电压门控质子通道在神经系统疾病中的作用及机制研究进展

1温州医科大学第二临床医学院麻醉科，温州 325035；2厦门大学医学院神经科学研究所，厦门 361104；3西湖大学医学院附属杭州市第一人民医院麻醉科，杭州 310006

国家自然科学基金（82271445）

【综述】

电压门控质子通道（voltage‑gated proton channel, Hv1）最早在1972年被发现。Hv1是由两个电压感应域组成。近年来关于Hv1与神经系统疾病的研究逐步深入。创伤性脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）、脑卒中、多发性硬化（multiple sclerosis, MS）和帕金森病（Parkinson disease, PD）等疾病的发生、发展或严重程度都与Hv1表达升高密切相关，在病理状态下，Hv1加重神经系统中氧化应激反应，加剧神经炎症，对神经元的髓鞘、突触造成损伤。因此，本文主要针对Hv1在神经系统疾病中的发病机制以及研究进展进行综述，以期为创伤性SCI、脑卒中、MS和PD等多种神经系统疾病的防治寻找新的靶点。

1.1　Hv1的分子构成

Hv1的组成与一般的阳离子通道不同。一般的阳离子通道由经典的四聚体组成，每一亚基包含4个跨膜片段形成电压敏感区域和两个跨膜前段形成孔域，四聚体共同围成一个离子通道。而Hv1由两个具有相对功能独立的亚基组成，且这两个亚基仅包含了电压敏感区域部分，其本身并没有孔区结构。Hv1二聚体的C端具有多重重复区域，形成寡聚相互作用的卷曲结构，这种结构不仅可稳定构成二聚体，还参与调节Hv1通道的开放速度，并且N端的结构域也有利于二聚体的形成，但相对于直接连续卷曲的螺旋结构域而言，这种结构通道的开放速率比较低。

1.2　Hv1的门控特性

Hv1的独特分子结构使得其开放速率慢了许多，但这种特异性也使得它对膜表面电压值的变化很敏感，此外，它对氢离子具有高度选择性，确保了氢离子总是由胞内向胞外运送。还有研究发现Hv1的门控活性受到锌离子浓度和温度影响：体外实验显示，降低锌离子浓度，Hv1活性提高；内环境温度升高，Hv1门控活性增加。

1.3　Hv1的分布情况

过去几十年，人们在各个系统中都发现了Hv1的存在。在神经系统中，Hv1主要在小胶质细胞和感觉神经元中表达，参与炎症和疼痛反应；在免疫系统中，Hv1在多类免疫细胞中高表达，证明Hv1的功能参与各种免疫过程；在生殖系统中，Hv1分布在精子，对精子的获能至关重要；在呼吸系统中，Hv1分布在气道上皮，参与气道上皮细胞黏液分泌。

2.1　Hv1参与SCI的加重

SCI是一种严重的外伤性脊髓疾病，疾病初期神经免疫细胞迅速激活，发挥吞噬细胞碎片、释放细胞因子等作用从而限制病变的进一步发展。但随着疾病的进展，小胶质细胞持续激活，产生大量的活性氧（reactive oxygen species, ROS），细胞内的氢离子不断排出细胞外，组织缺氧严重，乳酸堆积，导致组织酸中毒，从而使SCI进一步恶化。

Hv1通过促进小胶质细胞中ROS的释放加重SCI后的神经元损害。最新研究结果表明：相对于对照组小鼠，SCI小鼠的损伤部位Hv1相关mRNA显著增加；而后用敲除Hvcn1基因的小鼠造模发现，相对于对照组小鼠，敲除组小鼠在模拟SCI后烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（nicotinamide adenine dinucleotide phosphooxidase, NOX）的含量显著下降。这说明Hv1通过增加小胶质细胞中NOX的活性使得ROS增多，从而加重了SCI部位的炎症反应。

Hv1参与小胶质细胞的激活，增加其浸润性，从而加重神经元损伤，若采用Hvcn1基因敲除的方式去除小胶质细胞中的Hv1后发现，SCI后激活态小胶质细胞数量下降，小胶质细胞对神经元炎症浸润得到缓解。这表明Hv1促进小胶质细胞过度激活加重SCI中神经元的损伤。此外，Hv1可能通过影响少突胶质细胞和星形胶质细胞使SCI后神经元髓鞘的形成减少，并加重酸性产物对神经元的毒性作用。

2.2　Hv1加重MS的病理机制

MS是一种以脑和脊髓炎症细胞浸润、髓鞘缺失和继发性的轴突损伤为特征的自身免疫性疾病，其发病机制尚不完全明了，临床研究发现MS患者中枢神经系统中小胶质细胞出现过度活化的现象，表明MS的发生可能与小胶质细胞有关。有学者利用溶血卵磷脂构建MS小鼠模型，结果表明：髓鞘相关小胶质细胞会促进神经元髓鞘的分解，生理状态下的这种分解并不对神经元髓鞘造成损伤，但是在小胶质细胞异常激活后，其浸润作用可加强这种分解效应，且该效应在小胶质细胞发生自噬后再次得以增强。如上所述，Hv1参与了NOX依赖的小胶质细胞ROS的产生，ROS本身具有诱导小胶质细胞自噬的功能，过量的ROS加重了小胶质细胞自噬的发生，从而进一步加重神经脱髓鞘的严重程度。

