BK通道β1亚基介导芬太尼诱导的通道激活及脑动脉直径的阿片样调节

《FEBS Open Bio》：Beta1 subunits enable fentanyl-induced BK channel activation and opioid regulation of cerebral artery diameter

　　

超强效合成阿片类药物是强效镇痛药，但同时也是药物过量死亡的主要原因。大电导钙激活钾通道（calcium-/voltage-gated potassium channels of large conductance, BK）控制重要的生理过程，其辅助β1亚基（在小鼠中由Kcnmb1编码）主要在平滑肌中表达。因此，研究人员假设BK β1决定芬太尼对脑动脉直径的作用。本文报道，芬太尼（0.001–10 μm）在中国仓鼠卵巢（Chinese hamster ovary, CHO）细胞中激活由slo1+β1亚基组成的BK异聚体，但不激活slo1同聚体。在离体加压小鼠脑动脉中，药理学抑制BK或β1基因缺失（Kcnmb1^?/?）导致芬太尼诱导的血管收缩。阿片受体拮抗剂纳洛酮可消除野生型脑动脉中的芬太尼反应，而在Kcnmb1^?/?动脉中仍存在轻度收缩。因此，研究人员确定BK β1是芬太尼的功能性靶点，其独立于阿片受体调控芬太尼对脑动脉直径的作用。

**论文解读：BK β1亚基作为芬太尼新型靶点在脑动脉直径调控中的作用**

### 研究背景与意义

超强效合成阿片类药物（ultra-potent synthetic opioids, UPSO）如芬太尼是临床强效镇痛药，但也是药物过量致死的主要原因。尽管阿片类药物通常引起全身动脉压下降，继而触发脑血流自动调节性扩张以维持脑灌注，但多项临床报告显示芬太尼可收缩脑动脉，且效应存在区域特异性。这种与全身血流动力学变化不一致的效应提示局部机制参与其中。虽然三种经典阿片受体对UPSO具有高亲和力，但新近证据表明阿片类药物可能直接靶向离子通道而产生功能性后果。大电导钙激活钾通道（BK）在脑动脉平滑肌中高表达，其辅助β1亚基（由Kcnmb1编码）在平滑肌组织中丰富表达，并已被证实可介导多种内源性和外源性化合物对通道活性及动脉直径的调节。然而，BK β1亚基是否参与芬太尼的脑血管作用此前尚属空白。基于此，研究人员提出假设：BK β1决定芬太尼对脑动脉直径的作用，并开展了系统的功能学验证。

### 主要研究内容与结论

研究人员利用高通量机器人膜片钳、离体加压脑动脉直径测量及定量PCR等技术，首次证明芬太尼可直接激活含β1亚基的BK异聚体通道，而β1亚基缺失或BK通道药理学抑制可翻转芬太尼的血管效应，使其表现为血管收缩。更重要的是，在阿片受体阻断条件下，β1缺失仍可改变芬太尼的动脉反应，表明BK β1以不依赖阿片受体的方式参与芬太尼的脑血管调控。该研究将BK β1鉴定为芬太尼的功能靶点，为理解UPSO的器官水平效应提供了全新分子机制，并为防治芬太尼相关脑缺血提供了潜在治疗靶点。

### 关键技术方法

研究中使用了以下主要技术方法：第一，采用高通量机器人膜片钳（Patchliner, Nanion）在全细胞构型下记录稳定表达于CHO细胞中的BK通道电流，通道构型包括大鼠脑血管异构体cbv1同聚体及cbv1+β1异聚体；第二，利用离体加压动脉系统，对来自C57BL/6J野生型小鼠和同亲本繁殖的Kcnmb1^?/?小鼠（雌雄均有，发情期雌鼠除外）的大脑中动脉（middle cerebral artery, MCA）在60 mmHg腔内压下测量直径变化；第三，通过定量PCR（qPCR）检测小鼠MCA中三种阿片受体（Oprm1、Oprk1、Oprd1）的转录本表达；第四，使用阿片受体拮抗剂纳洛酮（10 μm）和BK通道阻断剂paxilline（1 μm）进行药理学干预。

### 研究结果

**芬太尼通过β1亚基激活BK电流**

在CHO细胞中，芬太尼（0.0001–10 μm）浓度依赖性地激活cbv1+β1异聚体BK通道，0.1 μm芬太尼使电流幅度较给药前增加11.22±3.47倍，而cbv1同聚体通道仅增加1.54±0.29倍。浓度-效应曲线以双希尔（biHill）函数拟合最佳，芬太尼激活BK电流的半最大效应浓度（EC50）为0.015 μm，最大效应浓度（ECmax）为0.2 μm。该结果表明β1亚基赋予BK通道对芬太尼的敏感性。

**BK β1亚基参与芬太尼对脑动脉直径的作用**

在离体加压的野生型雄性小鼠MCA中，低浓度芬太尼（0.001–0.1 μm）诱导约3%的血管扩张，而高浓度未产生显著扩张；雌性野生型MCA对低浓度芬太尼不敏感，但在高浓度（0.1–30 μm）下出现浓度依赖性收缩，ECmax（10 μm）时收缩达?4.2±1.47%。在Kcnmb1^?/?雄性MCA中，芬太尼诱导的血管扩张消失；在Kcnmb1^?/?雌性MCA中，芬太尼引发更强收缩，10 μm时达?10.9±2.71%，0.001 μm时即出现显著收缩（?5.68±1.74%）。表明BK β1参与芬太尼对MCA直径的性二态性调节。

**BK β1的关键作用由直接BK通道靶向和阿片受体介导通路共同介导**

qPCR检测证实小鼠MCA中表达全部三种阿片受体转录本（Oprm1、Oprk1、Oprd1）。在10 μm纳洛酮存在下，0.001 μm芬太尼对野生型MCA的效应被消除，但Kcnmb1^?/?动脉中仍存在轻度收缩（雄性?1.1±0.62%，雌性?0.78±0.29%），且与野生型相比差异显著。用1 μm paxilline阻断BK通道后，野生型动脉对芬太尼的反应与Kcnmb1^?/?动脉一致。上述结果表明，β1亚基缺失在阿片受体阻断下仍可改变芬太尼的血管效应，提示芬太尼与β1亚基之间存在直接的相互作用。

### 讨论与结论

讨论部分指出，BK β1亚基是迄今首个被鉴定为阿片传感器的BK辅助亚基，区别于已知的β1依赖性调节剂（如雌二醇、孕酮、石胆酸等）。芬太尼的浓度-效应曲线呈双相特征，可能反映多个结合位点或重叠的调控机制；其EC50（0.015 μm）低于激活Gi蛋白所需的浓度（约0.1 μm），说明BK通道对芬太尼具有高灵敏度。关于性二态性，纳洛酮消除了雌雄动脉对芬太尼反应的差异，提示性二态性可能源于阿片受体通路而非β1亚基本身。纳洛酮与paxilline作用结果的相似性表明，阿片受体信号与BK通道可能共享下游通路。此外，研究排除了Kcnmb1^?/?小鼠基础肌源性张力升高对结果的干扰，并讨论异氟烷麻醉残留及基因敲除代偿等潜在混杂因素。最终结论为：BK β1亚基是芬太尼的功能靶点，以不依赖纳洛酮敏感性阿片受体的方式调节脑动脉直径；β1亚基对芬太尼诱导的脑血管收缩具有保护作用，使其成为干预芬太尼相关脑缺血的潜在治疗靶点。