HCN通道在神经病理性疼痛中的作用研究进展

Research Progress on the Role of HCN Channel in Neuropathic Pain

摘要: 神经病理性疼痛(Neuropathic pain, NP)是一种常见且难治的慢性疼痛，由躯体感觉系统的损伤或疾病引起，其产生和维持可能与神经损伤后引起的外周和中枢敏化有关。NP严重影响患者的正常生活，且目前临床上缺乏治疗NP的有效方法。尽管NP发病的机制尚未完全阐明，但研究表明超极化激活的环核苷酸阳离子(Hyperpolarization activates cyclic nucleotide-gated, HCN)通道参与NP的病理生理过程；HCN通道可通过多巴胺D1受体、cAMP-PKA、α2受体、5-HT7受体、CaMKII/CREB、mTORC1等信号通路调节NP的敏感化。因此HCN通道有望成为靶向干预治疗NP的药物靶点。本文将重点阐述HCN通道在NP中的作用及其细胞分子机制，旨在为NP治疗药物的研发提供理论依据和新的策略。

Abstract: Neuropathic pain (NP) caused by damage or disease of the somatosensory system is a common and refractory chronic pain. The mechanisms involved in induction and maintenance of NP have been associated with peripheral and central sensitization after nerve injury. There is no effective clinical treatment for NP at present and NP seriously affects the normal life of patients. The mechanisms underlying NP have not been fully elucidated, but the studies suggest that hyperpolarization activates cyclic nucleotide-gated (HCN) channel is involved in the path physiological process of NP. HCN channel modulates the sensitization of NP through the D1 receptor, cAMP-PKA, α2 receptor, 5-HT7 receptor, CaMKII/CREB and mTORC1 signaling pathways. This review focuses on the molecular and cellular mechanisms of the effect of HCN channels on NP, which may provide theoretical basis and new strategies for HCN channels as potential drug targets for targeted intervention therapy of NP.

1. 引言

神经病理性疼痛(Neuropathic pain, NP)是一种常见的由周围或中枢躯体感觉神经系统损伤或由不同疾病引起的慢性疼痛，其特征表现为自发性疼痛、痛觉过敏和触诱发痛 [1] [2] 。目前被广泛接受的NP产生和维持的机制包括神经损伤后引起的外周敏化和中枢敏化。其中引起外周敏化的因素包括交感神经芽生引起相关离子通道异位放电活动、外周炎性反应、非编码RNA相关基因转录失调及疼痛相关信号途径传导异常等，而中枢炎症反应、神经胶质细胞异常活化和中枢神经系统功能紊乱等则是诱发中枢敏化的主要因素。目前临床上NP的治疗方法有限，以药物治疗为主 [3] [4] 。但NP通常对目前的药物干预有抵抗，导致NP难以治疗和管理；并给个人、他们的家庭和护理人员以及整个社会带来了巨大的负担。因此，有必要寻找治疗NP的新方法。尽管NP发病的细胞和分子机制尚未完全阐明，但近年来越来越多的研究表明超极化激活的环核苷酸阳离子(Hyperpolarization activates cyclic ucleotide-gated, HCN)通道与NP发病密切相关，HCN通道有望成为预防和治疗NP药物新的作用靶点 [5] [6] [7] 。因此，本文将总结HCN通道在NP中的作用及分子机制，旨在为NP的有效药物作用靶点提供理论依据和新的策略。

