此，此处释放的多巴胺作用于D2自身受体，进而增强SNc和VTA神经元的Kv7.4通道功能，由此导致的神经元抑制可以抑制多巴胺的进一步释放。

2 Kv7通道对5-羟色胺能神经系统的调节

5-羟色胺是脑内的另一种单胺类神经递质，主要参与情绪调节、认知功能（学习和记忆）、食欲和睡眠。5-羟色胺通路均起源于中缝核，它是一类分布于脑干中线附近的细胞集群，大体可分为喙部（rostral group）、中部（intermediate group）和尾部（caudal group）3个细胞群。喙部主要包括中缝背核（DRN）和中部中缝核（MRN），由喙部神经元投射到广泛的前脑区域，包括杏仁核、海马、下丘脑以及几乎全部皮质区域，负责控制认知、情绪、食物摄取、生理节律和繁殖，是5-羟色胺能系统调控情绪的主要区域。尾部主要投射到髓质、小脑和脊髓，负责控制躯体活动、疼痛感觉和自主神经系统［15］。

相关报道表明，DRN神经元过度兴奋是紧张和焦虑的一个生理特征。长期处于压力环境所引发的紧张、焦虑和恐惧情绪会导致5-羟色胺能神经元兴奋性增加，DRN附近的5-羟色胺水平也增加［16］。因此，抑制 DRN神经元的兴奋性，减少DRN投射通路的5-羟色胺能系统活动可能会产生相应的抗焦虑作用。

迄今为止，除Kv7.4通道外［3］，还未见其他Kv7通道表达于DRN内，因此，Kv7.4通道将成为一个有待探索的抗抑郁靶点。Hansen等［8］用免疫组化方法证实，Kv7.4通道 的确存在于DRN和MRN，且在两区域内表达水平有所不同。DRN神经元主要包括5-羟色胺能神经元和非5-羟色胺能神经元（主要是GABA能神经元），值得注意的是，Kv7.4通道仅表达于5-羟色胺能神经元上，但并不是所有5-羟色胺能神经元都有Kv7.4通道表达［8］。

Retigabine可以明显抑制 DRN神经元的兴奋性［8］。Hansen等［10］在DRN脑片上记录到retigabine对神经元放电频率有强效的抑制作用，且效能和效价与在多巴胺能神经元上记录到的结果基本一致。本实验室也在急性分离的DRN脑片上得到证实，Retigabine能够明显增加5-羟色胺能神经元的 M电流（EC50≈0.64μmol·L-1），使细胞膜超极化，抑制神经元自发放电，此抑制作用可被M通道阻断剂XE991所逆转（待发表结果）。Retigabine对于DRN各区域的神经元具有普遍的抑制作用，正如免疫组化结果显示：背侧、腹侧及腹外侧均有Kv7.4通道表达［8］。由此可推断，DRN区域5-羟色胺能神经元的Retigabine敏感的M电流都是由Kv7.4亚型所介导的。

采用逆行示踪标记方法，将标记物注入大鼠海马区，10 d后，在DRN区域有部分含Kv7.4通道的神经元被标记，这表明调节DRN神经元的Kv7.4通道可以直接影响海马区5-羟色胺能系统的功能［8］。又因为由DRN发出的5-羟色胺投射通路（包括海马）与抑郁直接相关［17］，故调节Kv7.4通道功能可能会改善相关的抑郁样行为。

3 Kv7通道对去甲肾上腺素能神经系统的调节

去甲肾上腺素能神经元胞体主要聚集于脑干的蓝斑核团和外侧被盖核。蓝斑核内的去甲肾上腺素能神经元神经投射非常广泛，几乎遍布脑的各个部位，包括全部大脑皮层、丘脑、下丘脑、嗅球、小脑、中脑和脊髓，在脑内形成弥散连接。脑内去甲肾上腺素神经元的作用非常广泛，几乎参与全部脑功能的调节，如调节注意力、警觉、觉醒、意识、情绪、学习和记忆、焦虑与疼痛、神经内分泌等［18］。

有关蓝斑核内去甲肾上腺素能神经元上的Kv7通道还未见报道，但相关研究表明，Retigabine能够明显抑制海马和皮层神经元释放去甲肾上腺素，且可以剂量依赖地抑制9 mmol·L-1K+引起的去甲肾上腺素释放（EC50≈1μmol·L-1），此抑制作用可被M通道阻滞剂XE991所逆转。同时，他们又通过免疫荧光手段证明Retigabine诱导的海马释放去甲肾上腺素减少是通过Kv7.2通道实现的［19］。

