CXCL12/CXCR4 信號通路參與慢性痛機制的研究進展*

李園園 胡奇妙 臺 燕 鄭小莉 尹誠語 劉伯一 方劍喬

（1浙江中醫(yī)藥大學第三臨床醫(yī)學院針灸神經(jīng)生物學實驗室，浙江省針灸神經(jīng)病理學重點實驗室，杭州 310053；2 浙江中醫(yī)藥大學中醫(yī)藥科學院電鏡研究室，杭州 310053）

疼痛是一種與組織損傷或者潛在損傷相關(guān)的不愉快的情感體驗。當疼痛病程超過3 個月以上即為慢性痛[1]。慢性痛是嚴重危害人類身心健康和生活質(zhì)量的慢性疾病，其反復發(fā)作、遷延難愈的特性往往導致病人長期備受折磨，嚴重影響病人的生活質(zhì)量。流行病學調(diào)查顯示，國內(nèi)外流行病學調(diào)查顯示，慢性痛的發(fā)病率高達30%左右[2]。有關(guān)慢性痛機制的研究一直以來是疼痛研究領(lǐng)域的熱點。研究表明趨化因子在慢性痛的發(fā)生與進展過程中起重要作用[3]，其中趨化因子CXC 趨化因子配體12 (chemokine C-X-C motif ligand 12,CXCL12)及其受體趨化因子CXC 基序受體4 (chemokine C-X-C motif receptor 4, CXCR4)在慢性痛機制中的參與作用正在被人們逐漸認識[4]。

CXCL12 又名基質(zhì)細胞衍生因子-1 (stromal cell-derived factor 1, SDF-1)，屬于趨化因子CXC 亞家族，其主要來源是活化的神經(jīng)膠質(zhì)細胞[5,6]，在維持組織體內(nèi)平衡、參與免疫細胞的生存，支持腫瘤細胞的生長和轉(zhuǎn)移等方面發(fā)揮重要作用[7,8]。CXCR4 是CXCL12 的特異受體，屬于G-蛋白偶聯(lián)受體[9]，在淋巴細胞、造血干細胞和腫瘤細胞等多種細胞中廣泛表達，并參與神經(jīng)系統(tǒng)功能的調(diào)節(jié)[7]。CXCL12 與CXCR4 結(jié)合后，可通過激活下游不同信號通路，例如細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(Extracellular signal regulated kinase, ERK)、磷脂酰肌醇-3-羥激酶(Phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase, PI3K)，絲裂原活化蛋白激酶的亞家族(M itogen-activated protein kinase, MAPK)和核轉(zhuǎn)錄因子(nuclear factor kappa, NF-κB)等，在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育以及突觸可塑性改變等方面發(fā)揮重要的作用[4]。

臨床常用治療藥物為非甾體抗炎藥和阿片類藥物，會導致消化道不良反應(yīng)、耐受等不良反應(yīng)，使用受到一定限制，因此亟待尋找出療效顯著而副作用小的新型藥物[10]。研究慢性痛發(fā)病機制對于尋找副作用少且鎮(zhèn)痛作用明顯的治療手段具有重要意義。慢性痛的機制研究一直以來是神經(jīng)科學領(lǐng)域研究熱點，近期一系列研究表明CXCL12/CXCR4 信號通路在介導和維持慢性痛過程中發(fā)揮重要作用，可促進慢性神經(jīng)病理性疼痛、炎性痛、癌性痛和阿片類藥物耐受的發(fā)展[6,11,12]。因此本文擬針對該信號通路參與慢性痛方面的最新研究進展進行綜述，以期為慢性痛治療提供解決方案。

一、CXCL12/CXCR4 信號通路在慢性神經(jīng)病理性疼痛的參與 作用

神經(jīng)病理性疼痛(neuropathic pain, NP)是病理痛的主要亞型，可由外周或中樞體感神經(jīng)系統(tǒng)的損傷或疾病引起[13]。研究表明CXCL12/CXCR4 信號通路參與慢性神經(jīng)病理性疼痛的產(chǎn)生和維持。在不同神經(jīng)病理性疼痛模型中，CXCL12/CXCR4 信號通路通過外周與中樞敏化參與神經(jīng)病理性疼痛[2]。