2. HCN通道

HCN通道是一种电压门控阳离子通道，在膜电位大于−50 mv时激活，主要对Na⁺和K⁺离子通透。HCN通道电流也被称为“有意思的电流(Funny current, If)”或“超极化激活的电流(Hyperpolarization-activated current, Ih)”，通常HCN通道电流在心脏中被称为If，在神经元中则被称为Ih [8] [9] 。HCN通道在心脏以及中枢和外周神经系统中表现为四种不同的异构体：HCN1、HCN2、HCN3和HCN4。其中HCN通道在神经系统的不同区域广泛表达，包括周围神经、背根神经节、脊髓背角和大脑等部位 [10] [11] ；尽管4种不同类型的HCN通道在神经系统均有表达，但HCN1和HCN2表达更为丰富 [12] 。研究表明HCN通道亚型的结构和分布、它们在生理条件下对神经元活动的影响以及它们表达和功能的改变，与NP、癫痫和情感障碍等多种神经精神疾病的发生、发展存在关联 [11] 。因此，把HCN通道作为治疗靶点以及战略性地设计药物特异性作用于特定的HCN亚型或其辅助亚基，是治疗相关神经精神疾病的新思路 [11] 。

3. HCN通道在NP中的作用

HCN通道在周围神经系统中广泛表达，有趣的是，神经元HCN电流(Ih)在不同的神经元中具有不同的生物物理特性，这可能部分是由神经元中表达的HCN亚基的异质性引起的 [11] 。背根神经节(Dorsal root ganglion, DRG)是感觉传导的初级神经元，也是NP治疗的重要靶区。HCN通道的Ih存在于DRG中，HCN通道对K⁺和Na⁺的可通透性是调节动作电位节律性生成的去极化基础，有助于膜静息电位、可传播的突触电位和发生器电位的形成。DRG中表达最为显著的HCN亚型是HCN1，其它亚型在所有DRG神经元中的表达水平均较低；且Ih主要见于大中型DRG神经元。HCN通道表达或功能失调可能与NP的发病机制有关：在脊神经已结扎的DRG神经元中HCN1及HCN2 mRNA和蛋白质都减少；在周围神经系统中，起搏仅在发生神经损伤并导致NP时出现，因此NP中的起搏也称为异位放电 [13] 。研究揭示初级传入神经元兴奋性和持续自发活动的持久增加在外周诱发的NP发作和维持中起重要作用，上述现象部分是由HCN通道的调节、活性和/或表达引起的增加 [14] [15] 。实验证实坐骨神经慢性压迫损伤(Chronic constriction njury, CCI)模型大鼠DRG中轴突HCN通道在受损脊神经的异位放电中起重要作用，并有助于NP大鼠机械性触诱发痛的发展 [2] ，ZD7288 (一种特异性的HCN通道阻断剂)则显著抑制CCI模型大鼠受损伤神经纤维的异位放电和抑制机械性触诱发痛 [16] 。

周围神经损伤后的慢性疼痛与感觉神经元中的传入过度兴奋和HCN介导的Ih电流的上调有关 [17] ：镇静止痛药右美托咪定(Dexmedetomidine, Dex)减轻了NP，这种效果可能是由于HCN电流的抑制；用Dex或ZD7288治疗的CCI大鼠减少了机械和热痛觉过敏，且Dex减轻NP的效应可能是由于DRG神经元中Ih电流的抑制 [18] 。因此，HCN通道构成了治疗慢性疼痛的有吸引力的目标。在改进的L5-脊髓神经轴突切断术(Spinal nerve axotomy, SNA)模型中，L4 CL5-脊髓神经轴突切断术纤维伤害感受器和Aβ-低阈值机械感受器术后7天表现出异常自发活动：C-纤维伤害感受器中伴随着Ih幅度、表达Ih的神经元百分比和Ih激活率均显着增加；ZD7288则可抑制C-伤害感受器而非Aβ-低阈值机械感受器的异常自发活动，并导致C-伤害感受器膜超极化和Ih激活率降低。上述事实表明HCN通道参与了L4神经损伤的C-纤维伤害感受器的异常自发活动，ZD7288通过改变Ih激活特性和/或引起L4 C-纤维伤害感受器膜超极化而发挥其镇痛作用 [19] 。总之，上述研究表明Ih参与了与NP相关的外周敏感化的发展和维持，可能是未来新型镇痛药作用的靶点 [2] [5] 。

