离子通道与癫痫

1、离子通道与癫痫发稿时间：2010-3-14 摘要：离子通道在调解神经元的兴奋性方面有十分重要的作用。离子通道与癫痫关系的研究日益受到重视。本文在这里着重阐述了几种目前研究较多的离子通道与癫痫的关系、离子通道基因突变与癫痫方面的研究。随着对离子通道与癫痫关系的研究，开发出许多专门针对离子通道的药物，在这里也简要介绍了这些药物的研究进展。 离子通道是所有真核生物细胞维持正常生理功能必须的一大类跨膜蛋白，是大脑思维、心脏跳动以及肌肉收缩等细胞电兴奋产生和传导的基础。对于兴奋的细胞,离子通道负责其膜电位的静息和兴奋。近年来随着分子生物学和膜电钳电生理技术的发展,许多编码离子通道蛋白的基因己被克隆、表达

2、和定性。过去几年来的研究也不断证实和发现离子通道的遗传缺陷和许多神经系统遗传性疾病和遗传易感性疾病之间有着密切的关系。癫痫是其中的疾病之一，癫痫的特征是中枢神经元兴奋性升高，其中最主要的特征是一些中枢神经元会作爆发式放电。近年来研究较多的有钠、钾、钙、氯、氢等离子通道。其与癫痫的关系现分别讨论如下。 1.钾离子通道良性新生儿家族性惊厥(Benign Familial)是一种常染色体显性遗传病,与KCNQ2和KCNQ3通道基因突变有关。KCNQ2和KCNQ3钾离子通道分别由位于染色体20q133的EBN1和位于8q24的EBN2表达1。通过对家系的研究表明,KCNQ2上的基因缺陷包括两个错义突变

3、,两个框移突变,一个剪切位点突变。这些突变有的在碳氮末端,有的在膜孔域。而KCNQ3上的基因缺陷仅有一个在膜孔域第177位点上由甘氨酸取代缬氨酸的错义突变。这些突变会影响钾离子通道的功能,导致膜复极化时程变长,神经兴奋性增强。另外,有研究表明,KCNQ2和KCNQ3通道亚基可形成异四聚体共同参与M电流的形成2。M电流是一种慢激活/失活的钾电流,它在决定电活性阈值及突触传入的反应中起重要的作用。KCNQ2或KCNQ3的基因突变导致M通道的功能下降,钾离子流减少或消失,受累神经元因此可兴奋性增强,引起癫痫。KCNA1基因编码电压门控Kv11通道的亚单位,它位于染色体12P13上。其突变可导致发作性

4、共济失调(EA)。EA为一种遗传性小脑及周围神经电压门控性钾离子通道病。有数据表明:EA的患者患癫痫的比例高出正常人10倍3。说明Kv11为癫痫的侯选基因之一。其致病机制可能为突变亚单位对钾离子通道有负性作用,延迟了神经元的复极化,因此易化了动作电位的产生和传导,降低了癫痫的发作阈值。GIRK2突变与癫痫发作有关。在GIRK2亚单位膜孔域上的突变导致蛋白质分子构型改变,使通道失去了对钾离子的选择性,也失去了对G蛋白二聚体的敏感性,这种突变通道还可导致wv小鼠脑颗粒细胞的死亡。死亡原因为失去GIRK2介导的钾离子电流而不是非选择性的其他正电流的表达。KCNAB2基因定位在1p36上,它编码电压门

5、控钾离子通道亚单位蛋白Kv2。它与1p36缺失综合征中的癫痫表型有关。1p36缺失综合征主要表现为智力障碍并发癫痫发作、听力丧失、发育迟缓、口唇裂等。Kv亚单位在钾离子通道早期的生物合成、稳定及Kv1亚单位的表达中起一定的作用。Kv亚单位由至少三个基因表达KC-NAB1,KCNAB2,KCNAB3。在哺乳动物的大脑中,KC-NAB2表达的Kv2占主导地位。所以Kv2表达水平的下降会减少膜的功能性钾离子通道,进而减少钾离子流,这可能会增加动作电位的时程,导致钙离子内流增多,神经递质释放增加,进一步导致神经元的过度兴奋,癫痫发作的阈值降低。4 2钠通道和癫痫 1997年,Sheaffer等发现了一

