內(nèi)耳毛細(xì)胞離子通道研究進(jìn)展

內(nèi)耳毛細(xì)胞離子通道研究進(jìn)展1基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（(309733011基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（(30973301，81271080），重慶市自然基金資助項目（CSTC2009BB5170）※作者單位：400038重慶，第三軍醫(yī)大學(xué)附屬西南醫(yī)院耳鼻咽喉-頭頸外科通訊作者：袁偉，Email：weiyuan175@蔣曉君※綜述袁偉※審校耳蝸毛細(xì)胞是聽感覺器官的感受器細(xì)胞，其頂端纖毛束的偏轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)電位，產(chǎn)生感受器電位，這是聽覺產(chǎn)生過程中十分重要的環(huán)節(jié)。因此，離體外毛細(xì)胞已成為研究耳蝸聽覺生理、生化及病理生理機制的重要實驗?zāi)Ｐ?。隨著外毛細(xì)胞分離技術(shù)和電生理技術(shù)的發(fā)展，尤其是細(xì)胞膜片鉗技術(shù)的應(yīng)用，為人們了解毛細(xì)胞離子通道的開啟、關(guān)閉和動力學(xué)等一系列膜信息，提供了直接手段，使得研究不斷深入【1-5】。耳蝸毛細(xì)胞和其它細(xì)胞一樣，其活性要依賴于細(xì)胞膜對胞外離子的選擇通透性，這種功能的實現(xiàn)是通過離子通道完成的。毛細(xì)胞內(nèi)外不對稱的離子環(huán)境需要在細(xì)胞膜上有各類離子通道存在，因此本研究就毛細(xì)胞離子通道的研究進(jìn)展作一概括。毛細(xì)胞頂端離子通道機械—電傳導(dǎo)通道(mechano-electricaltransductionMET)及其受體電位。已有人通過三種實驗技術(shù)證明，機械-電傳導(dǎo)的位置是在立體纖毛的頂部【6-8】。第一，通過測量一個受刺激的纖毛束周圍的胞外電勢的微小變化而推斷出陽離子內(nèi)流進(jìn)入毛細(xì)胞的區(qū)域，即電壓信號在纖毛束的頂部最強；正離子內(nèi)流轉(zhuǎn)導(dǎo)通道會聚于立體纖毛頂部附件。第二，可以阻斷這些通道的氨基糖苷類抗生素在纖毛束的頂部可發(fā)揮出最大的作用。第三，Ca2+敏感性熒光指示劑能夠識別出Ca2+在接近偏離的纖毛束頂部的地方進(jìn)入。每個MET通道由一個膜內(nèi)在蛋白構(gòu)成，缺乏離子選擇性，堿金屬和堿土金屬陽離子如Na+、K+、Rb+和Cs+，二價陽離子如Ca2+、Mg2+，小的有機離子如膽堿離子、四乙胺（TEA）均能通過，但稍大些的離子就不能通過，這表明通道直徑約為0.7nm。MET通道對陽離子的通透順序是Li＞Na≥K≥Rb＞Cs＞Choline＞TMA＞TEA，相對于Cs+的離子滲透性,雙價離子中Ca2+最大，一定量的極少的Ca2+在轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中是必須的，對轉(zhuǎn)導(dǎo)通道的影響是全或無式的。靜纖毛上的MET通道通過使K+內(nèi)流至毛細(xì)胞去極化，從而形成受體電位，是毛細(xì)胞完成機械—電轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的第一步。受體電位使L型電壓依賴性鈣通道開放，Ca2+內(nèi)流，作為第二信使，引起毛細(xì)胞一系列反應(yīng)。K+是浸潤著纖毛束的內(nèi)淋巴中濃度最高的正離子。機械刺激引起的靜纖毛偏斜通過調(diào)節(jié)MET通道的開放和關(guān)閉過程來控制通過的離子電流的大小，也間接影響受體電位的形成。