关于神经元烟碱受体与吸入麻醉药镇痛作用的关系

【关键词】 神经元烟碱受体; 吸入麻醉药; 镇痛 吸入麻醉药（inhaled anesthetic）应用于临床麻醉160年来，由于其具有麻醉作用强、可控性好的特点，因而在全身麻醉中特别是在麻醉维持过程中依然占据主导地位。有关吸入麻醉药的研究广泛而深入，但是其镇痛作用的确切机制目前仍处于探索阶段，近年来的许多研究表明吸入麻醉药镇痛作用与神经元烟碱受体(neuronal nicotinic acetylcholine receptors，nnAChRs)有密切的关系。本文就nnAChRs以及吸入麻醉药镇痛作用与该受体的关系作一综述。 能选择性地与乙酰胆碱（ACh）结合的受体称为胆碱受体（cholinergic receptor， cholinoceptor）。位于副交感神经节后纤维所支配的效应器细胞膜的胆碱受体，对以毒蕈碱（muscarine）为代表的拟胆碱药较敏感，称为毒蕈碱型受体（M胆碱受体）；位于神经节细胞膜和骨骼肌细胞膜的胆碱受体对烟碱（nicotine）较敏感，称为烟碱型受体（N胆碱受体），将位于神经节细胞膜的受体称为N1受体，位于肌细胞膜的称为N2受体。近年来，又把N2受体称为NM(nicotinic muscle) 受体，把神经节和中枢神经系统的N受体称为NN（nicotinic neuronal）受体。 1 nnAChRs 1.1 结构 nnAChRs和γ-氨基丁酸A(GABAA)受体、甘氨酸受体、5-羟色胺(5-HT)受体等同属于配体-门控离子通道超家族成员。脑内各型nnAChRs亚型的基本形状是由嵌在细胞膜上的5个亚单位组成，中间为阳离子通道，此外，还有一个调节蛋白lynxl参与组成［1］。目前已经从哺乳动物神经系统克隆分离出12个基因编码不同的亚单位：9个含有配基结合部位的α亚单位(α2～α10)和3个不含有配基结合部位的β亚单位(β2～β4)。并非所有的α和β亚单位的组合以及单独的α亚单位都能构成有功能的nnAChRs，如α2、α3、α4和α6亚基需要与β2或β4相结合，而β亚基只有与α亚基相结合才能构成功能性受体。α亚单位的特征是其近N端处有一对半胱氨酸残基存在，这是与ACh及其他激动剂的结合位点; β亚单位被认为是nnAChRs中的结构亚单位，在维持nnAChRs结构稳定性中起重要作用。每个亚单位均由4个跨膜疏水结构域(M1、M2、M3、M4)和细胞外含亲水结构域的N端及C端组成，N端区域结合神经递质，C端亲水区域有多个磷酸化位点。阳离子通道由5个亚单位的M2跨膜段和细胞膜外的N端组成［2］。 nnAChRs包括多种异源性和同源性受体亚型。异源性受体亚型由α和β亚单位组成， 现已证明α4β2亚型(由2个α4、3个β2亚单位组成)是脑内含量最丰富的异源性nnAChRs亚型之一，另有α4β4亚型（2个α4、3个β4亚单位组成）、α3β2亚型（2个α3、3个β2亚单位组成）、α3β4亚型（2个α3、3个β4亚单位组成）等，以及3种（α3、α5、β4）或4种（α3、α5、β2、β4）亚单位构成的更为复杂的亚型。同源性nnAChRs亚型主要由α7、α8、α9亚单位组成。 1.2 分布 原位杂交方法证实中枢nnAChRs主要分布在皮质区域、大脑导水管周围灰质、基底核、丘脑、海马、小脑及视网膜等部位。不同的受体亚型在脑内有不同的分布区域。例如，大鼠α2亚型只在脚间核表达，α3、α4、β2亚型则表达的范围较广；β4亚型在内侧缰核高度表达。人脑中nnAChRs的分布也表现出广泛性的特点，如α3亚型在皮质和丘脑各核团广泛分布，而α7亚型在皮质、海马中分布较广。目前对nnAChRs亚型分布的研究还不够完善，其精确定位尚需进一步用较为精确的免疫定位法来勾画出大致的神经通路［3］。 