双孔钾离子通道THIK-1的病理生理研究进展

王俊柯，魏义勇，王海英

(1.遵义医科大学 麻醉医学院，贵州 遵义 563099；2.遵义医科大学附属医院 麻醉科，贵州 遵义 563099)

目前发现的双孔钾离子通道有6类，15种亚型，各种亚型在不同的组织，参与了一系列重要生理功能[1]。双孔钾离子通道THIK(Two-pore-domain halothane-inhibited K+channel，THIK)于2001年被发现，包括THIK-1和THIK-2两种亚型。Rajan等[2]通过逆转录-PCR技术分析发现，THIK-1离子通道在脑、肺、肾、肝、胃、脾、骨骼肌、心脏和睾丸等组织中均有表达；运用原位杂交技术检测到THIK-1离子通道在成年大鼠嗅球颗粒细胞层、嗅结节、外侧隔以及不同的下丘脑和丘脑核团(下丘脑腹内侧核、乳头状外侧核、网状核、团聚核)中均有表达[2]。Kang等[3]将转染含有GFP质粒的HEK293细胞C端与THIK-1融合(THIK-1-GFP)，共聚焦图像显示，THIK-1定位于质膜。THIK钾离子通道是由4个跨膜片段(M1-M4)、2个孔结构域(P1、P2)和一个位于M1-P1之间的环形螺旋帽结构构成的背景钾离子通道[4]，吸入麻醉药氟烷和异氟烷可抑制THIK离子通道电流，这是此类离子通道区别于其它类型双孔钾离子通道的一个显著特征[1-2]。THIK-1和THIK-2离子通道高度同源，但THIK-2离子通道拥有独特的结构，在细胞内没有活性[5-6]。THIK-1离子通道在静息膜电位下介导了内向的钾离子漏电流，从而参与细胞的兴奋性和静息膜电位[3, 7]。

目前已知THIK-1离子通道参与了多个重要的病理生理过程。例如，背根神经节THIK-1离子通道表达增加参与了炎症后疼痛的发生，使其可能成为治疗潜在炎性疼痛靶点[8]。有研究发现，THIK-1离子通道还是吸入麻醉药物作用的潜在分子靶点[9-11]。另外，THIK-1离子通道在人和小鼠的神经系统疾病(多发性硬化症)组织的小胶质细胞中表达[12-13]。因此，本文综述了THIK-1离子通道参与疼痛和神经系统疾病以及吸入麻醉药的作用机制等。通过进一步阐述THIK-1离子通道在这些领域中的具体作用，有助于以THIK-1离子通道作为潜在的分子靶点研发减轻疼痛、防治神经系统疾病的药物，以及研发新型麻醉药物。

1 THIK-1离子通道与疼痛

Djouhri等[14]报道外周病理性疼痛和急性疼痛可由部分神经损伤、组织损伤和/或炎症引起。背根神经节(Dorsal root ganglia，DRG)初级传入神经元电生理特性的改变是引起和维持这种疼痛的关键。在炎性和病理性疼痛模型中，神经细胞自发放电(Spontaneous firing)频率增加、电阈值降低，自发[15]抬脚(Spontaneous foot lifting，一种自发疼痛的标志)和/或完整纤维的伤害性感觉降低[14, 16-17]。根据生物物理特性的差异，钾离子通道参与疼痛状态的作用大小和性质迥异，有学者认为通过限制或阻止周围神经末梢的动作电位(AP)启动来抑制外周兴奋性，从而降低轴突的传导保真度，或限制中枢终末的神经递质释放，这可能是参与了治疗疼痛的机制[18-19]。鉴于钾离子通道对维持胞体膜电位(Em)中的作用，因此被认为是治疗顽固性和病理性疼痛的潜在靶点[15, 19]。因此，对Em影响最大的K2P通道，被认为是影响自发性疼痛发生发展的关键靶点。

THIK-1离子通道由KCNK13基因编码， Haskins等[8]结合免疫组化、Western blotting和行为学测试等手段，发现大鼠的所有DRG小神经元，大量的中、大神经元都表达THIK-1离子通道。有髓和无髓纤维、皮肤的神经末梢和脊髓的I、II层也表达该离子通道。THIK-1离子通道染色与IB4(Isolectin B4，植物凝集素)结合和trkA(Tropomyosin-receptor kinase A，一种肽能伤害性感受器)共定位，提示该离子通道在伤害性感受器中广泛表达。研究发现[8]THIK-1离子通道的功能与SFL持续时间呈显著负相关，THIK-1离子通道表达降低会导致K+渗漏降低，从而引起静息膜电位去极化。反过来，这将导致伤害性感受器自发放电易化。在DRG神经元中，目前还没有关于THIK-1离子通道对Em影响的数据，因此很难确定THIK-1离子通道在完全弗氏佐剂诱导的皮肤炎症后1 d(CFA1)自发性疼痛中的确切作用，但是免疫荧光染色显示，THIK-1离子通道在几乎所有的小神经元(C纤维伤害性感受器)以及中型和大型神经元中均有表达，鉴于此，进一步研究THIK-1离子通道对Em影响意义重大。