在神经系统，HCN2异构体以类似方式充当“疼痛起搏器”，因它在伤害性神经元中的活性对于维持电活动和病理性疼痛状态下的慢性疼痛感觉至关重要 [20] 。感觉神经元中HCN2的药理学阻断或基因缺失可在各种炎症性和NP动物模型中提供强有力的疼痛缓解，而对急性疼痛的正常感觉没有任何影响。

在中枢神经系统中，HCN通道各亚型在脑中分布不均一，提示它们可能在不同脑区对不同功能起特异性的调节作用。研究证实NP模型大鼠丘脑中的HCN1和HCN2亚基表达均增加；而ZD7288呈剂量依赖性地减弱慢性疼痛大鼠的机械触诱发痛和热痛觉过敏 [21] 。腹侧中脑导水管周围灰质(vlPAG)是痛觉调制的一个重要部位，研究证实CCI术后14天模型动物腹外侧导水管周围灰质内检测到HCN1和HCN2通道表达上调，ZD7288显著缓解动物的机械性触诱发痛和热痛觉过敏；该结果表明腹外侧导水管周围灰质内HCN通道表达上调在NP维持中起重要作用，可能是减轻NP的药物靶点 [7] [22] 。

4. HCN通道参与NP的发病机制

HCN通道参与NP的发病机制是由不同的信号转导通路来调节的。

4.1. D1受体(D1R)信号传导

前扣带皮层(Anterior cingulate cortex, ACC)的神经元过度兴奋被认为是导致NP慢性化的最重要的病理变化之一 [23] 。多巴胺通过D1受体信号传导调节HCN通道来抑制小鼠ACC的锥体神经元。在慢性NP小鼠，全身性给予L-DOPA可挽救HCN通道活性，使ACC中的锥体神经元兴奋性正常化，并阻断机械性和热触诱发痛(Allodynia)。因此ACC锥体神经元的多巴胺能D1R的抑制可在生理条件下发挥镇痛作用，并在慢性NP中降低 [6] 。

4.2. cAMP-PKA信号通路

伤害感受器的动作电位放电频率是疼痛强度的主要决定因素，可触发动作电位的调质包括HCN通道，它在膜超极化后产生内向电流Ih。HCN2的基因敲除去除了Ih的cAMP敏感成分，并消除了伤害感受器中cAMP升高所触发的动作电位放电，而且NP是由HCN2驱动的Na(V)1.8动作电位放电所引发的 [17] 。由此可见，HCN2通道在炎症和NP中起核心作用。鞘内注射ZD7288、cAMP抑制剂SQ22536和PKA抑制剂H-89对糖尿病NP大鼠伤害性行为影响的研究结果表明，脊髓背角的HCN通道参与糖尿病NP大鼠触诱发痛的发病机制是由cAMP-PKA信号传导来调节的 [24] 。可以预见HCN通道和cAMP-PKA信号途径是糖尿病NP患者痛觉过敏治疗的潜在靶点。

研究显示与疼痛的情感方面有关的内侧前额叶皮层(Medial prefrontal cortex, mPFC)表现出高HCN通道表达。使用Long-Evans大鼠选择性神经损伤(Spared nerve injury, SNI) NP模型和对侧mPFC的II/III层锥体神经元中的膜片钳记录，SNI神经元中Ih的电压依赖性激活发生超极化变化，而最大Ih保持不变，SNI mPFC锥体神经元的输入阻抗和兴奋性增加，并促进谷氨酸能mGluR5介导的持续放电。而Br-cAMP的细胞内应用消除了SNI神经元中Ih电压依赖性激活的超极化转变，蛋白激酶A抑制进一步促进了SNI和假神经元中的这种转变。在SNI大鼠mPFC中局部注射HCN通道阻断剂ZD7288可降低触诱发痛 [21] 。上述发现表明mPFC神经元中cAMP/PKA信号轴可调节HCN通道功能，进而影响神经病变中疼痛传导通路的下行抑制。mPF在NP中的作用研究提高了人们对情感和认知因素如何影响疼痛感知的认识。电生理学和行为学证据支持HCN通道和cAMP/PKA信号轴在促进神经病变动物mPFC锥体神经元的过度兴奋和持续放电中的重要作用。