2 nnAChRs的镇痛作用 脊髓背角的nnAChRs参与痛觉的调制，nnAChRs α4β2亚型激动剂epibatidine、ABT-594、A-85380［4］具有广谱的镇痛作用，而且不会产生类似吗啡的依赖作用和戒断症状［2，4］。 1992年Daly［5］发现蛙皮生物碱epibatidine，它是一种很强的烟碱受体激动剂，在小鼠热板实验中发现具有非常强的镇痛作用，其镇痛作用强度与吗啡相当，而镇痛效价比吗啡强200多倍，它对含有α2、α3、α4、α7的亚型受体均起作用，但选择性差，所以在其产生镇痛作用的剂量下出现了明显的毒副作用。 有关nnAChRs介导镇痛作用的确切机制仍未完全明确，但有研究发现，烟碱促进脊髓背角抑制性突触传递的作用与此密切相关。Genzen等［6］利用新生小鼠脊髓切片的全细胞膜片钳技术记录到，烟碱使γ-氨基丁酸能的突触传递增强了86%，此种促进作用可被非选择性nnAChRs拮抗剂美加明（mecamylamine）和选择性α4β2亚型烟碱受体拮抗剂二氢-β-刺桐定（dihydro-beta-erythroidine，DHβE）抑制，表明非-α7nnAChRs在其中起重要作用。烟碱并不改变γ-氨基丁酸诱发的抑制性突触后电流（inhibitory postsynaptic current，IPSC）幅度，而是减少由抑制性输入的强刺激诱导的长时程抑制（long-term depression，LTD）。这些结果支持烟碱镇痛作用依赖于脊髓背角γ-氨基丁酸能的突触传递的短时程和长时程调节。Lloyd等［7］发现脑干直接注入烟碱也有镇痛作用，推测烟碱的镇痛作用部分可能与起于大缝核的下行抑制通路的激活有关。 de Freitas等［8］在癫疒间导致的痛觉缺失实验模型中研究烟碱型胆碱受体的作用，利用甩尾法观察大鼠的痛觉反应，发现美加明可以明显剂量依赖性地降低甩尾潜伏期，结果表明ACh可能在癫疒间发作后痛觉缺失中作为一种神经递质而起作用。 Rashid等［9］报道，在小鼠脊髓伤害感受传递中，nnAChRs的α4β2亚型具有增强抑制作用。在行为学实验中发现，小鼠鞘内注射美加明和DHβE能够剂量依赖性地诱导热机械痛觉增敏，而选择性α7亚型烟碱受体拮抗剂甲基牛扁亭（methyllycaconitine，MLA）则无此效应。在成年小鼠脊髓切片准备的全细胞膜片钳实验中观察到，美加明和DHβE降低脊髓灰质胶状质（substantia gelatinosa，SG）神经元微型抑制性突触后电流（mIPSC）的频率，但MLA没有此作用，而且，mIPSC的振幅不受影响。烟碱拮抗剂能够降低γ-氨基丁酸能的和甘氨酸能的IPSC频率，而对兴奋性突触后电流（excitatory postsynaptic current，EPSC）没有影响。在SG神经元，胆碱酯酶抑制剂新斯的明(neostigmine)诱导的提高IPSC频率效应可被美加明和DHβE抑制。总而言之，以上结果表明在脊髓背侧角，烟碱胆碱能系统通过nnAChRs的α4β2亚型增强了抑制伤害感受传递的效应。 根据已有资料， nnAChRs已经作为发展新型镇痛药的靶点［10］：周围神经损伤导致nnAChRs药理学的改变，从而产生止痛效应；在神经性疼痛中，nnAChRs是神经损伤诱导的行为学超敏反应在外周和中枢神经免疫系统相互作用的基础；在脊髓损伤的神经保护作用中，nnAChRs能够减弱慢性痛。发展以烟碱受体作为靶点的镇痛药物是镇痛领域的一个新的方向。已有一些实验资料证明，在人体烟碱具有轻度的镇痛作用，这些结果与临床前实验发现的烟碱具有轻度镇痛作用的结果相一致。 ABT-594是选择性相对较高的烟碱受体激动剂，在啮齿类动物的急性、持续性或神经病理性等多种疼痛模型上都表现出强镇痛作用［4，11］，代表了一种新型广谱镇痛药。