白細(xì)胞介素-1β在病理性疼痛大鼠脊髓LTP中的作用及機(jī)制*

鐘 祎， 黃陽(yáng)亮， 許繼德

(1廣州醫(yī)學(xué)院生理教研室，廣東 廣州 510182 ；2中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院脊柱外科，廣東 廣州 510700)

1000-4718(2012)03-0541-05

2011-09-20

2012-01-05

廣州醫(yī)學(xué)院博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(No.2010C12)

△通訊作者 Tel：020-81340199; E-mail：victoria0720@126.com

白細(xì)胞介素-1β在病理性疼痛大鼠脊髓LTP中的作用及機(jī)制*

鐘 祎1△， 黃陽(yáng)亮2， 許繼德1

(1廣州醫(yī)學(xué)院生理教研室，廣東 廣州 510182 ；2中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院脊柱外科，廣東 廣州 510700)

目的探討白細(xì)胞介素-1β (interleukin-1β, IL-1β)在神經(jīng)病理性疼痛大鼠脊髓背角C纖維誘發(fā)電位長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation, LTP)中的作用及其機(jī)制。方法用坐骨神經(jīng)部分損傷(spared nerve injury, SNI)和腰5前根切斷(lumbar 5 ventral root transection, L5 VRT)方法復(fù)制大鼠病理性疼痛模型，觀察外源性IL-1β對(duì)正常大鼠及病理性疼痛模型大鼠脊髓背角C纖維誘發(fā)電位的影響，并且檢測(cè)p38 MAPK (p38 mitogen-activated protein kinase)和NF-κB (nuclear factor-kappa B)信號(hào)通路在其中的作用。結(jié)果500 μg/L IL-1β對(duì)正常大鼠C纖維介導(dǎo)的基本突觸傳遞和高頻刺激誘導(dǎo)的LTP都沒(méi)有影響，而5 μg/L的IL-1β可以在神經(jīng)病理性疼痛模型的大鼠上誘導(dǎo)出LTP。預(yù)先用p38 MAPK或NF-κB的抑制劑(SB203580或PDTC)可以完全阻斷IL-1β誘導(dǎo)的LTP。結(jié)論外源性IL-1β可誘導(dǎo)神經(jīng)病理性疼痛大鼠脊髓背角C纖維誘發(fā)電位的LTP。p38 MAPK和NF-κB信號(hào)通路可能參與這一過(guò)程。

白細(xì)胞介素-1; 長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng); p38 MAPK; NF-κB

突觸傳遞效率的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation， LTP)現(xiàn)象最早是在海馬發(fā)現(xiàn)的，是現(xiàn)在公認(rèn)的研究學(xué)習(xí)和記憶的突觸模型[1]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的其它部位比如脊髓也發(fā)現(xiàn)電刺激傳入C纖維以及末梢神經(jīng)損傷可以誘導(dǎo)脊髓背角LTP[2-3]。由于傳入C纖維傳遞痛覺(jué)信息并與脊髓淺層神經(jīng)元形成突觸聯(lián)系,脊髓LTP被認(rèn)為是一種痛覺(jué)記憶,是目前研究病理性疼痛的突觸模型[4]。

大量文獻(xiàn)表明，海馬LTP和脊髓LTP有著許多相同的機(jī)制。蛋白激酶C (protein kinase C, PKC)、蛋白激酶A (cAMP-dependent protein kinase A, PKA)和鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴(lài)性激酶II (calcium/calmodulin-dependent protein kinases II, CaMKII)在海馬LTP和脊髓LTP的作用方式相同[5]。激活多巴胺D1/D5受體或者原肌球蛋白相關(guān)受體B(tropomyosin-related kinase B, TrkB)受體可以誘導(dǎo)海馬和脊髓背角LTP[6-7]。很顯然，以這些分子為靶點(diǎn)的藥物可以治療病理性疼痛但同樣會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的并發(fā)癥——記憶功能受損。因此選擇性地抑制脊髓LTP非常重要。