HCN2通道可调节伤害性感觉神经元的放电频率，因此在炎症和NP状况中都发挥着核心作用。伊伐布雷定是一种使用依赖性阻断剂，可阻断在小感觉神经元中表达的天然HCN通道。伊伐布雷定抑制了由细胞内cAMP升高而在伤害性神经元中诱导的动作电位放电 [17] 。在NP的神经损伤和化疗模型中，伊伐布雷定通过阻断外周伤害性神经元中依赖HCN的重复放电，可以迅速抑制炎症性疼痛和NP。综上所述，cAMP-PKA信号通路在HCN通道介导的NP中起关键作用。

4.3. α2受体

HCN通道的功能变化已被证明有助于周围神经损伤后mPFC过度兴奋 [25] 。使用Long-Evans大鼠NP的SNI模型，神经损伤的mPFC内的去甲肾上腺素能神经支配显着增加。mPFC的II/III层锥体神经元中的α2受体可调节HCN通道的电压依赖性激活和周围神经病变后的异常前额叶兴奋性。此外，在神经病变大鼠的mPFC中微量注射α2受体激动剂可乐定产生镇痛作用，表明该去甲肾上腺素能通路在慢性疼痛状态表现中的行为意义 [25] 。该研究结果揭示了皮质儿茶酚胺能神经在NP中的调节作用，而且在几种慢性疼痛状况中观察到去甲肾上腺素能转导的变化在HCN通道功能障碍和锥体细胞过度活跃中起主要作用。

4.4. 5-HT7R

NP是由周围神经系统、脊髓和脊髓上区域的神经元功能的长期改变引起的。ACC神经元过度兴奋不仅是NP慢性化的最重要的病理变化之一 [26] ，而且ACC神经元兴奋性的变化在慢性疼痛的负面情绪和情感方面也起着关键作用 [27] 。ACC神经元的胞体和树突全细胞膜片钳记录发现坐骨神经损伤导致第5锥体神经元树突中HCN通道的活动依赖性功能障碍，导致兴奋性突触后传入的整合增强和神经元放电增加。5-羟色胺受体7 (5-HT7R)的特异性激活通过增加HCN通道功能、恢复正常树突整合和降低体内神经损伤动物的机械疼痛超敏反应来减轻神经损伤诱导的病理变化 [10] 。5-HT7R激动剂LP-211减少了ACC第5层锥体神经元中的突触整合，由于树突HCN通道的功能障碍，这种整合在NP中得到增强。急性给予LP-211具有镇痛作用，增加了NP动物的机械性缩足阈值，部分是由ACC的作用介导的。此外，LP-211的急性应用阻断了有害刺激引起的逃避/回避行为的转换 [27] ，5-HT7R激动剂进行全身治疗会导致ACC的调节，从而抑制慢性疼痛的感觉和情感方面。因此，前脑水平的5-羟色胺能神经调制可逆转由NP引起的树突状功能障碍，并可能代表一个潜在的治疗靶点。

4.5. CaMKII

Liu等的证据表明，在奥沙利铂诱导的NP大鼠模型中HCN2表达上调，鞘内注射HCN特异性抑制剂ZD7288可降低HCN2水平，并减弱NP行为。HCN特异性抑制剂ZD7288给药抑制了奥沙利铂引起的神经元钙调蛋白依赖性激酶II (CaMKII)/环磷酸腺苷反应元件结合蛋白级联反应的增强。此外，CaMKII抑制剂KN-93的预处理抑制了伤害行为以及HCN2过表达诱导的NR2B调 [28] 。总之，HCN2通过激活神经元CaMKII/CREB级联，有利于奥沙利铂诱导的NP。