早期研究发现Hvcn1基因的敲除有利于缓解神经脱髓鞘的症状。相对于对照组而言，在Hvcn1基因敲除小鼠中神经脱髓鞘症状有明显的缓解，对小胶质细胞的激活明显减弱，并且有更多的小胶质细胞分化为抗炎小胶质细胞而非致炎小胶质细胞，自噬情况也得到缓解。胼胝体中的ROS减少，使得髓鞘的修复加快。这说明抑制溶血卵磷脂小鼠体内Hv1的表达可有效缓解神经脱髓鞘的症状，并且加快神经髓鞘的再生。

上述结果表明，ROS、Hv1、小胶质细胞与MS的发病关系密切。Hv1加重MS脊髓中NOX依赖的小胶质细胞释放ROS。在MS发病时，Hv1的过度表达使得小胶质细胞产生额外的ROS，这部分ROS反作用于小胶质细胞，使小胶质细胞自噬增强，浸润性提高，随后加重了神经元的脱髓鞘。小胶质细胞的活化是神经系统疾病的一个重要特征，它具有双重效应，一方面可以清除老化的细胞碎片，释放ROS帮助神经元修复；另一方面，过量的ROS会加重神经炎症，导致神经系统疾病的发生。

2.3　Hv1参与脑卒中病情发展的机制

关于Hv1与脑卒中的有关报道始于2012年，研究发现，与对照组小鼠相比，Hvcn1基因敲除小鼠在造模后，其大脑组织软化坏死的体积明显减少，神经功能改善，并且基因敲除小鼠脑内NOX的含量显著降低。进一步研究发现，Hv1通过激活NOX的方式诱导脑卒中后的进一步脑损伤，可刺激小胶质细胞中NOX2的表达，导致ROS生成增多，对神经元造成二度损伤，提示阻断Hv1可缓解脑卒中后的脑损伤症状。

此外，Hv1影响脑卒中恢复的程度还与年龄有关，有研究通过将年轻小鼠（9~10周龄）和中年小鼠（6月龄）以同样的处理方式模拟脑卒中，发现Hvcn1基因敲除小鼠并非全部都与对照小鼠存在明显差异。年轻的基因敲除小鼠和其同窝对照小鼠在发生脑卒中30 min和2 h后大脑组织软化坏死的体积没有出现明显差异；而在中年小鼠中，基因敲除小鼠在发生脑卒中30 min内大脑缺血软化坏死的体积明显减少，表明Hv1在中枢神经系统中的作用可能还存在与年龄相关的因素，只有满足某些因素后，Hv1才能通过刺激NOX导致神经系统的损伤。进一步研究也证明敲除Hvcn1基因对脑卒中后的脑水肿和出血也有一定程度的缓解作用。

总之，上述研究结果都说明了敲除Hvcn1基因对脑卒中的治疗与康复具有积极的意义，有望在未来将Hv1作为脑卒中早期治疗的有效靶点。

2.4　Hv1参与PD的机制

PD是第二常见的神经退行性疾病，主要病变脑区在黑质，以黑质内大量多巴胺能神经元死亡为特征。越来越多的研究表明，炎症在该疾病中发挥重要的作用。研究者在PD死者大脑中发现，其黑质区域分布的小胶质细胞数目比正常人要多且一直处于激活状态，过多激活状态的小胶质细胞浸润黑质加重多巴胺能神经元损伤。研究发现，Hvcn1基因敲除后能降低小鼠的基础炎症水平，用Hvcn1基因敲除小鼠构建PD模型发现，与对照组相比，敲除Hvcn1基因能降低PD小鼠脑内促炎因子表达水平，提高抗炎因子表达水平，降低ROS的释放，黑质区多巴胺能神经元的丢失也明显减少。

此外，研究人员通过连续4 d腹腔注射脂多糖诱发小鼠脑部神经炎症反应来模拟PD小鼠大脑中出现的炎症状况，结果表明，敲除Hvcn1基因能显著降低小鼠脑内的小胶质细胞增殖和活化，ROS和炎症因子水平也明显降低。在体外实验中，用脂多糖处理原代培养的小胶质细胞模拟炎症激活表型，然后与多巴胺能神经元共培育，结果发现Hvcn1基因敲除组的神经元活力丧失较少。

多个数据库中检索发现PD患者大脑中Hv1的表达量明显增多，Hv1、小胶质细胞和PD之间存在着密切的联系。在病理情况下，大脑中小胶质细胞增殖激活、Hv1表达增多、炎症因子和ROS水平升高，导致多巴胺能神经变性，从而加重了PD患者的病情。

综上所述，Hv1在调节PD脑内炎症反应中起着重要作用，在未来有望作为新的早期干预或治疗的靶点以阻止或减缓该疾病的发生与发展。

Hv1在人体内的作用十分广泛，本文只叙述了其在神经系统疾病中的部分作用。尽管目前对Hv1的研究已逐步深入，但仍有许多问题没有解决：如发生脑卒中和SCI的时候，Hv1是如何响应损伤而后逐步增加表达的？损伤发生后大量的白细胞由外周进入中枢神经，因此Hv1的增加是否和白细胞的聚集有关？Hv1是在MS发生的哪个阶段逐步增多的？有待于进一步深入研究与探讨。

综上所述，Hv1的调控对许多临床疾病的治疗具有重要意义，如果能将Hv1在中枢神经系统中的作用机制进一步研究透彻，其有望成为创伤性SCI、脑卒中、MS和PD等多种神经系统疾病的一个新的防治靶点。

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