此外， Haskins等[8]也发现，在条件性敲除小鼠THIK-1离子通道会延长的自发抬足持续时间，证明THIK-1离子通道在自发性疼痛中可能发挥一定作用。作者在小鼠足底注射完全弗氏佐剂诱导炎症后1 d(CFA1)，胞浆和边缘(膜相关)THIK-1离子通道染色发现，同侧小神经元数量较正常侧明显减少。诱导炎症后4 d(CFA4)，与正常相比，双侧小神经元边缘THIK-1离子通道表达降低。中、大型DRG神经元在CFA1和CFA4处的THIK-1离子通道表达均无明显变化。CFA1处同侧(而非对侧)小神经元THIK-1离子通道的平均强度与自发抬足时间(自发疼痛的标志)呈显著负相关。因此，THIK-1离子通道参与了炎症调控皮肤伤害性感受器的表达。最后，siRNA敲除体内THIK-1离子通道比siRNA干扰THIK-1离子通道大鼠具有更长的自发抬足持续时间[8]。上述证据表明THIK-1离子通道可能是炎症后疼痛的发生机制。

2 THIK-1离子通道与吸入麻醉

吸入麻醉药的作用机制至今仍然是医学上最令人困惑的谜团之一。Jung等[20]研究发现吸入麻醉药抑制线粒体生成ATP，而ATP的生成减少，反过来又使突触前神经元的ATP生成减少，减弱了细胞胞吞作用。研究表明，异氟醚通过抑制线粒体复合物I来抑制突触前神经元的胞吞作用，从而导致突触前神经元ATP的生成下降。ATP依赖性的突触前神经元胞吞作用被抑制可能是异氟烷发挥麻醉作用的主要机制。Izquierdo等[21]在THIK-1基因敲除的小鼠研究中，发现THIK-1活性的降低会导致小胶质细胞的吞噬能力和降解能力显著减弱。吸入麻醉药会影响突触前神经元的胞吞能力，THIK-1离子通道可影响小胶质细胞的吞噬能力，那么THIK-1离子通道是否有可能是突触前神经元ATP生成减少的关键生理机制呢？这是重要的科学问题之一。

Lazarenko等[10]发现乌拉坦麻醉后的大鼠，异氟醚也增加了斜方体后核(RTN，Retrotrapezoid nucleus)化学敏感神经元的放电频率，不依赖于CO2水平。异氟醚短暂地增强了实验动物呼吸功能，这种效应在呼吸驱动水平较低时最为显著，主要通过呼吸频率的增加来调节，这些结果表明RTN神经元在呼吸调控中起着重要作用。吸入麻醉药激活RTN神经元，增强RTN神经元兴奋，抵消部分呼吸运动系统中其它因素的抑制作用，从而在系统其他功能普遍受到抑制的情况下为呼吸系统提供更强的兴奋性驱动。因此，进一步研究不同脑区不同神经元的THIK1离子通道在吸入麻醉药物作用中的重要机制，可为优化吸入麻醉效果，改善吸入麻醉的苏醒质量提供理论基础，针对THIK-1离子通道深入研究，有望开发新型全身麻醉药物，提高麻醉安全。

3 THIK-1离子通道与神经系统疾病

多发性硬化是一种神经系统炎症性疾病，先天免疫反应既有对抗感染微生物的能力，又有推动病理性炎症的能力，炎性小体复合物通过调节白介素1β(IL-1β)、白介素18(IL-18)和细胞焦亡，因此成为这些过程的核心步骤，炎性小体复合物(NLRP3)通过直接结合配体和间接机制识别受损或死亡细胞释放的微生物产物或内源性分子，IL-1家族的细胞因子可能导致组织损伤和慢性炎症[22]。Drinkall等[23]进一步研究使用药物抑制剂和THIK-1基因敲除小鼠的细胞，在体外评价THIK-1对巨噬细胞NLRP3的激活作用。笔者发现THIK-1离子通道抑制剂TPA(Tetrapentylammonium，四戊基溴化铵)可使NLRP3激动剂对小鼠骨髓来源的巨噬细胞(BMDMs，Bone-marrow-derived macrophages)、混合胶质细胞和小胶质细胞的caspase-1激活和IL-1β的释放减少。同样，THIK-1全身敲除(或条件性敲除)小鼠的BMDMs和小胶质细胞也减少了IL-1β的释放。这些研究表明THIK-1是NLRP3炎症小体激活的调节因子，并确定THIK-1是炎症性疾病的潜在治疗靶点。可见，THIK-1调节炎性小体复合物在整个炎症过程的发展过程中起着至关重要的作用。