1.坐骨神經(jīng)分支選擇性損傷(spared nerve injury, SNI)誘導的神經(jīng)病理性疼痛模型

CXCL12 通過作用于CXCR4，激活外周傷害性感覺神經(jīng)元，引發(fā)痛覺敏化。在坐骨神經(jīng)分支選擇性損傷(SNI)大鼠模型同側(cè)L4-L5的背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglion, DRG)及脊髓背角中，CXCL12、CXCR4 以及腫瘤壞死因子(tumour necrosis factor, TNF-α)表達增多，上調(diào)脊髓中ERK 的磷酸化，誘發(fā)痛覺敏化。重復鞘內(nèi)給予CXCR4 抑制劑及TNF-α 抑制劑可預(yù)防脊髓中ERK 的磷酸化及有效緩解大鼠痛覺過敏[6]。SNI 誘導神經(jīng)病理性疼痛可導致興奮性神經(jīng)遞質(zhì)受體激活的增加，抑制性神經(jīng)遞質(zhì)例如γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)和甘氨酸表達減少[14]，促進疼痛的發(fā)生發(fā)展，應(yīng)用CXCR4 拮抗劑可以逆轉(zhuǎn)疼痛并恢復抑制性神經(jīng)傳遞，如針對神經(jīng)病理性疼痛的GlyRα3[15]。此外，通過小核糖核酸(Ribose Nucleic Acid, RNA)干擾技術(shù)沉默CXCR4 的表達后，也可緩解SNI 誘導的大鼠痛覺敏化現(xiàn)象[16]。上述研究說明，CXCL12/CXCR4 信號通路參與SNI 誘導的神經(jīng)病理性疼痛，并且TNF-α 釋放及ERK 的激活參與其中。

2.部分坐骨神經(jīng)結(jié)扎(partial sciatic nerve ligation, PSNL)誘導的神經(jīng)病理性疼痛模型

CXCL12/CXCR4 信號通路亦有參與部分坐骨神經(jīng)結(jié)扎(PSNL)誘導的神經(jīng)病理性疼痛的作用。在PSNL 模型早期階段，脊髓背角中的CXCL12 通過星形膠質(zhì)細胞依賴性方式表達增高，與小膠質(zhì)細胞表面的CXCR4 結(jié)合，引起小膠質(zhì)細胞活化，促進多種促炎細胞因子的產(chǎn)生，從而引起疼痛產(chǎn)生[17]。miRNA-23a 通過直接作用于CXCR4，可調(diào)節(jié)脊髓神經(jīng)膠質(zhì)細胞中的硫氧還蛋白相互作用蛋白(thioredoxin interacting protein, TXNIP) 以 及 NLRP3 炎 性小體促進PSNI 神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生[18]。鞘內(nèi)注射CXCR4 拮抗劑可顯著減輕PSNL 引起的痛覺過敏，并下調(diào)神經(jīng)膠質(zhì)中相關(guān)通路的激活，如MAPK(JNK, p38)和 NF-κB (p65)[19]。

3.慢性壓迫背根神經(jīng)節(jié)(chronic compression of the dorsal root nerve, CCD)誘導的神經(jīng)病理性疼痛模型

趨化因子信號傳導導致慢性疼痛的一種方式是直接刺激DRG 神經(jīng)元，其表達的趨化因子受體激活會導致細胞內(nèi)Ca2+的濃度增加。在慢性壓迫背根神經(jīng)節(jié)(CCD)小鼠模型中，DRG 神經(jīng)元中CXCL12、CXCR4 表達上調(diào)，誘導DRG 神經(jīng)元中Ca2+增加引起動作電位。腹腔注射CXCR4 抑制劑以及CXCL12 功能受損的小鼠，可緩解CCD 誘導的機械痛和熱痛痛覺過敏[20]。

4.腰椎間盤髓核突出誘導的神經(jīng)病理性疼痛模型

在腰椎間盤髓核突出癥(lumbar disc herniation,LDH)誘導的神經(jīng)病理性疼痛模型中，可通過激活轉(zhuǎn)錄因子STAT3 上調(diào)脊髓中CXCL12 表達，進一步介導痛覺過敏，并且鞘內(nèi)注射CXCL12 中和抗體或STAT3 抑制劑均能顯著抑制LDH 引起的脊髓中CXCL12 的上調(diào)[21]。