4.6. mTORC1信号传导

大脑中富集的小GTPase Ras同源物(Rheb)可以激活哺乳动物雷帕霉素靶标(mammalian target of rapamycin, mTOR)并调节生长和细胞周期进程。Ma等研究了Rheb介导的mTORC1信号在CCI模型小鼠诱导的NP中的作用。用雷帕霉素阻断mTORC1信号可减轻CCI模型中的NP并恢复吗啡的功效。CCI模型小鼠增加了表达HCN通道的脊髓神经元的放电频率，而雷帕霉素抑制mTORC1可逆转NP中脊髓神经元活动的增加。脊髓Rheb在NP中被诱导，进而激活CCI小鼠中的mTORC1信号传导。脊髓Rheb-mTOR信号在调节NP中的脊髓敏感化中起重要作用，靶向mTOR可能为疼痛管理提供新的策略 [29] 。

4.7. 其它调节

大量研究表明，周围神经损伤会增加脊髓和大脑神经元中Ih电流的幅度。而且，在神经损伤的实验模型中，外周轴突和脊髓和大脑区域中HCN1和HCN2蛋白通道的表达增加，选择性HCN通道抑制剂(如伊伐布雷定和ZD7288)对NP具有镇痛作用。HCN通道活性可能受内源性阿片类药物和环氧合酶-2调节，而这些通道的激活可能调节P物质的作用和脊髓N-甲基-D-天冬氨酸受体亚基的表达2B调节疼痛 [15] 。研究也发现ACC椎体神经元过度兴奋可能是由于mGluR1的上调和涉及PKC激活的下游通路和NP早期HCN1的下调所致 [30] 。

5. NP的靶向治疗

HCN通道在多种细胞和组织中表达，控制兴奋和节律。自从在神经元和心脏起搏细胞中发现它们以来，HCN通道作为有望成为调节相关生理或病理生理机制的新靶点，引起了药物化学和药理学相关研究者的关注。鉴于在伤害性感受和NP中的作用，HCN通道是开发新型镇痛药和抗痛觉过敏药的理想靶点 [31] 。

HCN通道各个亚型在神经系统中分布的差异决定了其作用的差异性；不同HCN亚型或异构体参与中枢和外周神经系统生理或病理生理机制的相关证据也逐渐被揭示。另外，与NP相关的病症是多种多样的，中枢或周围神经系统的病变和/或病理变化但并非总是被发现，且很难治疗，患者需经常服用多种不同类别的药物，所有药物都有明显的不良副作用。基于以上原因，迫切需要开发针对单个HCN异构体和/或其辅助亚基的药物，为治疗不同的NP提供有价值的手段 [11] [32] 。

以周围神经系统中富含HCN1的细胞为目标的镇痛剂必须保留起搏器电流(主要由HCN2和HCN4携带)。烷基取代的异丙酚类似物在HCN1抑制、GABAA受体增强和全身麻醉方面是比丙泊酚更有效的HCN1拮抗剂 [33] 。因此烷基酚抗痛觉过敏的靶点可能是受损周围神经系统中的HCN1通道。三叉神经损伤引起的口面NP是一种治疗选择有限的疾病。半月神经节中HCN1通道活性的增加直接导致三叉神经损伤引起的NP。因此，靶向半月神经节中的HCN通道活动可能为包括三叉神经痛在内的三叉神经病变提供替代治疗。此外，化疗引起的外周NP (Chemotherapy-induced peripheral neuropathy, CIPN)是药物治疗癌症最常见的副作用。研究报道奥沙利铂治疗大鼠DRG经元中HCN电流的增强，HCN2表达下调和HCN调节性β亚基MirP1上调；选择性HCN1抑制剂MEL57A有减少奥沙利铂治疗大鼠痛觉过敏和触诱发痛的效应，而没有心脏影响 [1] 。该研究提供了HCN1在化疗引起的外周NP中具有疾病特异性作用的证据，并提出HCN1选择性抑制剂作为新一代止痛药物，具有理想的疗效和安全性。