致炎細(xì)胞因子比如腫瘤壞死因子 α (tumor necrosis factor α, TNF-α)和白細(xì)胞介素-1β (interleukin-1β,IL-1β)在突觸可塑性中起重要作用。病理濃度下它們可以抑制海馬CA1、CA3和齒狀回的LTP[8-9]。本研究的目的就是探討可以引起病理性疼痛的IL-1β對(duì)脊髓LTP的影響及其機(jī)制。

材 料 和 方 法

1材料

1.1動(dòng)物 成年雄性Sprague-Dawley (SD)大鼠，體重220～280 g，均由廣州醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。動(dòng)物分籠飼養(yǎng)，自由飲食。室溫及室內(nèi)相對(duì)濕度分別維持在(24±1)℃和(55±5)%，所有實(shí)驗(yàn)步驟均按照有關(guān)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用原則操作。

1.2主要試劑 重組大鼠IL-1β (Calbiochem), PDTC (NF-kappa B抑制劑，Sigma)首先溶解在0.9%生理鹽水中配成儲(chǔ)存液,分裝儲(chǔ)存在-80 ℃冰箱中。使用前用0.9%生理鹽水稀釋成所需濃度。SB203580 (p38 MAPK 抑制劑，Sigma)和SP600125 (JNK抑制劑，Calbiochem)先用DMSO溶解為50 mmol/L的母液,使用前再用0.9%生理鹽水稀釋。抑制劑預(yù)處時(shí)間為60 min，處理后吸出剩余抑制劑，再于脊髓表面加入IL-1β觀察抑制劑對(duì)IL-1β作用的影響，IL-1β的作用時(shí)間一直維持到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。所有藥物使用前先在恒溫水浴箱中預(yù)熱到37 ℃再加于脊髓表面。

2方法

2.1疼痛模型制作

2.1.1坐骨神經(jīng)部分損傷(spared nerve injury, SNI)模型[10]2 %氟烷麻醉大鼠，剔除大鼠左大腿毛發(fā)，0.5%氯已定消毒手術(shù)部位。剪開(kāi)大腿外側(cè)皮膚，鈍性分離肌肉，暴露坐骨神經(jīng)及其3個(gè)分支：腓腸神經(jīng)、腓總神經(jīng)和脛神經(jīng)。用5.0絲線(xiàn)緊緊結(jié)扎腓總神經(jīng)和脛神經(jīng)，并從結(jié)扎遠(yuǎn)端剪掉2～4 mm。注意不要損傷腓腸神經(jīng)，傷口分層縫合, 待動(dòng)物蘇醒后,與術(shù)前同條件喂養(yǎng)。

2.1.2腰5前根切斷(lumbar 5 ventral root transection, L5 VRT)模型[11]苯巴比妥鈉(50 mg/kg, 腹腔注射)麻醉動(dòng)物,所有操作在左側(cè)脊柱進(jìn)行。手術(shù)過(guò)程遵循無(wú)菌原則。剔除大鼠下背部的毛發(fā),暴露皮膚。0.5%氯已定消毒手術(shù)部位,鋪手術(shù)巾,使用消毒過(guò)的手術(shù)器械。從大鼠脊柱旁約腰4～骶2(L4～S2)脊髓節(jié)段處縱行劃開(kāi)皮膚,去除L5節(jié)段上下的肌肉組織,用咬骨鉗移去左側(cè)L6橫突后暴露L4～L5脊神經(jīng),用玻璃分針小心分離L5脊神經(jīng)并用3.0醫(yī)用縫合線(xiàn)牢固結(jié)扎并切斷,逐層縫合切口,待動(dòng)物蘇醒后,與術(shù)前同條件喂養(yǎng)。