5.糖尿病并發(fā)的神經(jīng)病理性疼痛模型

在糖尿病誘發(fā)神經(jīng)病理性疼痛(painful diabetic neuropathy, PDN)小鼠模型中，CXCL12/CXCR4 信號通路可被增強，誘導DRG神經(jīng)元中Ca2+信號增強，上調(diào)DRG 中鈉通道Nav1.8 的磷酸化及表達水平，激活神經(jīng)元產(chǎn)生興奮，參與調(diào)節(jié)慢性病理痛。腹膜內(nèi)注射CXCR4 拮抗劑可改善PDN[22]。Fang 等[23]研究表明CXCL12 可通過作用于兩個河豚毒素鈉通道（Nav1.8 和Nav1.9），通過不同機制激發(fā)原發(fā)性傷害性感覺神經(jīng)元，參與慢性疼痛的發(fā)生發(fā)展。

6.人體免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)相關(guān)神經(jīng)病理性疼痛模型

在人體免疫缺陷病毒(HIV)相關(guān)神經(jīng)病理性疼痛模型中，DRG 神經(jīng)元中的CXCL12 信號傳導增強與TNF-α表達上調(diào)，并且呈現(xiàn)CXCR4受體依賴性現(xiàn)象[24]，且這一現(xiàn)象在腹膜內(nèi)注射CXCR4 拮抗劑后逆轉(zhuǎn)。上述研究表明CXCL12/CXCR4 信號通路參與HIV 相關(guān)神經(jīng)病理性疼痛的加工，CXCL12/CXCR4 信號通路可能成為HIV 相關(guān)神經(jīng)病理性疼痛治療靶點。

7.腦卒中后疼痛(central post-stroke pain, CPSP)模型

CXCL12/CXCR4 信號通路通過缺氧誘導因子1α (HIF-1α)介導小膠質(zhì)細胞-星形膠質(zhì)細胞-神經(jīng)元相互作用，在腦卒中后疼痛(CPSP)的產(chǎn)生和維持中有關(guān)鍵作用，丘腦內(nèi)CXCL12 過表達可促進CPSP的發(fā)生，丘腦內(nèi)施用CXCR4 拮抗劑可逆轉(zhuǎn)CPSP 以及阻斷CXCL12/CXCR4 信號通路的信號傳導，抑制疼痛的發(fā)生發(fā)展[25]。

8.癌癥化療藥物誘發(fā)的神經(jīng)病理性疼痛模型

在癌癥化療藥物誘發(fā)的神經(jīng)病理性疼痛模型中，如紫杉醇或長春新堿誘發(fā)周圍神經(jīng)痛模型，脊髓背角內(nèi)出現(xiàn)CXCL12 在蛋白水平和mRNA 水平的表達增加，同時增加表達CXCL12 的神經(jīng)元中信號轉(zhuǎn)導子和轉(zhuǎn)錄激活因子3 (signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)的磷酸化、組蛋白H4的乙?；约癝TAT3和p300之間的相互作用。表明在脊髓中STAT3 和p300 之間增強的相互作用介導了CXCL12 的表觀遺傳性上調(diào)，參與神經(jīng)病理性疼痛的產(chǎn)生與維持[26]。

二、CXCL12/CXCR4 信號通路在慢性炎性痛的參與作用

慢性炎性痛是臨床疼痛病癥中最常見的類型之一，廣泛存在于各種疾病進程中。其病程反復遷延，治療難度較大， 嚴重影響人們的生活質(zhì)量。近年來，慢性炎性痛的機制研究一直是國內(nèi)外的熱點，已有多個研究證明，趨化因子通過促進促炎細胞因子的釋放，參與調(diào)控炎性疼痛的發(fā)生與進展。

1.外源物質(zhì)性誘發(fā)的炎性痛模型

在完全弗式佐劑(complete Freund's adjuvant,CFA)誘導的慢性炎性痛模型中，可顯著上調(diào)DRG神經(jīng)元中CXCR4 的mRNA 和蛋白表達水平，下調(diào)DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT3B 表達和DRG 神經(jīng)元中CXCR4 基因啟動區(qū)低甲基化，增強p65 結(jié)合進而促進CXCR4 表達上調(diào)[27,28]。通過沉默CXCR4 表達或鞘內(nèi)注射CXCR4 拮抗劑可緩解CFA 所誘導的慢性痛覺過敏[15,28]。

