VDAC1上调通过增强线粒体ATP外流诱导神经病理性疼痛中伤害性感觉神经元的过度兴奋

《Advanced Science》：VDAC1 Upregulation Induces Hyperexcitability of Nociceptive Sensory Neurons Via Enhanced Mitochondrial Atp Efflux in Neuropathic Pain

　　

神经病理性疼痛源于神经损伤后的异常感觉处理。电压依赖性阴离子通道（VDACs）是线粒体外膜上的一类ATP守门蛋白，在细胞代谢和动作电位产生中起核心作用，但其在外周神经病理性疼痛中的作用尚不明确。在此，研究人员证明，在VDAC亚型中，VDAC1在背根神经节（DRG）伤害性神经元中占主导表达，并在慢性压迫性损伤（CCI）小鼠模型中显著上调。在功能上，VDAC1通过增加线粒体ATP通透性，从而提高胞质ATP水平并增强神经元兴奋性，促进神经病理性疼痛。遗传或药理学抑制VDAC1可降低胞质ATP，抑制神经元过度兴奋，并减轻疼痛行为。总之，这些发现表明了VDAC1在ATP动态和神经元兴奋性中的作用，突显其作为神经病理性疼痛潜在治疗靶点的价值。

论文解读：VDAC1在神经病理性疼痛中的作用机制

研究背景、现存问题与研究目的
神经病理性疼痛源于神经系统损伤导致的异常感觉处理，其外周机制主要涉及背根神经节（DRG）中初级传入伤害性神经元的变化，包括离子通道表达改变、神经元过度兴奋及异常突触可塑性。ATP作为细胞能量货币，通过维持离子梯度（如Na⁺/K⁺-ATP酶）支持动作电位（AP）的产生与传播，是神经元兴奋性的核心驱动因素。电压依赖性阴离子通道（VDACs）位于线粒体外膜（OMM），调控离子与代谢物（包括ATP）进出线粒体，VDAC1是其中含量最丰富、研究最广泛的亚型。在神经退行性疾病中，VDAC1功能异常与氧化应激、线粒体功能障碍密切相关。然而，外周神经系统（PNS）中VDAC1在神经病理性疼痛中的作用尚不清楚。本研究旨在探究DRG中VDAC1是否通过调控ATP从线粒体到胞质的运输，进而影响神经元兴奋性和疼痛行为。

研究人员开展的研究、结论及意义
研究人员利用小鼠慢性压迫性损伤（CCI）模型，结合单细胞qPCR、免疫荧光、行为学、电生理、钙成像、ATP定量及药理学干预等手段，系统解析了VDAC1在DRG伤害性神经元中的选择性表达及其在神经病理性疼痛中的功能。结果显示VDAC1在CCI后显著上调，并通过增加线粒体ATP外流提高胞质ATP浓度，直接增强神经元兴奋性。遗传学（基因敲减或条件性敲除）或药理学（DIDS）抑制VDAC1均能降低胞质ATP、抑制神经元过度兴奋并缓解疼痛。这些发现揭示了VDAC1作为ATP外流守门蛋白在伤害性神经元兴奋性调控中的关键作用，将其确立为神经病理性疼痛的潜在治疗靶点。该论文发表在《Advanced Science》。

主要技术方法
研究主要采用以下关键技术：单细胞定量PCR（qPCR）鉴定DRG神经元亚型的VDAC亚型表达；免疫荧光染色（小鼠及人类DRG和TG样本，人类样本来自中国医学科学院国家人类脑库）；siRNA或腺相关病毒（AAV2/9）介导的基因敲减/条件性敲除（Vdac1_fl/fl小鼠）；慢性压迫性损伤（CCI）模型构建；行为学测试（von Frey纤维丝测机械性痛觉超敏、Hargreaves法测热痛觉过敏）；全细胞膜片钳记录DRG小直径神经元AP、静息膜电位（RMP）等兴奋性参数；Fura-2 AM钙成像评估胞内钙响应；液相色谱-质谱（LC-MS）及ATP检测试剂盒分别测量组织及亚细胞（线粒体/胞质）ATP浓度。

