PNAS︱西安交通大学黄荣/王昌河团队揭示TRPA1通道的自发开放促进外周向脊髓中枢的信号传递并调控慢性疼痛新机制

学术 2025-01-19 00:01 上海

撰文︱张卓玉

责编︱王思珍

急性疼痛有助于生命体对伤害性刺激的及时感知和有效防御，如钉刺/火灼而导致的缩手/躲避行为。但在某些情况下，即便伤害性刺激源已消失，疼痛感觉仍持续长期存在，给人造成不适体验，这种异常的疼痛感觉被称为慢性疼痛，通常持续时间超过3个月。据统计，我国慢性疼痛患者已超过3亿人，且每年以近2000万的速度增长，是非常严峻的医学难题。在慢性疼痛病理过程中，外周感觉神经元向脊髓中枢的信号传递得到增强，脊髓组织间隙的多种神经递质和调质的浓度得到升高，被认为是慢性疼痛持续长期存在的主要原因，但其背后的分子机制尚不清楚，是亟待解决的重要科学问题。

瞬时受体电位（Transient Receptor Potential，TRP）蛋白家族是一类位于细胞膜上的非选择性阳离子通道，可介导Ca²⁺的跨膜流动，包含七个亚家族：TRPC、TRPV、TRPM、TRPP、TRPML、TRPA和TRPN。TRPA1是TRPA亚家族的唯一成员，参与感知伤害性刺激和传导伤害性信号，在不同类型的疼痛病理过程中发挥重要作用。然而，既往研究聚焦于外源刺激激活下的TRPA1功能，而对于其是否存在自发的通道开放以及对应的生理功能则是知之甚少的。

2025年1月17日，西安交通大学黄荣团队领衔在美国国家科学院院刊PNAS杂志发表最新研究成果，题为“Action potential-independent spontaneous microdomain Ca²⁺ transients-mediated continuous neurotransmission regulates hyperalgesia”（《动作电位非依赖的自发微域钙瞬变介导的持续性神经分泌调控痛敏反应》）。该研究发现外周感觉神经元中的瞬时受体电位通道TRPA1存在自发性的通道开放，介导细胞外的Ca²⁺向细胞内的自发流入并形成膜表面微域范围的Ca²⁺热点（spontaneous microdomain Ca²⁺ hotspot, smCa），通过cAMP-PKA信号通路触发感觉神经元胞体区和脊髓处中枢突触的持续性自发囊泡分泌来释放神经递质/调质。在慢性疼痛病理过程中，“TRPA1➝smCa钙热点➝PKA➝自发囊泡分泌”通路得到显著增强，而抑制该通路的各环节能有效缓解慢性疼痛病理下的痛敏反应，提示其可能在慢性疼痛的发生和发展过程中发挥重要调控功能，有望为慢性疼痛的临床治疗提供新的理论指导和药物靶点。（拓展阅读：王昌河课题组往期进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：段树民/罗敏敏/李晓明点评 Science︱西安交通大学王昌河团队揭示社交性别偏好的神经决策机制；Adv Sci︱周专/张泉峰/王昌河/孙晓璇揭示动作电位发放模式调控多巴胺分泌的新机制；Nat Commun｜王昌河/康新江/徐华栋/官方霖团队揭示精神分裂症的致病新机制；Neurosci Bull︱徐华栋/王昌河/康新江团队建立STED成像研究突触囊泡胞吞新方法；Nat Neurosci︱西安交通大学王昌河团队揭示痛觉与情绪交互调控及慢性痛长期维持的正反馈神经闭环机制；PNAS︱王昌河课题组揭示神经突触胞吐-胞吞平衡新机制；BMC Med︱空军军医大学崔龙彪团队揭示免疫介导首发精神分裂症患者脑结构重塑）

本文研究的核心发现：

1. 现象：借助高分辨全内反射荧光显微镜（TIRF）实时原位观测神经元膜表面~200 nm深度内的细胞活动，采用高敏感GCaMP来指示钙信号，在外周感觉神经元dorsal root ganglion neuron（DRG）的胞体区和轴突/末梢区发现高度活跃的、自发水平的膜表面微域Ca²⁺热点（smCa）。如下视频；

视频 DRG神经元胞体中smCa的TIRF图像

2. 机制：结合药理筛查、基因敲除和过表达等手段，发现smCa与动作电位无关，其钙信号源于细胞外的Ca²⁺内流，而非细胞内钙库，并且瞬时受体电位通道TRPA1是介导Ca²⁺内流的关键离子通道，其孔道能自发打开，无需外部刺激源的激活；

3. 细胞水平的功能：钙活动和囊泡分泌活动是神经元最基础的两类活动，且钙活动的变化往往伴随着囊泡分泌活动的相应变化。采用TIRF成像观测DRG神经元胞体区的量子化囊泡分泌事件和电生理膜片钳记录脊髓背角的突触后电流（mEPSC），发现TRPA1离子通道的自发开放介导的smCa钙活动能够激发DRG神经元胞体区的自发囊泡分泌和脊髓处中枢突触的自发突触传递活动；

4. 细胞内信号通路：借助药理阻断和激活实验，发现cAMP-PKA信号通路是上游smCa钙热点和下游自发囊泡分泌活动之间的关键桥梁纽带，将自发的微域钙信号转换成自发的囊泡分泌信号；

5. 在体水平的功能：结合CFA慢性疼痛小鼠模型、TRPA1基因敲除、药理阻断、痛觉行为学检测等手段，发现smCa钙热点和自发囊泡分泌活动在慢性疼痛病理下均得到显著增强，解释了慢性疼痛病理下的脊髓组织间隙多种神经递质/调质浓度升高的可能原因。更重要的是，对TRPA1介导的smCa钙热点和自发囊泡分泌活动这一通路进行抑制能有效缓解小鼠的痛觉过敏反应，提示“TRPA1➝smCa钙热点➝PKA➝自发囊泡分泌”在慢性疼痛病理过程中发挥重要调控功能。

本文机制图

文章结论与讨论，启发与展望

此项工作揭示了DRG神经元中smCa活性引发的ap不依赖的连续神经传递，这可能是痛觉过敏中伤害性致敏的独特机制，并为慢性疼痛的治疗提供了潜在的靶点。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2406741122

西安交通大学黄荣研究员为本文末位通讯作者，西安交通大学王昌河教授、美国霍普金斯大学医学院柴祖映博士和上海同济医院张卓玉博士为本文共同通讯作者。西安交通大学姚靖宇、霍靖骁博士和上海同济医院张卓玉博士为本文共同第一作者。西安交通大学王若琳、段雪婷、陈洋和徐华栋博士为本文提供了必要的实验帮助。北京大学周专教授为本研究提供了必要的基因敲除鼠和帮助。本研究得到中国自然科学基金、中国博士后科学基金、陕西省科学基金和陕西省博士后科学基金等项目的支持。

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动作电位非依赖的自发微域钙瞬变介导的持续性神经分泌调控痛敏反应

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