The Inhibitory Effect of Opioid on the Hyperpolarization-Activated Cation Currents in Rat Substantia Gelatinosa Neurons

Abstract

The voltage- and time-dependent characteristics of the hyperpolarization-activated cation current (I_(h)) and the effect of opioid on Ih were investigated in rat substantia gelatinosa neurons. I performed the whole-cell tight seal method of voltage- and current-clamp recording in the transverse slice of pup spinal cord under visual control. In voltage-clamp study, current-voltage relationship from -130 to -40 mV revealed I_(h) In a subgroup of neurons (112 / 427). I_(h)-positive neurons were more observed in elder age and the resting membrane potential of this group was more depolarized than Ih-negative group. I_(h) was activated at potential negative to -60 mV and developed slowly with time. Cesium of 1 mM blocked 72.5 ±2.1.% of I_(h), while extracellular barium of 1 mM blocked only small portion of I_(h). The half-maximal activation of I_(h) occurred at about -100 mV and the reversal potential was near -40 mV. In the presence of DAMGO (1 M), a selective -opioid agonist, the amplitude of I_(h) was reduced by 26.2 ± 3.6 % (n= 40) and this reduction was blocked by CTOP (2 μ M), a selective μ -opioid antagonist. DAMGO shifted the voltage dependence of activation of I_(h) to more hyperpolarized potential. However the inhibitory effect of opioid was not observed during cesium application. In current-clamp study, I_(h) caused time-dependent rectification in response to hyperpolarizing current injection From the resting membrane potential. Cesium abolished the rectification and hyperpolarized the membrane potential while inward rectifier was blocked by extracellular barium. DAMGO also hyperpolarized the membrane potential like cesium. These results suggest that Ih contributes to the membrane potential in a subgroup of substantia gelatinosa neurons of which excitability is important in pain processing of spinal cord and the analgesic effect of opioids may partly be produced by the inhibition of I_(h).;흰쥐 척수 아교질의 신경세포 (substantia gelatinosa neurons: SG neurons)는 주로 통각정보를 전달하는 일차 감각세포의 시냅스를 받아 통각정보를 전달한다. 이 세포의 흥분성은 통증의 역치를 결정하는 척수 내의 첫 관문의 역할을 하며, 많은 종류의 신경전달물질이 이 신경세포의 시냅스 전달을 매개하거나 혹은 시냅스 통합에 기여하고 있다. SG neurons에서 확인한 과분극에 의하여 활성화되는 양이온 전류 (hyperpolarization-activated cation current: I_(h))의 특성과 I_(h)에 대한 opioid 의 효과를 visual slice patch-clamp recording을 통하여 규명하고 그 생리적인 의의를 밝히고자 하였다. 실험방법으로 생후 9-13일된 흰쥐를 사용하여 SG neurons을 광학적으로 확인한 후 막전압 고정에 따른 이온 전류를 분류하고 기록하는 전세포 막전압 고정법을 시행하였다 우선, 막전압을 안정막근처에 고정하고, -130 mV에서 -40 mV까지의 전류-전압 관계에서 427개의 세포예서 112개의 I_(h)를 확인할 수 있었다. I_(h)를 나타내는 세포는 나타내지 않는 세포에 비해 좀더 나이가 많은 군에서 관찰할 수 있었으며, 이 그룹의 안정막전압은 더 저분극화됨을 관찰할 수 있었다. I_(h)는 -60 mV보다 더 과분극에 의해서 서서히 활성화되었고, 비활성화는 보이지 않았으며, 특징적으로 느린 deactivation을 보였다. 그리고, 이 세포에 1 mM Cs^(+)을 적용하였을 때는 I_(h)의 72.5 ± 2.1 %를 감소시킨 반면에 1 mM의 Ba^(2+)을 적용하였을 때는 I_(h)의 작은 부분만 감소시켰다. I_(h)의 ha1f-maximal activation은 대략 -100 mV에서 보였으며, 역전전압은 거의 -40mV를 나타내었다. 1 u M의 DAMGO (a selective u-opioid agonist)는 I_(h) 크기를 26,2 ± 3.6 %를 감소시켰으며, 이 감소는 2 u M의 CTOP (a selective u -opioid antagonist)에 의해 차단되었다. DAMGO는 I_(h)의 활성화된 전압 의존성(voltage dependence of activation)을 더 과분극 방향으로 이동시켰다. 그러나, Cs^(+)에 존재하는 상황에서는 I_(h)에 대한 opioid의 감소효과는 관찰할 수 없었다. 막전류 고정법 (current-clamp study)에서, 이 세포는 막전압으로부터 hyperpolarizing current injection에 대해서는 시간 의존적 정류성(time-dependent rectification)을 보였다. 그리고, Cs^(+)은 이런 rectification을 없애고 막전압을 과분극시켰다. 반면, inward rectifier는 Ba^(2+)에 의해 차단되었다. DAMGO 또한 Cs^(+)과 마찬가지로 막전압을 과분극시켰다. 이런 결과늘 I-(h)가 inward rectifier외에도 안정막전압의 결정에 기여하여 SGN의 흥분성을 결정하고 스냅스후 통합에 기여하는 I_(h)와 같은 이온전류는 통각 결보가 중추로 전달되는 척수 수준의 관문을 조절하는데 중요한 역할을 할 것으로 여겨지며 opioid에 의한 무통증 효과(analgegic effect)는 부분적으로 I_(h)의 감소 효과에 의해 생겨날 수 있다고 결론 지을 수 있다.