2.2行為學(xué)測(cè)試[12]為了讓大鼠熟悉測(cè)試環(huán)境,消除大鼠心理因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，于測(cè)試前1周把大鼠放于測(cè)試箱內(nèi)15～20 min,隔天1次, 共3 次。于造模后1 d、3 d、7 d、14 d和21 d進(jìn)行痛行為學(xué)測(cè)試。測(cè)試箱為透明有機(jī)玻璃箱(18 cm×25 cm×18 cm),箱底為金屬網(wǎng)制成(網(wǎng)格為0.8 cm×0.8 cm),通過(guò)網(wǎng)孔用von Frey hair可以對(duì)大鼠足底部皮膚施加機(jī)械性刺激。刺激后大鼠出現(xiàn)迅速的撤足或舔足視為陽(yáng)性反應(yīng)。僅僅出現(xiàn)了撤足閾值明顯降低的模型動(dòng)物才用做電生理實(shí)驗(yàn)。

2.3電生理記錄 根據(jù)行為測(cè)試的結(jié)果，取造模后7 d的動(dòng)物(此時(shí)已出現(xiàn)明顯的痛覺(jué)過(guò)敏)進(jìn)行電生理記錄。烏拉坦(1.5 g/kg)腹腔注射麻醉，行氣管插管使大鼠自然呼吸；一側(cè)頸動(dòng)脈插管持續(xù)監(jiān)測(cè)大鼠血壓(波動(dòng)于80～120 mmHg)；在腰4～腰6(L4～L6)間行椎板切除術(shù)，暴露腰膨大。游離左側(cè)坐骨神經(jīng)，使用雙極氯化銀電極刺激坐骨神經(jīng)。除用于記錄的脊髓節(jié)段(腰膨大部位：L4～L6)外，暴露的神經(jīng)組織均用石蠟油覆蓋。用熱反饋式電熱毯使大鼠肛溫維持在37.0～37.5 ℃。脊髓背角C纖維誘發(fā)電位的記錄方法如下： 通過(guò)氯化銀電極電刺激游離的左側(cè)坐骨神經(jīng)以誘發(fā)脊髓場(chǎng)電位，鎢絲微電極(電阻0.5～1 MΩ)進(jìn)行細(xì)胞外記錄，用電控的微量推進(jìn)器(Narishige Scientific Instrument Laboratory)將電極深度控制在脊髓表面下100～500 μm。用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(ADC-42. PICO)以10 kHz的速度處理和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。以C纖維誘發(fā)電位的幅度作為參數(shù)。單方波(10～20 V，0.5 ms，1 min)刺激分離的左側(cè)坐骨神經(jīng)誘發(fā)脊髓背角電位，高頻刺激(40 V，0.5 ms，100 Hz，持續(xù)1 s，間隔10 s，4次)誘導(dǎo)C纖維誘發(fā)電位LTP。坐骨神經(jīng)的刺激點(diǎn)到脊髓背角的記錄點(diǎn)約為11 cm。每只動(dòng)物只做1次實(shí)驗(yàn),每只動(dòng)物電生理記錄總時(shí)間約為7 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后腹腔注射過(guò)量的烏拉坦處死動(dòng)物。

3統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

結(jié) 果

1正常大鼠脊髓表面給予IL-1β不影響高頻刺激誘導(dǎo)的脊髓背角LTP

圖1B顯示,在不同濃度的IL-1β (5 μg/L, 50 μg/L, 500 μg/L; 200 μL)的作用下，高頻刺激誘導(dǎo)的LTP水平和生理鹽水作用下高頻刺激誘導(dǎo)的LTP水平無(wú)顯著差異(P>0.05)。500 μg/L IL-1β 對(duì)C纖維介導(dǎo)的基本突觸傳遞亦無(wú)顯著影響,見(jiàn)圖1。

2神經(jīng)損傷大鼠脊髓表面給予IL-1β可以誘導(dǎo)脊髓背角LTP

在SNI模型大鼠脊髓表面給予濃度低至5 μg/L (200 μL) IL-1β可以引起脊髓背角LTP。給予IL-1β 30 min后,脊髓背角C纖維誘發(fā)的場(chǎng)電位明顯增加(143.2±11.8)% (P<0.05),165 min后場(chǎng)電位增加到(250.8 ± 17.5)%(P<0.05),并且在此水平維持到實(shí)驗(yàn)結(jié)束(n=7)。而IL-1β的溶劑生理鹽水對(duì)C纖維誘發(fā)電位沒(méi)有顯著影響(P>0.05)，見(jiàn)圖2A。IL-1β (5 μg/L, 200 μL)及溶劑生理鹽水對(duì)正常大鼠的基礎(chǔ)電位沒(méi)有顯著影響(P>0.05)，見(jiàn)圖2C。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果,我們?cè)贚5 VRT模型大鼠上進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn),結(jié)果與前面相似, 脊髓表面給予IL-1β可以誘導(dǎo)脊髓LTP (P<0.05)，見(jiàn)圖2B。

