疼痛离子通道TRPA1研究进展

疼痛离子通道TRPA1研究进展冯昌盛综述黄宇光审校(北京协和医院麻醉科100730)摘要有关疼痛的离子通道研究是近年来国内外研究的热点。2004年人们在研究声音的传导中发现TRPA1离子通道，2007年发现其在疼痛方面的作用，最近又发现了TRPA1在临床麻醉的价值。本文就近几年对TRPA1的有关研究进展作一综述。关键词离子通道TRPA1疼痛麻醉一TRPA1的释义TRPA1旧称为ANKTM1（1-锚定样蛋白）,TRPA1的英文全称为：transientreceptorpotentialcationchannel,subfamilyA,member1[1]。中文译为：瞬间受体电位离子通道，大家习惯性简称其为瞬间受体电位。其实TRPA1只是瞬间受体电位大家簇的一员，TRPA1蛋白具有14氮-末端,锚定蛋白重复序列，其基因位点为8q13，人的TRPA1蛋白分子量为127,379Da。TRPA1最初被认为是机械性刺激的感受器[2]，这种特异蛋白的很多功能还没有确定，但后来的研究表明它在信号传导和生长调控中起重要作用。近年来随着对此蛋白研究的不断深入，研究者们发现了TRPA1的更多特点。二TRPA1在听觉方面的研究Garcia-Añoveros[2]等人在上世纪九十年代末期开始研究TRPA1。Garcia-Añoveros和同事确证实TRPA1蛋白存在于毛细胞的实体纤毛中。实体纤毛是内耳用于听以及检测重力并维持平衡的细胞的感觉部分。在他们发现TRPA1在内耳的听觉器官——Corti中表达后，哈佛医学院的同事加入了研究，并且为2004年提出TRPA1是毛细胞机械力感受通道的候选奠定了人力基础。在新的研究中，美国西北大学的研究人员还证明TRPA1通道呈现出了毛细胞传感器和其他已知通道没有的特征的一种独特的联合。这些相似性清楚地表明TRPA1是我们在接收声音时为声音而开启、起始最终到达大脑的电信号级联的通道孔。三TRPA1在疼痛方面的研究在哺乳动物外界环境中潜在的危险信号通过疼痛传导通路上的神经节被察觉，周围神经传导系统上的特定神经节叫疼痛感受器，它可以把有害的化学性的、热的、机械性的刺激整合成信号传到中枢神经系统。众所周知，诸如组织损伤、炎症类伤害刺激会激发大量分子的产生，这包括肽类（缓激肽）、脂类（前列环素）以及受损区域的很多其它小分子。这些化合物能使疼痛感受器发生去极化，把有害信号传到大脑。尽管做过大量的研究，但传递化学信号的通道还不清楚。目前，考虑有几个离子通道，包括ATP激发通道（P2X受体）、酸性物质激发通道（ASICS）、香草类瞬间受体电位（TRP）通道[3]。尽管人们知道有很多化学物诱发疼痛，但仍不知是什么通道对大量的化合物整合成信息。令人兴奋的是，在近期出版的《神经科学》杂志上Macpherson等人提供了可信的资料显示：来自TRP家簇成员的TRPA1（ANKTM1）对体内外大量的化学性伤害分子有很广的特异性。其可以作为中枢化学疼痛感受器[4]。TRP超家簇离子通道易被机械性和选择性激活。其广泛分布在哺乳动物组织中，他会对外界很多信号作出反应，包括温度、疼痛、渗透压、触摸、味道、PH、信息素等刺激[5]。对于这些离子通道虽然进行了大量研究，但有两个核心问题任然未解决：(1)这些通道是如何激发的？（2）它们的生理机制？Macpherson等人的给出了可信的证据来回答这两个问题。至少是TRP家簇的一员，TRPA1通道[4]。TRPA1是TRP家簇特殊的一员，最初被报到能感知有害的冷刺激[6][7]，TRPA1通道能被众多外源性有机小分子以化学形式激活，包括辣根、大麻、大蒜、芥子油[8]。但到目前为至还没有发现对来自胞内微环境中内源性化学性激活物还没有。研究者们运用钙离子及荧光成像技术对大量的化学物进行测试其激发TRPA1通道的能力。他们发现一个很常见的能诱发疼痛的化合物甲醛就能够激活TRPA1通道。更有趣的是，他们还发现内源性化合物4-HNE在达到生理浓度(EC50=13ｕM)时也能够激活TRPA1通道，运用里外单向膜片嵌技术证实了这些化合物能激发TRPA1电流[9]。这是首次在组织损伤和氧化应激中内源性化合物被证实能激活TRPA1通道，最近另外一个研究小组在对4-HNE作用于TRPA1通道的研究也得到了证实[10]。这显示出存在内源性TRPA1配体及其它TRP通道。接下来Macpherson及其同事对TRPA1通道的生理作用进行了研究，他们运用TRPA1剔除大鼠在化学损伤和疼痛条件下研究了TRPA1通道主要作用，他们发现在TRPA1剔除大鼠背根神经结中由甲醛诱导的钙内流或电流完全消失了，他们认为在这种非选择性反应化和物中TRPA1是主要的传导效应器。有趣的是，由其它几种化合物如TRPA1剔除幼鼠碘乙酰胺（IA）和芥子油诱导的钙内流或电流在TRPA1剔除大鼠也完全消失了。在对野生型大鼠和TRPA1剔除幼鼠进行的疼痛行为学测试中发现，TRPA1剔除幼鼠在注射碘乙酰胺后疼痛反应明显降低。这些试验强有力地证实了，TRPA1通道在对组织损伤中产生的致疼化学性化合物中扮演了重要角色。我们可以推断出，有的电传导在组织损伤产生的致疼化学性化合物中发挥了枢钮作用。