1.2毛細(xì)胞MET通道和底側(cè)膜電壓依賴性通道的功能靜纖毛之間有兩種連接，即頂端連接和側(cè)連接，前者位于靜纖毛頂部與相鄰較高靜纖毛的側(cè)壁之間，后者位于前者之下，使鄰近各靜纖毛在各個方向連接而使靜纖毛集中，作為一個整體接受機械刺激，傳導(dǎo)一致的向量。毛細(xì)胞纖毛束的偏離啟動了機械—電的轉(zhuǎn)導(dǎo),提示機械力直接控制轉(zhuǎn)導(dǎo)通道的開啟與關(guān)閉。換言之,機械—電轉(zhuǎn)導(dǎo)的通道是受纖毛束的彈性結(jié)構(gòu)調(diào)控的門控式通道[5,7.9]。當(dāng)靜纖毛受到刺激向最長靜纖毛方向偏斜時，K+通過靜纖毛上的MET通道流入細(xì)胞，使細(xì)胞去極化，繼之又使電壓依賴性Ca2+通道激活，Ca2+內(nèi)流，當(dāng)胞內(nèi)Ca2+濃度增加至一定水平，又進(jìn)一步激活了底側(cè)膜上的Ca2+依賴性K+通道（BK通道），K+隨之流出細(xì)胞，使膜復(fù)極化，Ca2+通道失活；如果靜毛束向?qū)?cè)偏斜，K+從靜纖毛上的MET通道外流，膜電位超極化。以后進(jìn)入胞內(nèi)的Ca2+被結(jié)合﹑緩沖，或被細(xì)胞膜上的離子泵或其它轉(zhuǎn)運系統(tǒng)轉(zhuǎn)運至胞外，從而BK通道失活，最后膜電位恢復(fù)至靜息水平（圖一【10】）。MET通道的不敏感性使得它們?nèi)菀妆话被擒疹惖目股刈钄?。例如：鏈霉素或新霉素。大劑量使用這些藥物，能夠破壞毛細(xì)胞的纖毛束甚至殺死毛細(xì)胞。還有一種學(xué)說認(rèn)為這些藥物能夠通過轉(zhuǎn)導(dǎo)通道低速潛入細(xì)胞內(nèi)并且通過干涉線粒體中的核糖體上的蛋白合成而轉(zhuǎn)為長期的毒性作用。與這一學(xué)說相一致的是，人類對氨基糖苷類的敏感性是作為線粒體的特性遺傳而來【11】。毛細(xì)胞底側(cè)膜離子通道：迄今在毛細(xì)胞底側(cè)膜上已發(fā)現(xiàn)的電壓依賴性通道有鉀離子通道和鈣離子通道。Nenov等【12】總結(jié)了迄今已發(fā)現(xiàn)的幾種電壓依賴性鉀離子通道，包括鈣離子激活的鉀通道IK（ca）﹑外向延遲整流鉀通道（IK）﹑瞬間外向鉀通道（Ka通道）、內(nèi)向整流鉀通道（In）。鈣離子通道是L型鈣通道。鉀通道：1.1鈣離子激活的鉀通道：毛細(xì)胞的鈣離子激活的鉀通道分為大電導(dǎo)（BK）型和小電導(dǎo)（SK）型。BK、SK通道電流激活均依賴于細(xì)胞內(nèi)游離鈣離子濃度的升高【13】。生理條件下激活BK通道所需的胞內(nèi)Ca2+濃度為35μM，豚鼠耳蝸外毛細(xì)胞（OHC）的BK單通道電導(dǎo)為220pS。BK通道的激活電壓大于-60mV~-45mV，平均開放時間0.08~12ms，通道電導(dǎo)越大﹑細(xì)胞靜纖毛束越長則平均開放時間越長。Charybdotoxin（蝎毒）是其相對特異性的阻斷劑，常作為區(qū)分BK通道的工具藥。BK通道在靠近蝸底的較矮毛細(xì)胞上優(yōu)勢表達(dá)。SK通道的特點：單通道、電導(dǎo)低（4~40pS），幾乎無電壓敏感性，nM級的Ca2+濃度就可激活通道，Apamin是其特異性的阻斷劑。在一些組織中，SK通道能被毒蕈堿（乙酰膽堿受體激動劑）激活，通過三磷酸肌醇（IP3）使細(xì)胞內(nèi)鈣釋放。鈣離子激活的鉀通道在聽毛細(xì)胞的機電轉(zhuǎn)換能過程中起著重要作用。已有許多證據(jù)表明，在低等脊椎動物，此通道與毛細(xì)胞的電共振現(xiàn)象有關(guān)，從而產(chǎn)生頻率調(diào)諧作用【14-15】。由于鈣離子激活的鉀通道具有快速激活的動力學(xué)特性，使毛細(xì)胞能夠產(chǎn)生高頻鎖相感受器電位，與基底膜和外毛細(xì)胞的敏銳的機械調(diào)諧相配合，使哺乳動物的聽覺功能更靈敏、頻率范圍更廣。鈣離子激活的鉀通道與Ca2+內(nèi)流形成負(fù)反饋回路，K+外流使毛細(xì)胞復(fù)極化，而恢復(fù)到靜息電位，Ca2+內(nèi)流終止，從而控制傳入突觸的遞質(zhì)釋放。