研究结果
2.1 VDAC1选择性表达于伤害性神经元
通过单细胞qPCR发现，Vdac1主要限制性表达于Trpv1⁺、Scn10a⁺伤害性神经元，而Vdac2和Vdac3广泛分布于多种感觉神经元亚型及卫星胶质细胞（GS⁺）。免疫荧光证实，小鼠及人类DRG和TG中，VDAC1与伤害性标志物（CGRP、IB4、TRPV1）高度共定位，与大型神经元标志物NF200共定位极少（<5%），且不与卫星胶质细胞共定位。

2.2 感觉神经元VDAC1介导伤害感受
向小鼠DRG注射siVdac1（而非siVdac2或siVdac3）可显著减轻辣椒素（Cap）皮内注射诱发的机械性痛觉超敏和热痛觉过敏。条件性敲除Vdac1（AAV2/9-pirt-Cre注射于Vdac1_fl/fl小鼠）同样产生镇痛效应，且不改变基础感觉阈值。药理学抑制VDAC1（鞘内注射DIDS）也显著提高Cap刺激后的痛阈。

2.3 VDAC1在神经病理性疼痛的发生和维持中起重要作用
CCI术后第21天，小鼠DRG中Vdac1 mRNA和蛋白水平显著升高，免疫荧光显示VDAC1在PGP9.5⁺神经元中表达增强。Vdac1杂合（±）小鼠在CCI后机械性痛觉超敏和热痛觉过敏显著减轻，且基础痛觉正常。条件性敲除Vdac1同样缓解CCI诱发的疼痛。单次或重复鞘内注射DIDS均能有效减轻CCI后的疼痛行为。而敲减Vdac2或Vdac3对CCI痛行为无影响。

2.4 VDAC1介导神经损伤诱导的感觉神经元过度兴奋
CCI后，野生型小鼠DRG小直径神经元出现典型过度兴奋：RMP去极化、输入电阻增大、基强度（rheobase）降低、2×基强度刺激下AP数量增多。Vdac1(±)神经元则未见此过度兴奋，且对KCl（30 mmol L^-1）诱导的去极化钙响应幅度和响应比例均显著低于Vdac1(+/+)神经元。DIDS孵育1小时同样能显著减少CCI后DRG神经元的AP发放。

2.5 VDAC1介导的ATP转导促进感觉神经元过度兴奋
LC-MS显示，CCI后DRG中ATP/ADP比值显著升高，而Vdac1(±)及条件性敲除（CKO）小鼠中该升高被抑制。分离线粒体和胞质组分发现，CCI后野生型小鼠胞质ATP升高、线粒体ATP降低；Vdac1(±)小鼠中相反（胞质ATP降低、线粒体ATP升高）。通过膜片钳电极内液向DRG神经元直接补充ATP（4 mmol），可导致RMP去极化和基强度降低。在Vdac1(±) CCI小鼠神经元中补充ATP可恢复因Vdac1缺失而减弱的兴奋性。Cap刺激可增强野生型神经元线粒体膜电位（MMP），该效应在Vdac1敲低后减弱。

总结讨论与结论
讨论部分指出，本研究揭示了VDAC1通过控制线粒体ATP外流调节神经元兴奋性的新机制。与VDAC2/3广泛分布不同，VDAC1特异性富集于伤害性神经元，其上调是神经病理性疼痛的驱动因素而非结果。VDAC1缺失不影响线粒体基础状态（密度、MMP、氧化应激），亦无其他VDAC亚型代偿，提示其作用主要源于ATP通透性改变。胞质ATP升高可能通过关闭K_ATP通道、增强TRPV1活性或维持Na⁺/K⁺-ATP酶功能而促进神经元过度兴奋。此外，讨论提出VDAC1可能参与从外周伤害感受器到脊髓背角的连续疼痛通路，并与神经退行性疾病存在共同上游机制（如线粒体应激、钙失调）。但研究存在局限性：Pirt-Cre并非严格伤害性特异性；DIDS为非特异性阴离子转运抑制剂；鞘内给药无法完全区分DRG与脊髓效应；VDAC1上调的转录因子及翻译后修饰机制尚需实验验证。
结论：本研究表明VDAC1在调节伤害性神经元内ATP运输中发挥关键作用，并突显其对神经元兴奋性和神经病理性疼痛传递的重要贡献。靶向VDAC1可能为缓解神经病理性疼痛提供更精确和有效的方法。