圖1進(jìn)正常大鼠脊髓表面給予IL-1β不影響C纖維介導(dǎo)的基本突觸傳遞，也不影響高頻刺激誘導(dǎo)的脊髓背角LTP

3p38MAPK和NF-κB信號(hào)通路在IL-1β誘導(dǎo)的脊髓背角LTP中的作用

在給IL-1β之前60 min,脊髓表面給予p38 MAPK抑制劑SB203580或NF-κB 抑制劑PDTC或JNK抑制劑SP600125, 結(jié)果顯示,SB203580 (100 μmol/L, 200 μL) 和PDTC (10 pmol/L, 200 μL)可以阻斷IL-1β誘導(dǎo)的LTP，而SP600125 (100 μmol/L，200 μL)未能阻斷IL-1β誘導(dǎo)的LTP,見(jiàn)圖3。這表明IL-1β通過(guò)激活p38 MAPK和NF-κB信號(hào)通路誘導(dǎo)神經(jīng)損傷大鼠脊髓背角LTP。

討 論

1致炎癥細(xì)胞因子在脊髓LTP和海馬LTP中作用不同

大量文獻(xiàn)表明病理濃度的TNF-α 和IL-1β可以抑制高頻刺激誘導(dǎo)的海馬LTP[13-14]。而現(xiàn)在我們的研究發(fā)現(xiàn)脊

圖2神經(jīng)損傷大鼠脊髓表面給予IL-1β可以誘導(dǎo)C纖維誘發(fā)電位的LTP

圖3p38MAPK和NF-κB信號(hào)通路而不是PDTC通路參與IL-1β誘導(dǎo)的LTP

髓背角給予IL-1β既不影響正常大鼠脊髓的基本突觸傳遞也不影響高頻刺激誘導(dǎo)的脊髓LTP，但是在神經(jīng)損傷(SNI或L5 VRT)引起的病理性疼痛大鼠上可以誘導(dǎo)出脊髓LTP。IL-1β對(duì)脊髓背角可塑性的影響和TNF-α 幾乎相同。這些結(jié)果都支持我們的推測(cè)，即致炎細(xì)胞因子對(duì)海馬和脊髓背角突觸可塑性的影響完全不同。在海馬和脊髓背角都存在LTP現(xiàn)象，海馬是學(xué)習(xí)記憶的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，海馬LTP也是學(xué)習(xí)記憶的突觸模型；而脊髓背角是感覺(jué)傳入的第一級(jí)換元部位，脊髓LTP是病理性疼痛的突觸模型。以往的研究發(fā)現(xiàn)脊髓LTP和海馬LTP存在許多相同機(jī)制，而我們的研究發(fā)現(xiàn)了IL-1β在兩種LTP中的作用完全相反，以IL-1β為靶點(diǎn)治療病理性疼痛不會(huì)損害海馬LTP，從而可以避免損害學(xué)習(xí)記憶功能。