1.2外向延遲整流鉀通道外向延遲整流鉀通道具有明顯的電壓依賴性，膜去極化時激活，不依賴于Ca2+濃度，其單通道電導(dǎo)為8pS，激活電壓大于-60mV，激活時間常數(shù)為2~100ms。激活和失活緩慢，對4-氨基吡啶相對較敏感，不被Apamin和Ba2+阻斷。在靠近蝸頂?shù)妮^高毛細(xì)胞上優(yōu)勢表達(dá)。1.3瞬間外向鉀通道瞬間外向鉀通道的特點是在去極化時快速激活，然后以指數(shù)時間過程很快衰減，能被4-氨基吡啶阻斷。在豚鼠OHC中，瞬間外向鉀通道的電導(dǎo)較小，其攜帶的瞬間外向鉀電流難以從總電流中區(qū)分。瞬間外向鉀通道的激活電壓小于-44mV，激活時間3~7ms，失活電壓大于-56mV，失活時間73ms。在電調(diào)諧的電壓范圍內(nèi)，瞬間外向鉀通道是失活的，對膜電導(dǎo)沒有貢獻(xiàn)。瞬間外向鉀電流無Ca2+濃度依賴性。瞬間外向鉀通道在鳥類基底乳頭中的矮毛細(xì)胞上優(yōu)勢表達(dá)。矮毛細(xì)胞的瞬間外向鉀通道在靜息電位時完全失活，但膽堿能激動劑能使這些細(xì)胞膜電位超極化30mV，這個超極化解除了瞬間外向鉀通道的失活狀態(tài)，使瞬間外向鉀通道能夠在去極化電壓刺激下被激活，在-56～-44mV的電壓范圍內(nèi)為細(xì)胞提供一個膜電導(dǎo)。在這個電壓范圍內(nèi)，其它電壓依賴的離子通道是失活的，瞬間外向鉀通道的激活可以增加膜電導(dǎo)，降低膜的時間常數(shù)，以便毛細(xì)胞在傳出刺激的抑制性作用之后立即使細(xì)胞的膜電位更有利于聲信號的輸入。1.4內(nèi)向整流鉀通道在豚鼠OHC底側(cè)膜表面的內(nèi)向整流鉀通道首先由Housley和Ashmore報道。此通道在靜息電位時就已被激活，膜電位超極化時失活，完全激活電壓為-40mV，半量激活電壓為-91mV，完全失活電壓為-160mV。通道的活性依賴于Ca2+濃度，但不受電壓依賴性鈣通道的影響。能被Cs+和Ba2+阻斷。越靠近蝸底的OHC越優(yōu)勢表達(dá)。內(nèi)向整流鉀通道被認(rèn)為具有K+緩沖的功能，即將內(nèi)淋巴中的K+轉(zhuǎn)運至外淋巴。另外，越靠近蝸底的OHC，其內(nèi)向整流鉀電流幅度越大，內(nèi)向整流鉀電流使靜息電位時的輸入電導(dǎo)增加，同時維持跨OHC頂端膜的最大K+驅(qū)動力。鈣通道目前發(fā)現(xiàn)的電壓依賴性鈣通道分為六型（L﹑T﹑N﹑P﹑Q﹑R型）。存在于豚鼠OHC﹑雞耳蝸毛細(xì)胞底側(cè)膜表面的鈣通道大部分為L型。L型Ca2+通道是Ca2+進(jìn)入毛細(xì)胞的重要途徑【16】。OHC的鈣通道在-30mV時被激活，-20mV時達(dá)到峰值。其離子選擇性為Ba2+>Ca2+≥Sr2+。能被Cd2+和nifedipine阻斷。Ca2+是細(xì)胞信號傳遞的最常見元素。在耳蝸水平，Ca2+的參與能完成以下毛細(xì)胞功能。一、Ca2+直接參與毛細(xì)胞電攜振：Ca2+內(nèi)流意味著毛細(xì)胞激活，Ca2+外流、Ca2+濃度降低則毛細(xì)胞恢復(fù)至靜息電位。二、Ca2+調(diào)節(jié)毛細(xì)胞底側(cè)膜傷鈣離子依賴的鉀通道。三、Ca2+與OHC的主動運動。四、Ca2+與毛細(xì)胞MET的適應(yīng)（見圖一）。五、Ca2+與毛細(xì)胞的神經(jīng)支配。內(nèi)毛細(xì)胞的去極化導(dǎo)致電壓依賴性鈣通道開放，Ca2+內(nèi)流，Ca2+濃度升高，從而導(dǎo)致地址的釋放。研究與展望復(fù)雜的離子通道是內(nèi)耳毛細(xì)胞機械轉(zhuǎn)導(dǎo)的核心。從目前相關(guān)研究表明，氨基糖苷類藥物、順鉑等化療藥物、利尿劑等藥物，之所以能產(chǎn)生耳毒性，首先直接影響毛細(xì)胞的離子通道，進(jìn)而影響毛細(xì)胞的傳導(dǎo)機制，從而發(fā)生聽力下降或聽力完全喪失的不良反應(yīng)。