小胶质细胞是中枢神经系统的常驻免疫细胞，它们通过运动突起以及纳米级传感丝状突起动态地观察它们所处的环境[24]，在健康的大脑动态平衡和可塑性中起着关键作用。小胶质细胞在大多数神经病理中被激活，包括神经退行性疾病、癫痫、自闭症、精神障碍和中风[25-27]，THIK-1离子通道在健康人中枢神经系统和多发性硬化(Multiple sclerosis)症组织的小胶质细胞中表达[12-13]。多发性硬化中被激活的小胶质细胞吞噬掉髓鞘和神经元碎片[28-31]，这有利于神经保护和髓鞘再生。整个过程受ATP、趋化因子、神经递质、细胞外钾浓度等因素的调节[7, 32-33]，并通过小胶质细胞受体整合，特别是嘌呤能受体P2Y12和Fractalkine受体CX3CR1，以及最近发现的双孔钾离子通道THIK-1[7, 34-35]。小胶质细胞与郎飞氏髓鞘和郎飞氏结节的直接接触最近在大鼠的穹窿体内观察到[36]，少突胶质前体细胞(OPC，Oligodendrocyte precursors cells)和星形胶质细胞接触通过郎飞氏结节[37]，同时有文献显示这些细胞可能在特定的节点处相互作用传递信号[38]。表明郎飞氏结节可能是中枢神经系统细胞间通讯的枢纽。

Ronzano等[39]使用3D重建数据进一步支持了这一点，该数据显示，大鼠小胶质细胞与结节成分和其它接触的胶质细胞建立了物理联系。Ronzano等[39]为了评估THIK-1离子通道是否参与小胶质细胞-郎飞氏结节相互作用，使用钾通道的广谱抑制剂四乙铵30mM处理有髓切片，培养1h后发现TEA不影响小胶质细胞的整体形态和动力学。然而，这种处理导致小胶质细胞与郎飞氏结节的相互作用减少了40%，与对照条件下的(18.8±1.1)%相比，处理后的切片中有(11.4±1.1)%的节点接触。提示轴突静息电位上存在的外向钾电流，参与调节了小胶质细胞-郎飞氏结节的相互作用。Ronzano等[39]使用不同的钾离子通道阻断剂，影响小胶质细胞的促细胞再生功能，发现这与髓鞘再生的减少有关。提示影响神经元与小胶质细胞之间的钾离子信号传递，可能是干预髓鞘再生能力的关键靶点。笔者进一步使用溶血磷脂酰胆碱(Lysophosphatidylcholine，LPC)诱导了局灶性脱髓鞘病变，构建了多发性硬化的病理模型，首先，使用THIK-1的阻断剂四戊基溴化铵(TPA)或广谱钾离子通道阻滞剂四乙铵(TEA)处理脑组织切片1h，并通过IGF1标记促再生表型的小胶质细胞，iNOS标记促炎症表型的小胶质细胞，来量化小胶质细胞的功能表达，结果发现TEA处理后促再生小胶质细胞数量显著减少22%，而TPA处理后显著减少25%。相反，在TEA处理后，促炎症小胶质细胞数量显著增加了21%，TPA处理后显著增加26%。笔者得出结论，钾离子通道抑制剂改变了小胶质细胞与结节的相互作用，损害了小胶质细胞向再生表型的转换，并减少了髓鞘的再生，并且双孔钾离子通道THIK-1对髓鞘再生的影响更大。

4 展望

THIK-1离子通道广泛的表达于中枢神经系统和外周组织中，参与了细胞的电生理活动和细胞代谢等多个环节。在不同的组织细胞中参与了不同的重要病理生理过程。THIK-1离子通道参与疼痛和神经系统疾病的发生，以及吸入麻醉药的作用机制。进一步研究THIK-1离子通道在这些领域中的具体作用，有助于以THIK-1离子通道作为潜在的分子靶点，研发减轻疼痛和防治神经系统疾病的药物，以及研发新型麻醉药物。