四TRPA1在麻醉中的研究几十年来，医生们都知道，施行全身麻醉可能导致患者出现暂时性灼烧感，或在注射部位出现肿胀。同样的，吸入型替代品可能导致暂时性咳嗽，这一发现由华盛顿乔治敦大学医院药理学家GerardAhern提出。现在，Ahern已经发现有些能使患者进入睡眠的药物可能同样会导致术后疼痛加剧，因为它们加速了痛觉神经元上一种被称为TRPA1的蛋白质活性。Ahern和他的同事们发表在美国《国家科学院学报期刊》上的文章称麻醉学家们应当寻找不会导致患者术后疼痛加剧的麻醉品。“要弄清这些危害性的原理，”纽约WeillCornell医学院教授HughHemmings说，“这样才能筛选出那些没有副作用，又能起着麻醉效果的药物。”这一研究可能会解决为什么同样的手术，有些病人抱怨比别人更加疼痛的问题，虽然研究者们尚未确定麻醉品种哪一种成分导致了术后疼痛加剧。在尝试寻找出疼痛源之时，Ahern[11]科研组调查了各类麻醉品在TRPA1和TRPV1的效果，目前已知这两种蛋白质能感受痛觉和响应化学刺激。含有TRPA1的细胞在药物作用下被激活，而TRPV1细胞似乎不受影响。在实验鼠身上，研究者们确认当实验鼠不产生TRPA1时，它们不会表现出抽搐、暴躁，也不会像通常那样用鼻子拱地板和墙壁。这意味着研究者们知道执行麻醉的时候会带来诸如暴躁等副作用。“我们已经确认，导致麻醉后副作用的蛋白质是TRPA1。”Ahern说，“这是一个对临床医学有挑战性的发现，现在大家并未意识到麻醉品能释放如此多的化学物质，对神经细胞造成影响，从而使病人在术后承受更多的痛苦。”下一步要确认是否有更多的药物会导致手术疼痛的加剧，科研组使一组实验鼠吸入被称为异氟烷的麻醉品（应用得最广泛的全身麻醉吸入药物），另一组使用七氟烷（一般会导致温和许多的反应）。然后研究者用药物刺激实验鼠的耳朵——模拟组织损伤手术，他们发现异氟烷组的老鼠耳朵的肿痛更加急剧，并持续更长时间。“在手术中，外科医生通常使用手术刀造成组织损伤。”Ahern说，我们的研究成果表明使用全身麻醉的话，会激活更多TRPA1，会给患者带来更多痛苦。”如何消除这些药物副作用，或者发明一种药物能抑制TRPA1的影响，将是患者的福音五TRPA1在其它方面的研究Bandell[12]及其同事发现，除了有害的冷刺激外，存在于肉桂油、冬青油、丁香油、芥子油、大蒜中的天然刺激化合物都能够激活TRPA1。缓激肽（作为一种炎性肽类物质）通过G—蛋白藕联受体也可以激活TRPA1。他们进一步研究发现磷脂酶C是TRPA1激活的重要信号物质。肉桂醛作为一种特异性TRPA1激活物，可以兴奋冷致敏神经元，使实验鼠产生疼痛行为。他们的研究解释了为什么冷刺激会产生烧灼痛。科学家ArdemPatapoutian表示[13]：一些毒性化合物能直接或间接的与TRPA1蛋白的半胱氨酸结合，TRPA1的活化作用与化合物的入侵有直接的关系。有的研究者认为TRPA1的活化通过可逆性共价修饰[14]。在TRPA1剔除老鼠的一系列实验中研究者发现，TRPA1对头发细胞的转导不起决定作用，但在疼痛觉感觉神经节对机械的、冷的以及化学性的刺激的转导中起了决定性作用[15]。有研究资料显示，背根神经节TRPA1的表达是通过胞外信号-调节蛋白激酶和P38通路进行的[16]。TRPA1也会在神经系统以外表达，有人发现它跟癌基因转化过程中调控障碍有关。他们发觉TRPA1跟肿瘤抑制蛋白CYLD有密切关系，TRPA1是CYLD去泛素化的新生底物，这中泛素化会使细胞内的TRPA1蛋白净含量增加[17]。近年来TRP家簇对低温敏感的成员TRPA1和TRPM8已经被克隆出来了，这两种通道也可以被自身存在物激活，而这些物质跟人的健康和疾病有关[18]。有研究发现TRP家簇可以调节胞液游离钙离子浓度，从而推测TRPA1有调节滑膜细胞的功能，它在关节炎中参与了重要的病理反应[19]。Macpherson等研究认为TRPA1与TRP家簇成员在对外界刺激时相互间有复杂的关系[20]。六展望TRPA1是近年来研究的热点，人们正在从各方面了解其功能和作用。特别是TRPA1在疼痛和临床麻醉上的研究成究将更好地为手术患者带来福音。目前全世界各大药厂都在以TRPA1为目标蛋白，进行新型镇痛药的研究，以取代传统上使用的阿片肽类镇痛药。参考文献1ClaphamDE,JuliusD,MontellC,SchultzG(December2005)."InternationalUnionofPharmacology.XLIX.Nomenclatureandstructure-functionrelationshipsoftransientreceptorpotentialchannels".Pharmacol.Rev.57(4):427–50.2García-AñoverosJ,NagataK(2007)."TRPA1".HandbExpPharmacol(179):347–623JuliusD,BasbaumAI(2001)Molecularmechanismsofnociception.Nature413:203–2104MacphersonLJ,DubinAE,EvansMJ,MarrF