由此可見，對毛細(xì)胞離子通道及其相應(yīng)的傳導(dǎo)機制研究是未來耳聾治療藥物開發(fā)的重要方向。因缺少明確的藥理學(xué)標(biāo)記、毛細(xì)胞數(shù)目的有限性，以及轉(zhuǎn)導(dǎo)機制的特異性等多種因素阻礙著對離子通道分子的進(jìn)一步識別。如何發(fā)現(xiàn)更多的毛細(xì)胞通道及其相應(yīng)的傳導(dǎo)機制任重而道遠(yuǎn)。但隨著基因工程學(xué)、電生理技術(shù)的發(fā)展，相信有關(guān)毛細(xì)胞離子通道的研究在未來幾年內(nèi)可以取得重大的發(fā)展。參考文獻(xiàn)DavisHA.Mechano-electricaltheoryofcochlearaction.AnnOtol.1958；67：:789HoltonT,HudspethAJ.Thetransductionchannelofhaircellsfromthebull-frogcharacterizedbynoiseanalysis.JPhysiol,1986;375∶195OhmoriH.Gatingprotertiesofthemechanoelectricaltransducerchannelinthedissociatedvestibularhaircellofthechick.JPhysiol,1987;387∶589GitterAH,ZennerHP,FromterE.Membranepotentialandionchannelsinisolatedouterhaircellsofguineapigcochlea.ORLJOtorhinolaryngolRelatSpec,1986;48∶68AshmoreJT,MeechWR.Ionicbasisofmembranepotentialinouterhaircellsofguineapigcochlea.Nature,1986;322∶368KandelER,SchartzJH,JesselTM.Principlesofneuralscience[M].4thed.NewYork:McGraw-HillMedical,2000.591~612,614~624.JaramilloF,HudspethAJ.Localizationofthehaircell'stransductionchannelsatthehairbundle'stopbyiontophoreticapplicationofachannelblocker[J].Neuron,1991,7:409HudspethAJ.Hair-bundlemechanicsandamodelformechanoelectricaltransductionbyhaircells[J].SocietyofGeneralPhysiologistsSeries,1992,47:357.HowardJ,HudspethAJ.ComplianceofthehairbundleAssociatedwithgatingofmechanoelectricaltransductionchannelsintheBullfrog'ssaccularhaircell[J].Neuron,1988,1:189.CrawfordAC,FettiplaceR.Themechanicalpropertiesofciliarybundlesofturtlecochlearhaircells[J].JPhysiol,1985,364:359.聲音在耳內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及其分子生物學(xué)機制.湯浩石麗娟于利曹宇.中國醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理教研室.1006-7299（2010）