ABT-594的镇痛作用可被鞘内注射毒蕈碱、5-HT或α-肾上腺素受体的拮抗药而使动物的去甲肾上腺素（NA）及5-HT耗竭后下降或消失，说明ABT-594的镇痛作用与烟碱受体兴奋后的多种神经递质释放参与有关。Lynch等［12］运用小鼠化疗诱导的神经性疼痛模型研究发现，ABT-594在ED50=40 nmol/kg (i.p.)时可以削弱机械异常性疼痛，这种抗异常性疼痛效应不能被纳络酮所对抗，但可以完全被美加明所阻断。用四氯吲哚胺(chlorisondamine)预处理(0.2～5 micromol/kg， i.p.)只部分阻滞ABT-594的效应，但用更高剂量的四氯吲哚胺脑室内注射即可完全阻断此效应。综上所述，结果说明ABT-594是通过烟碱受体而发挥镇痛作用的。 3 吸入麻醉药对nnAChRs的作用 近几年的研究证实吸入麻醉药可以抑制nnAChRs的功能，部分药物在低于临床麻醉剂量时就表现出明显的抑制作用。在表达不同nnAChRs亚型的爪蟾卵母细胞上，进一步应用膜片钳等电生理学方法观察全麻药物对其的作用。研究发现，不同nnAChRs亚型对吸入麻醉药的敏感性并不一致。 3.1 挥发性吸入麻醉药 通过转基因技术在非洲爪蟾卵母细胞中表达大鼠nnAChRs（α2β4、α4β2、α4β4亚型)和小鼠肌型烟碱受体(αβγδ )，研究发现:氟烷、异氟烷对前者的抑制作用比后者强20～30倍，氟烷、异氟烷、七氟烷抑制α4β2受体的半抑制浓度IC50(达到最大抑制效应一半时的药物浓度)明显低于临床麻醉剂量。在nnAChRs各种亚型中，含β2的亚型比含β4的亚型对这3类麻醉药更加敏感［13］。Yamashita等［14］使用全细胞和单通道膜片钳技术发现氟烷、异氟烷、七氟烷均以浓度依赖性方式抑制乙酰胆碱感应电流，而且氟烷、异氟烷、七氟烷能够有效地抑制α4β2亚型，nnAChRs对吸入麻醉药高度敏感性在麻醉许多阶段起到重要作用。Udesky等［15］研究发现，挥发性吸入麻醉药和氯胺酮在临床麻醉剂量时能够明显抑制nnAChRs，氯胺酮的抑制nnAChRs作用与镇静和肌松作用无关，但与镇痛作用相关。 异氟烷在IC50为85 μmol/L时抑制α4β2亚型在非洲爪蟾卵母细胞中表达，而对α7亚型没有影响［16］。Mori等［17］研究证实氟烷在临床麻醉剂量时抑制α4β2亚型和α7亚型，但是α4β2亚型比α7亚型对其作用更敏感。 临床研究及动物实验均发现挥发性吸入麻醉药在疼痛传递中具有双向作用，低浓度时能够使机体表现出一定程度的痛觉过敏效应，随着浓度提高，才逐渐产生对伤害性刺激的抑制作用。Zhang等［18］研究发现，低浓度的乙醚、异氟烷、氟烷都能明显缩短小鼠后足的热刺激潜伏期(hind paw withdrawl latency，HPWL)，其最大效应发生于0.1 MAC（minimum alveolar concentration，肺泡气最低有效浓度），而在0.4～0.8 MAC间则明显延长HPWL。 异氟烷产生的痛觉过敏作用与吸入浓度密切相关。Flood等［19］研究发现，6～8周龄雌性小鼠在吸入0.28%异氟烷后其后足的HPWL明显缩短，改吸0.56%异氟烷后HPWL恢复到基线值，吸入0.56%以上的异氟烷则出现浓度依赖性的镇痛效应；而且，给小鼠腹腔注射1㎎/㎏烟碱可以特异性阻止低浓度异氟烷诱发的痛敏反应，但单用相同剂量的烟碱却不能产生镇痛效应，提示异氟烷对nnAChRs的抑制作用是其产生痛敏反应的机制之一，美加明也可模拟类似异氟烷的与浓度相关的双向反应。

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