,SchultzPG,CravattBF,PatapoutianA(2007a)NoxiouscompoundsactivateTRPA1ionchannelsthroughcovalentmodificationofcysteines.Nature445:541–545.5VenkatachalamK,MontellC(2007)TRPchannels.AnnuRevBiochem76:387–417.6StoryGM,PeierAM,ReeveAJ,EidSR,MosbacherJ,HricikTR,EarleyTJ,HergardenACAnderssonDA,HwangSW,McIntyreP,JeglaT,BevanS,PatapoutianA(2003)ANKTM1,aTRP-likechannelexpressedinnociceptiveneurons,isactivatedbycoldtemperatures.Cell112:819–829.7JordtSE,BautistaDM,ChuangHH,McKemyDD,ZygmuntPM,HogestattED,MengID,JuliusD(2004)MustardoilsandcannabinoidsexcitesensorynervefibresthroughtheTRPchannelANKTM1.Nature427:260–265.8VenkatachalamK,MontellC(2007)TRPchannels.AnnuRevBiochem76:387–417.9MacphersonLJ,XiaoB,KwanKY,PetrusMJ,DubinAE,HwangS,CravattB,CoreyDPPatapoutianA(2007b)Anionchannelessentialforsensingchemicaldamage.JNeurosci27:11412–1141510TrevisaniM,SiemensJ,MaterazziS,BautistaDM,NassiniR,CampiB,ImamachiN,AndreE,PatacchiniR,CottrellGS,GattiR,BasbaumAI,BunnettNW,JuliusD,GeppettiP(2007)4-Hydroxynonenal,anendogenousaldehyde,causespainandneurogenicinflammationthroughactivationoftheirritantreceptorTRPA1.ProcNatlAcadSciUSA104:13519–13524.11JoséA.Matta,PaulM.Cornett,andGerardP.AhernGeneralanestheticsactivateanociceptiveionchanneltoenhancepainandinflammationPNAS2008105:8784-878912Bandell,M.,Story,G.M.,Hwang,S.W.EidPatapoutian,AnoxiouscoldionchannelTRPA1isactivatedbypungentcompoundsandbradykininNeuron

(2004)13LindseyJ.MacphersonAdrienneE.DubinMichaelJ.ArdemPatapoutiannoxiouscompoundsactivateTRPA1ionchannelsthroughcovalentmodificationofcysteinesNature445,541-545(1February2007)14Hinman,A.,Chuang,H.H.,Bautista,D.M.,Julius,D.TRPchannelactivationbyreversiblecovalentmodification

Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.

(2006)15Kwan,K.Y.,Allchorne,A.J.,Vollrath,M.A.,Christensen,A.P.,Zhang,D.S.,Woolf,C.J.,Corey,D.P.

TRPA1contributestocold,mechanical,andchemicalnociceptionbutisnotessentialforhair-celltransductionNeuron

(2006)16Mizushima,T.,Obata,K.,Katsura,H.,Yamanaka,H.,Kobayashi,K.,Dai,Y.,Fukuoka,T.,Tokunaga,A.,Mashimo,T.,Noguchi,K.noxiouscoldstimulationinducesmitogen-activatedproteinkinaseactivationTRPA1-andTRPM8-containingsmallsensorynenrons

Neuroscience