2致炎癥細(xì)胞因子對(duì)突觸可塑性作用的機(jī)制

有文獻(xiàn)報(bào)道生理濃度的TNF-α引起神經(jīng)元表面AMPA (alpha-amino-3-hydroxy-5-methl-4-isoxalzole propionic acid)受體表達(dá)增加，從而增加突觸傳遞效率[15]。白細(xì)胞介素-1受體基因敲除小鼠的海馬記憶功能受損，并且海馬CA1區(qū)和齒狀回的LTP完全消失[16]。這些數(shù)據(jù)表明海馬記憶功能和長(zhǎng)時(shí)程突觸可塑性都需要TNF-α和IL-1的參與。然而，病理濃度的TNF-α 和 IL-1β通過(guò)激活p38 MAPK、JNK 和 NF-κB信號(hào)通路抑制海馬LTP[17-19]。在脊髓背角TNF-α通過(guò)激活p38 MAPK、JNK 和 NF-κB信號(hào)通路誘導(dǎo)神經(jīng)損傷大鼠的脊髓背角LTP[20]。我們現(xiàn)在的研究發(fā)現(xiàn)p38 MAPK 和 NF-κB 的抑制劑可以完全阻斷IL-1β誘導(dǎo)的脊髓LTP，但JNK的抑制劑沒(méi)有此效果。這表明JNK信號(hào)通路對(duì)TNF-α誘導(dǎo)的LTP很重要，但是并不參與IL-1β誘導(dǎo)的LTP。

3外周神經(jīng)損傷時(shí)致炎癥細(xì)胞因子的來(lái)源

有研究表明，外周神經(jīng)損傷時(shí)，脊髓背角膠質(zhì)細(xì)胞(包括小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞)大量激活，活化的膠質(zhì)細(xì)胞合成并釋放致炎細(xì)胞因子(包括TNF-α 、IL-1β、IL-6等)，參與神經(jīng)病理性疼痛的產(chǎn)生和維持[21]。我們?cè)缙诘难芯恳舶l(fā)現(xiàn)，脊髓背角小膠質(zhì)細(xì)胞的活化是誘導(dǎo)脊髓LTP的必要條件[22]，因此推測(cè)脊髓背角的膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)致炎細(xì)胞因子參與脊髓LTP及病理性疼痛的誘導(dǎo)和維持。

綜合已有的研究和本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為海馬LTP和脊髓LTP機(jī)制并不完全相同，致炎癥細(xì)胞因子TNF-α 和IL-1β在2種LTP中的作用完全相反，而外周神經(jīng)損傷時(shí)，活化的膠質(zhì)細(xì)胞合成并釋放致炎細(xì)胞因子，因此以膠質(zhì)細(xì)胞及致炎細(xì)胞因子為靶點(diǎn)的藥物可以選擇性抑制脊髓LTP，治療病理性疼痛的同時(shí)不損害海馬的學(xué)習(xí)記憶功能。

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Roleofinterleukin-1βinspinalLTPinratswithneuropathicpain

ZHONG Yi1, HUANG Yang-liang2, XU Ji-de1

(1DepartmentofPhysiology,GuangzhouMedicalCollege,Guangzhou510182,China;2DepartmentofSpineSurgery,TheFirstAffiliatedHospital,SunYat-senUniversity,Guangzhou510700,China.E-mail:victoria0720@126.com)

AIM: To investigate the role of interleukin-1β (IL-1β) in the long-term potentiation (LTP) of C-fiber-evoked field potentials in rats with neuropathic pain.METHODSThe rat model of neuropathic pain was produced by spared nerve injury (SNI) of sciatic nerve or the method of lumbar 5 ventral root transection (L5 VRT). The effect of exogenous IL-1β on C-fiber-evoked field potentials of spinal dorsal horn was tested in both intact rats and the rats with neuropathic pain. The roles of p38 MAPK and NF-κB in the process were also evaluated.RESULTSIL-1β at concentration of 500 μg/L affected neither basal synaptic transmission mediated by C-fiber nor spinal LTP induced by high frequency stimulation in intact rats. However, low concentration (5 μg/L) of IL-1β induced LTP of C-fiber-evoked field potentials in the rats with neuropathic pain. Pretreatment with either p38 MAPK inhibitor (SB203580) or NF-κB inhibitor (PDTC) completely blocked LTP induced by IL-1β.CONCLUSIONExogeneous IL-1β might induce spinal LTP of C-fiber-evoked field potentials in the rats with neuropathic pain. p38 MAPK and NF-κB may be involved in the process.

Interleukin-1; Long-term potentiation; p38 MAPK; NF-kappa B

R338

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2012.03.028