6、个遗传性癫痫家族。这个家族的5代人共60个体中有23人患有癫痫。表现为伴有高热惊厥的癫痫综合征(general-ized epilepsywith febrile seizures plus)。Mulley等研究发现此家族的染色体19上的基因突变导致了癫痫,并且认为这个突变的基因是电压依赖性钠通道 1辅基的基因SCN1B。哺乳动物脑组织钠通道含有和1辅基。1辅基是一种膜蛋白,有一个小的胞内域、一个穿膜结构和一个大的胞外域,可以调节通道开关的速率。突变导致了辅基上的一个氨基酸发生改变,使钠通道的开关速率变慢5。体外实验发现,人类突变的1亚基与大鼠钠通道RBII亚基的共表达可以延长神经元去极化的时

7、间。但为何钠通道的突变可产生不同类型的癫痫症状,目前尚不清楚。常见的高热惊厥具有年龄依赖性。临床上将6岁作为高热惊厥诊断的年龄界限,90%的患者在3个月以前发病,而6岁以后则不再发作。而基因突变产生的高热惊厥往往没有年龄限制,即使在6岁以后仍有发作。Peiffer等发现普通高热惊厥的相关基因(FEB3)定位在染色体2q23-q246,与上述多种离子通道相关的位点邻近。最近,新发现一个与癫痫相关的钠通道基因-SCN5A基因,它位于染色体3p24,以前认为它只在心肌组织表达,但通过原位杂交和PCR技术发现在大脑边缘系统如梨状皮层和杏仁核也有其mRNA7。边缘系统是大脑各区中放电阈值最低的,而且心肌

8、组织若发生此类钠通道的基因突变可导致钠内流延长,细胞去极化,心电图表现为QT间期延长,心动过速和室颤。因此,边缘系统SCN5A基因的突变可能是癫痫的分子机制之一。 3钙通道和癫痫尽管在人类尚未发现与癫痫相关的钙通道基因突变,但在小鼠却发现了四种基因突变可导致失神发作和皮层棘波放电,这四个突变的基因位点分别编码电压依赖性钙通道的四个亚基。钙通道是膜兴奋,递质释放和基因表达的重要调质。有实验表明,上述四种突变的任一种都可以改变钙内流,但其致癫痫的机制尚不清楚。蹒跚小鼠的基因突变改变了Purkinje神经元钙通道的12个形成孔道的亚基中的一个,从而直接影响了P/Q型钙流8。昏睡小鼠则是4个亚基中的4

9、亚基的突变,而亚基对亚基有调节作用,它并不影响P/Q型钙流。研究发现,有一对新亚基可以与其余3个未突变的亚基结合,使突变不会对P/Q型钙流产生影响,这个现象称为改组(reshuf-fling)9。通过递质释放的研究发现,改组所产生的功能挽救作用是明显的,这可以解释为什么P/Q型钙流的减少会导致选择性的损害。神经元钙流的减少导致过度兴奋,可能是由于神经环路和突触前的改变。丘脑皮层间的来回摆动式(Oscillations)的信息传递环路对微小的兴奋或抑制都十分敏感,而兴奋性递质和抑制性递质间的不平衡可能引起神经网络的同步活动。如果抑制性突触的递质释放下调,就会形成过度兴奋,如蹒跚小鼠的新皮层和丘脑

10、。但Kv1.1的突变有些特殊,它可使细胞复极化过程减弱,从而引起抑制性突触和兴奋性突触的活动都增加,也可导致癫痫,这可能与特定神经环路的兴奋阈值有关10。 4.氯通道缺陷与癫痫氯通道病分为先天性和获得性两种。离子通道基因的任何缺陷可导致其表达产物的结构和功能改变。现已明确基因突变是氯离子通道功能紊乱的重要原因。不同类型的基因突变可以出现各种各样的临床表现，遗传形式和突变程度共同决定了表现不一，但严格选择的氯通道病。现在研究表明许多特发性和症状性癫痫的发病都与氯离子通道的异常有关。氯离子通道不同类型的基因突变可以出现多种临床表型,失神发作、肌阵挛发作、全身强直阵挛发作,家系存在氯通道CLCN2基