当蓝斑核团兴奋时，去甲肾上腺素在脑内的广泛区域释放，产生复杂的作用，也正是因为这种作用复杂性，迄今为止中枢去甲肾上腺素的生理作用尚不完全清楚，但一般认为，去甲肾上腺素能传递可以影响机体对特定的刺激产生情绪反应，如去甲肾上腺素能传递增强会产生焦虑和惊恐的情绪。由于去甲肾上腺素能神经元投射广泛，且与多巴胺能和5-羟色胺能的投射区域均有重叠，我们期待Kv7通道开放剂对单胺类神经元过度兴奋所致的精神方面的疾病具有普遍的治疗作用。

4 Kv7通道开放剂与疾病

目前已发现的Kv7通道开放剂有30余种，其中研究最为深入和全面的是 retigabine，10μmol·L-1retigabine能够使M通道的激活曲线向超极化方向移动14-43 mV。在海马区，Retigabine可减少神经元动作电位的发放［5］。Retigabine在临床前动物模型中表现出有效的抗惊厥和镇痛作用，现已在临床上用于癫痫部分发作的辅助治疗。值得注意的是，Retigabine的抗癫痫作用主要是通过抑制海马区Kv7通道功能及皮质谷氨酸能神经递质作用实现的［20］。此外，还有一些Kv7通道开放剂也可以发挥类似的功能。例如：甲氯灭酸和双氯芬酸能够激活Kv7.2／Kv7.3通道，抑制自发和引发的皮层神经元兴奋性，在最大电刺激癫痫模型中表现出抗癫痫作用［21］。美国 Icagen研发的 Kv7通道激活剂ICA27243对Kv7.2／Kv7.3通道选择性高于Kv7.4和Kv7.3／Kv7.5通道，可有效改善最大电刺激癫痫模型的癫痫发作［22］。本实验室自行研发的新型钾通道开放剂QO-58开放Kv7.2／Kv7.3通道的 EC50为 0.21μmol·L-1，与 retigabine（EC501.89μmol·L-1）比较生物活性更强，且在戊四唑诱发的小鼠癫痫模型和电刺激引发的惊厥模型中，QO-58（＞25 mmol·L-1·kg-1）及其赖氨酸盐 QO-58-lysine（QO-58L）均显示出抗癫痫作用，同时能够缓解由缓激肽诱导的炎性疼痛反应［23］。

在焦虑和抑郁模型中所涉及的Kv7特定亚型目前尚未见报道，但广谱Kv7通道开放剂的抗焦虑作用已在啮齿动物的可预知和不可预知刺激引起的焦虑模型中得到证实［24］。在XE991敏感的焦虑模型中，Retigabine在焦虑测试（零迷宫和埋珠实验）中表现出剂量依赖的抗焦虑作用。同时，另一Kv7通道开放剂BMS204352的左旋异构体在相同的焦虑模型中也表现出相似的抗焦虑作用，但BMS204352的右旋异构体对Kv7通道具有抑制作用。此两种化合物对动物的运动均无影响，因此可排除因运动减少产生的交互影响［24］。还有研究显示，抑郁动物模型分为易感型和非易感型两种，对两种抑郁模型动物的基因表达谱进行对比，结果显示在非易感型抑郁模型中，Kv7.3表达有所增加，而易感型抑郁模型中无此现象［25］，提示Kv7.3很可能成为抗抑郁的潜在有效靶点。

5 结论

单胺类神经元过度兴奋会引发多种中枢神经系统疾病，诸多研究表明，Kv7通道在单胺类神经系统内有表达，其功能活性可以影响单胺类神经元的兴奋性，同时对神经传递通路的投射区域神经元功能也有调节，这些事实为以Kv7通道作为靶点研究单胺类神经元相关疾病奠定了基础。Kv7通道在神经系统疾病治疗中的意义已经在临床应用中得到证实，目前已开发出以retigabine等为基础的Kv7通道开放剂，作为治疗癫痫以及疼痛的药物使用。虽然Kv7通道与其他神经系统疾病如焦虑和抑郁之间的关系研究较少，但最近有关在抑郁模型中，Kv7特异表达发生改变的发现为抑郁症研究提供了新的方向［25］。目前，还没有更多明确的研究显示，究竟哪种Kv7通道亚型参与这些疾病的发生，但在Kv7通道开放剂对单胺类神经系统调节过程中，Kv7.4通道发挥了重要的作用，因此，Kv7.3和Kv7.4通道很可能成为今后开发治疗神经元过度兴奋药物的有效靶点。

参考文献：

［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］刘灿仿，祁金龙，张海林，贾庆忠.新型钾通道开放剂（QO-58）在大鼠体内组织分布研究［J］.中国药理学通报，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.