HCN2亚型在痛觉感受器中表达，其在痛觉感受器放电中的作用现已得到很好的证实，使用药物阻断和靶向基因缺失的临床前工作已经证明它们是炎症性和神经性疼痛所必需的：在坐骨神经损伤模型中，痛觉感受器中HCN2选择性缺失的小鼠对热、冷或机械刺激的敏感性没有增强；在化疗诱导的神经病变模型中，选择性阻断HCN1/HCN2可降低体外神经元兴奋性和体内热超敏反应；而且外周限制性HCN2阻滞剂对心脏和中枢神经系统无不良影响 [32] 。虽然目前还没有HCN2特异性拮抗剂被批准用于人类，但伊伐布雷定(Ivabradine)定作为非选择性HCN拮抗剂用于慢性心绞痛和心力衰竭的治疗。来自于小鼠的数据表明高浓度的伊伐布雷定与加巴喷丁(Gabapentin, GBP)具有相等的镇痛作用。伊伐布雷定慢性疼痛的首次人体试验结果有所不同：虽然该药对非糖尿病性疼痛患者没有明显镇痛效果，但在高剂量下对糖尿病NP患者有效。特别是由于该药不能穿过血脑屏障，因此没有目前许多NP药物的中枢神经系统副作用的困扰，具有良好的耐受性，其镇痛潜力值得在临床试验中进一步研究 [24] 。另外有实验证实一种新型化合物MEL55A能够选择性阻断HCN1/HCN2异构体能够调节DRG神经元的电生理特性，从而产生缓解NP的活性 [34] 。总而言之，上述研究说明对心脏和中枢神经系统无不良影响的外周限制性HCN2阻滞剂对于NP的治疗非常有前景，但目前仍然需要更多选择性药物来确定HCN2对人类疼痛管理的作用 [8] 。

HCN3也是神经元中负责超极化激活电流的主要通道之一，细胞电生理实验显示HCN3可能是中DRG神经元中占主导地位的HCN亚型，并在形成Ih的形成中发挥作用。神经损伤的HCN3基因敲除小鼠表现出与野生型小鼠相似水平的机械性触诱发痛和热痛觉过敏，但对针刺的反应降低了机械性痛觉过敏。这些结果表明HCN3有助于Ih电流的产生，对兴奋性有一定贡献，特别是在中等大小的神经元；对神经损伤后的机械性痛觉过敏有中度影响，但在其它疼痛模式中不发挥主要作用 [35] 。因此，目前NP治疗中靶向NCN3的实验研究较少。

HCN4是窦房结著名的起搏器通道，少数三叉神经节和DRG神经元中也有表达；在中枢神经系统中，HCN4在嗅觉神经元和丘脑皮质神经元中表达，也有报道称HCN4是脊髓背角中最常见的HCN亚型。神经损伤后脊髓背角中HCN4的表达上调 [26] 。脊髓和外周神经系统中表达的HCN4通道可能是异常痛的潜在治疗靶点。目前已有药物–加巴喷丁(Gabapentin, GBP)进入临床实践，在临床上被广泛用于治疗癫痫和NP；而HCN4通道就是GBP针对NP和抗惊厥作用的候选分子靶点。实验证实使用来自非洲爪蟾卵母细胞中表达的人类HCN1、HCN2和HCN4通道的双电极电压钳记录来测试GBP的影响，发现GBP通过HCN4通道 $V_{1/2}$ 中的超极化转变降低了HCN4通道介导的电流 [36] 。GBP的HCN通道亚型选择性为研究中枢神经系统中的HCN4通道功能提供了独特的工具。

6. 结论与展望

NP源于神经系统的损伤或与NP相关的中枢或周围神经系统的病变，很难治疗；患者需多种不同类别的药物治疗，且药物均有明显的副作用。鉴于HCN异构体参与NP的中枢敏化和外周敏化的研究进展，靶向特异HCN亚型代表了该领域的一个有吸引力的发展方向，研发对参与伤害感受的HCN通道异构体具有选择性的小分子药物可能是一种针对NP的安全有效的策略。

NOTES

^*通讯作者。