在毒蜂誘導的炎性痛模型中，CXCL12/CXCR4信號通路通過介導衛(wèi)星膠質(zhì)細胞(satellite glial cells,SGC)-神經(jīng)元，上調(diào)ERK 依賴性Nav1.8 表達，調(diào)節(jié)原發(fā)性傷害性感受神經(jīng)元的興奮性，從而促進毒蜂誘導的炎性痛，而足底注射CXCR4 拮抗劑，或應(yīng)用siRNA 沉默CXCR4 表達，可預(yù)防毒蜂誘導的原發(fā)性機械痛覺過敏[29]。

2.慢性胰腺炎炎性痛模型

在慢性胰腺炎模型中，CXCL12/CXCR4 信號通路通過上調(diào)DRG 神經(jīng)元中的Nav1.8 通道的磷酸化和促進胰腺中巨噬細胞浸潤參與調(diào)節(jié)疼痛的發(fā)生[30]。在浸潤性膽管癌或胰腺癌植入支架引起炎性痛模型中，CXCR4 抑制劑可以減少局部炎性細胞的活化，緩解支架相關(guān)性局部炎性痛[31]。

3.骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)炎性痛模型

在骨關(guān)節(jié)炎(OA)模型中，雷公藤紅素通過抑制CXCL12/CXCR4 信號通路減輕關(guān)節(jié)疼痛[32]。研究表明，CXCL12/CXCR4 信號通路通過激活包括ERK 和p38 在內(nèi)的MAPK 通路，促進破骨細胞中破骨細胞的形成和抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase, TRAP)、 組 織 蛋 白酶K(cathepsin-k, CK) 和基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)的表達[33]。在體內(nèi)靶向阻斷CXCL12/CXCR4 信號通路，可上調(diào)microRNAs(miRNAs)，如 miR-221-3p，阻止 IL-1β 誘導的軟骨細胞外基質(zhì)的降解，也可下調(diào)相關(guān)基質(zhì)降解酶的表達，如MMP-3，MMP-9 和MMP-13，減輕軟骨的變性，是OA 的潛在治療靶點[34]。

4.缺血再灌注(ischemia reperfusion, IR)誘發(fā)炎性痛模型

中樞炎性痛，如脊髓缺血再灌注(IR)誘發(fā)炎性痛模型，CXCL12/CXCR4 通過介導星形膠質(zhì)細胞-小膠質(zhì)細胞活化參與炎性痛的調(diào)節(jié)[35]。CXCR4 拮抗劑鞘內(nèi)阻斷CXCL12/CXCR4 信號通路信號傳導，可降低IR 誘導的痛覺過敏。因此特異性阻斷CXCL12/CXCR4 信號轉(zhuǎn)導及抑制星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞活化是治療IR 相關(guān)炎性痛的潛在方法，對于臨床診療具有重要意義。

5.CXCL12/CXCR4 信號通路在術(shù)后痛覺過敏中的參與作用

術(shù)后疼痛是多數(shù)手術(shù)的常見癥狀，是一種獨特的急性疼痛狀態(tài)。盡管基礎(chǔ)和臨床研究已對其病理機制有了一定的理解，但目前尚無較好的術(shù)后治療手段。研究表明大鼠后爪足底切口增加NF-κB 的激活，介導脊髓中CXCL12 和CXCR4 表達上調(diào)，CXCL12 / CXCR4 信號通過激活ERK 參與術(shù)后疼痛的發(fā)生。預(yù)先鞘內(nèi)給予AMD3100，減弱足底切口誘導的機械性異常性疼痛和熱痛覺過敏。干預(yù)CXCL12 / CXCR4 信號傳導可成為治療術(shù)后疼痛的潛在靶點[36]。

三、CXCL12/CXCR4 信號通路在癌性痛中的參與作用

由原發(fā)性腫瘤或骨轉(zhuǎn)移引起的骨癌痛(bone cancer pain, BCP)是中度和重度癌性痛的最常見的原因。研究表明，CXCL12/CXCR4 信號通路激活后可促進肺癌、乳腺癌、前列腺癌和結(jié)腸癌等腫瘤細胞的惡性生長和轉(zhuǎn)移[37]。使用CXCR4 拮抗劑可顯著抑制癌細胞生長，提高患癌癥的小鼠的存活率[31]。在脛骨腔接種腫瘤細胞后，CXCL12/CXCR4 信號通路通過MAPK 激活致敏神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞及小膠質(zhì)細胞，促進炎癥因子釋放，如IL、TNF，造成持續(xù)骨癌痛[38]。因此，CXCL12/CXCR4 信號通路或是骨癌痛潛在的治療靶點。