11、因597insG 单核苷酸插入突变、S2-14delll 基因片段缺失突变和G2144A 点突变,上述突变引起的膜氯通道功能改变能够解释癫痫个体的临床表现。青少年肌阵挛癫痫、全面癫痫伴热性惊厥附加症、儿童失神发作存在编码氨基丁酸-A 受体_1、_2或等亚单位的基因突变,这些基因突变可以改变配体门控氯通道功能,与癫痫发作密切相关11。 5.有些研究表明氢离子通道的病变与癫痫的发作也有关系，现在已开发出许多通过作用于氢离子通道起作用的药物。 6.作用于膜通道的化合物伴随着对离子通道在癫痫发病中作用的研究也开发出以离子通道为靶点的药物。 6.1K+通道开放剂1998年发现两种新的罕见的遗传性癫痫的基

12、因(症状表现为良性家族新生儿惊厥),第一次使我们了解到人类自发性癫痫的分子病理学机理。这些疾病基因编码了神经元M型的K+通道的亚单位,而这些K+通道正是大脑兴奋性的关键调节者,激活K+通道可以减少细胞的兴奋性。K+通道开放剂成为治疗兴奋性过高引起的疾病如癫痫、神经性疼痛、急性局部缺血性中风和神经退化性疾病的药物候选者。瑞替加滨(retigabine,D-23129,D-20443),一种具有广谱抗惊厥作用的新型抗癫痫化合物,能抑制4-氨基吡啶诱导的癫痫发作,激活神经元细胞的K+内流,增加了EPSP的持续时间,已被成功的用于癫痫病的治疗。氟羟吲哚结构的K+通道开放剂,正在被发展成治疗急性局部缺血

13、性中风的神经保护剂12,对神经元上K+通道的两个受体亚型(一种是Ca2+激活,高传导性的KCa通道,另一种是电压依赖的非激活性KCNQ通道)是强效开放剂,对于治疗癫痫的有效性需要实验进一步证实。 6.2Na+通道抑制剂动物实验、人的慢性癫痫组织上的功能研究以及癫痫病人及其家庭的基因学研究均表明,多种形式的癫痫可能有着共同的病理机制,例如:电压门控的Na+通道的改变,因此调节Na+内流的药物依然是令人感兴趣的候选药物。卢非酰胺(rufinamide,CGP-33101)与处于非激活状态的Na+通道相互作用,限制在神经元上高频率的开放,减少癫痫的发作频率13。它不涉及一系列的神经递质系统,包括GA

14、BA、NMDA等的结合位点,保护指数在啮齿动物的癫痫模型中比其他抗癫痫药物高很多,tmax为3.4 h,平均半衰期为7.3 h。卢非酰胺无自身诱导的代谢物产生,与卡马西平,苯妥英钠,以及丙戊酸钠合用时,不影响这些药物的血浆浓度。卢非酰胺和其代谢物脱甘氨酸卢非酰胺均具有抗癫痫活性,部分作用是通过对电压门控的Na+通道的抑制来实现的,还有一部分作用可能是通过NMDA受体的拮抗作用来实现。卢非酰胺和其甘氨酸代谢物的药代动力学特征比较简单,具有肝酶诱导作用,与其它抗癫痫药合用时会减低其它药物的血浆浓度。临床研究表明卢非酰胺的活性甚至不如卡马西平,而且它对癫痫发作的治疗作用中等,还有明显的戒断症状。卢非

15、酰胺分子结构图索瑞托胺(soretolide,D-2916),目前正处于期临床研究阶段14,抗惊厥活性与卡马西平类似。在大鼠实验中,发现其存在与性别相关的代谢机制,雌性异口恶唑环上的甲基可以羟基化,形成活性代谢物D-3187,从而有着更高的血药浓度和更长的半衰期。 6.3Ca2+通道抑制剂低电压激活的Ca2+通道在睡眠或癫痫发作时的神经元启动中起重要作用,基于这种T型Ca2+通道家族成员在脑中的分布和门控特性,可以设想它在神经元的电应激性中会起到重要的作用,这也意味着它可能成为新的药物靶点。Safinamide(NW-1015),对于多种化学和机械诱导的动物癫痫模型有着广谱的活性,它是一种Na+和Ca2+通道的拮抗剂,同时又能抑制单胺氧化酶B,正在被研究用于治疗癫痫、帕金森病、疼痛和中风15。目前还发现纯生物毒素芋螺毒素可作用于电压敏感的钙离子通道（VSCC）和钠离子通道16。虽然脑组织因为有血脑屏障的存在而免受血液中抗体的影响，在一些癫痫病人中发现脑中有谷氨酸受体的抗体，在一些接受免疫治疗的癫痫患者当中发现了钾离子通道的抗体。有些人认为电压门控钾离子通道的抗体在治疗难