四、CXCL12/CXCR4 信號通路在阿片類藥物誘導痛覺過敏中的參與作用

目前臨床上阿片類藥物治療被認為是治療慢性疼痛的有效方法，但由于阿片類藥物誘導的痛覺過敏(opioid induced hyperalgesia, OIH)，導致療效會隨著時間的推移而降低[39]。在正常大鼠的DRG 神經(jīng)元和脊髓背角中，CXCR4 分布在表達δ-阿片受體(delta-opioid receptor, DOR)和 μ-阿片受體 (mu-opioid receptor, MOR)的細胞上，暗示CXCL12/CXCR4 信號通路可能影響阿片受體活性[40]。阿片類藥物和趨化因子受體之間相互作用可作為減少臨床OIH 的突破點。

在瑞芬太尼誘導的OIH 模型中，脊髓中CXCL12/CXCR4 信號通路和膜聯(lián)蛋白1 (Annexin 1,ANXA 1)表達上調(diào)，N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor, NMDAR) 磷酸化增強。應(yīng)用CXCR4 抑制劑預(yù)處理可減少痛覺過敏和NMDAR 磷酸化。表明脊髓中的CXCL12/CXCR4信號通路、NMDAR 和ANXA1 參與調(diào)節(jié)OIH 的疼痛的發(fā)生發(fā)展[41]。

在嗎啡誘導OIH 模型中，大鼠脊髓背角中CXCL12 的 RNA 水平表達上調(diào)，而與CXCL12 中和抗體共同給藥可減弱耐受性，保持嗎啡鎮(zhèn)痛作用[14]。以上實驗表明CXCL12/CXCR4 信號通路參與調(diào)節(jié)OIH 的發(fā)生發(fā)展，干預(yù)CXCL12/CXCR4 信號傳導可成為治療OIH 的潛在靶點。

需要注意的是，以上不同的疼痛模型，CXCL12/CXCR4 的作用方式存在一定差異。據(jù)上文所述，其作用方式大致可分為兩種類型，①外周機制，如刺激外周傷害性感覺神經(jīng)元或直接刺激 DRG、調(diào)節(jié)鈉通道的磷酸化，促進促炎細胞因子的產(chǎn)生或細胞內(nèi)Ca2+的濃度增加等，上調(diào)CXCL12/CXCR4 信號通路的信號轉(zhuǎn)導；②中樞機制，通過介導膠質(zhì)細胞的活化、膠質(zhì)細胞-神經(jīng)元相互作用的中樞敏化，進一步通過不同的下游通道上調(diào)CXCL12/CXCR4 信號通路的信號轉(zhuǎn)導，參與神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生發(fā)展。而在特異性抑制CXCL12/CXCR4 信號通路的表達或其上下游通道的表達，都可以抑制痛覺敏化的發(fā)生發(fā)展。

五、展望與結(jié)論

綜上所述，越來越多的實驗結(jié)果表明CXCL12/CXCR4 信號通路參與慢性痛的產(chǎn)生與維持過程，在慢性痛中發(fā)揮重要作用。臨床上現(xiàn)有的鎮(zhèn)痛藥物，如阿片類藥、非甾體消炎鎮(zhèn)痛藥、抗抑郁藥和抗驚厥藥等，其鎮(zhèn)痛效果均不盡人意，限制了慢性痛的治療。因此，深入開展慢性痛的機制研究及研究成果對于未來鎮(zhèn)痛領(lǐng)域的探索具有重大啟示作用?？赏ㄟ^各種方式對CXCL12/CXCR4 信號通路進行干擾，如CXCL12 中和抗體、CXCL12 通路抑制劑、CXCR4 受體拮抗劑或基因靶向治療手段等，阻斷CXCL12 和CXCR4 的結(jié)合或者阻斷其下游信號傳導，達到治療慢性痛的目的。然而CXCL12/CXCR4信號通路與多條信號通路存在信號的交叉轉(zhuǎn)導，其相互作用方式制尚不明確。因此有必要對該通路的鎮(zhèn)痛機制進一步研究，為臨床治療慢性疼痛提供理論和實驗依據(jù)。