脊髓損傷后神經(jīng)病理性疼痛機制的研究進展

劉俊，高峰，李迪，2，李建軍，1b，2

脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)對患者造成嚴重心理傷害，對家庭造成沉重經(jīng)濟負擔(dān)，并對社會造成巨大勞動力損失。SCI 后神經(jīng)重塑對神經(jīng)功能的恢復(fù)至關(guān)重要，但其可能促進神經(jīng)病理性疼痛(neuropathic pain，NP)的產(chǎn)生，NP通常有兩個突出的癥狀：異常性疼痛(本身存在自發(fā)性疼痛并由通常不會引起疼痛的刺激誘發(fā)疼痛加重)和痛覺過敏(通常引起疼痛的刺激引起的疼痛增加)[1]，50%～60%的SCI患者產(chǎn)生了相關(guān)癥狀[2]，推高了醫(yī)療保健費用[3]。

最近的研究表明SCI引起持續(xù)的神經(jīng)膠質(zhì)細胞活化[4]，并伴有神經(jīng)元過度活躍，從而為中樞神經(jīng)性疼痛提供了基礎(chǔ)，過度活躍的感覺神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞過表達受體和離子通道，啟動并維持膜結(jié)合蛋白的激活以及隨后的細胞內(nèi)下游事件，這些事件進而通過正反饋導(dǎo)致持續(xù)的神經(jīng)元活動亢進。在脊髓的受傷部位，由于免疫反應(yīng)引起的繼發(fā)性損傷在主要損傷后一周內(nèi)發(fā)生，在這種免疫反應(yīng)中，星形膠質(zhì)細胞通過異常的增殖和激活發(fā)揮重要作用。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞表現(xiàn)為促炎和神經(jīng)退行性表型，它們產(chǎn)生各種促炎性細胞因子和神經(jīng)毒性劑，這些因子會誘導(dǎo)神經(jīng)元過度興奮、神經(jīng)元細胞死亡以及神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕的形成，從而阻礙神經(jīng)元軸突的再生[5]。但具體機制尚不明確，本文為神經(jīng)病理性疼痛最新研究方向作一綜述。

1 神經(jīng)膠質(zhì)細胞活化相關(guān)

1.1 S100鈣結(jié)合β蛋白 S100鈣結(jié)合β蛋白(S100 calcium-binding protein β，S100β)是EF-手形(exchange factor hand，EF-hand)鈣結(jié)合蛋白家族的成員，主要由中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的星形膠質(zhì)細胞表達，在反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞中其產(chǎn)生和分泌得以增強，該蛋白在高細胞外濃度下顯示神經(jīng)毒性作用[6]，分泌到細胞外空間的S100β促進了進一步的星形細胞活化，從而引起S100β自分泌循環(huán)[7]，抑制星形膠質(zhì)細胞產(chǎn)生S100β可能是一種調(diào)節(jié)由于星形膠質(zhì)細胞活化引起的炎癥的有效方法。阿倫迪酸ONO-2506(arundic acid ONO-2506，ONO-2506)是一種通過抑制星形膠質(zhì)細胞產(chǎn)生S100β來抑制星形膠質(zhì)細胞活化的藥物，在腦外傷和缺血性腦損傷中，已證明ONO-2506可以減少病變擴大并改善神經(jīng)功能，并且已經(jīng)報道了其對SCI后運動功能恢復(fù)的作用[8]。在不完全SCI的大鼠模型中，ONO-2506 的給藥可減輕SCI后的神經(jīng)性疼痛，組織學(xué)結(jié)果支持抑制S100β產(chǎn)生和星形細胞活化有助于減輕NP。另外，在損傷部位的S100β表達強度與NP的嚴重程度之間證實了很強的相關(guān)性[9]。

1.2 G蛋白偶聯(lián)受體34 G 蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptor,GPCR)可識別各種細胞外分子并產(chǎn)生引起細胞應(yīng)答的細胞內(nèi)信號，鑒于GPCR及其配體在受損神經(jīng)元與周圍神經(jīng)膠質(zhì)細胞之間的相互作用中起著關(guān)鍵作用[10]，研究者在運動神經(jīng)損傷小鼠模型中進行了基因篩選，G 蛋白偶聯(lián)受體 34(G-protein-coupled receptor 34，GPR34)在損傷后顯示出明顯的上調(diào)[11]。多項轉(zhuǎn)錄組研究報道，GPR34 mRNA在小膠質(zhì)細胞中高度富集[12]，表明其在小膠質(zhì)細胞功能中的重要作用，發(fā)現(xiàn)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的某些區(qū)域，小膠質(zhì)細胞的數(shù)量和形態(tài)發(fā)生了改變，在缺乏GPR34的小膠質(zhì)細胞中，腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)釋放增加。在使用小鼠神經(jīng)性疼痛模型探究GPR34在激活的小膠質(zhì)細胞中的功能時發(fā)現(xiàn)GPR34介導(dǎo)的信號通過促進小膠質(zhì)細胞的促炎反應(yīng)而加劇了神經(jīng)性疼痛[13]。除創(chuàng)傷性損傷外，小膠質(zhì)細胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥還發(fā)生在神經(jīng)退行性疾病中，它影響神經(jīng)元的功能和存活[14]，是神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)損傷的潛在治療靶標(biāo)。

1.3 連接蛋白43 在許多NP模型中，縫隙連接(gap junction，GJ)通道的數(shù)量增加，尤其是連接蛋白43(connexin43，Cx43)表達的上調(diào)，導(dǎo)致各種類型的細胞因子的分泌并參與NP的形成。GJ廣泛分布于哺乳動物的組織中[15]，星形膠質(zhì)細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最豐富的細胞，主要表達Cx43[16]。除了影響縫隙連接外，Cx43還調(diào)節(jié)各種細胞過程，例如細胞生長和分化，細胞遷移和細胞存活。Cx43形成的縫隙連接在SCI后NP中發(fā)揮重要作用[17]，但其機制尚不清楚。神經(jīng)損傷后，神經(jīng)元與神經(jīng)膠質(zhì)細胞之間以及神經(jīng)膠質(zhì)細胞之間的GJ顯著加，并且神經(jīng)膠質(zhì)細胞對疼痛介質(zhì)(例如ATP)的敏感性也增加。同時，急性損傷期間受損神經(jīng)元釋放的ATP誘導(dǎo)T細胞、雪旺細胞和星形膠質(zhì)細胞的死亡[18]。長期的ATP作用會導(dǎo)致細胞分泌一系列細胞因子，從而進一步激活神經(jīng)膠質(zhì)細胞并加劇神經(jīng)元損傷，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞中Cx43在SCI后迅速而持續(xù)地被上調(diào)，通過使用Cx43抑制劑，神經(jīng)性疼痛已得到減輕，這將是值得探索的醫(yī)學(xué)研究途徑，有望為治療神經(jīng)性疼痛提供一種新興方法。

2 其他

2.1 2型氯化鉀共轉(zhuǎn)運蛋白 SCI后2型氯化鉀共轉(zhuǎn)運蛋白(K+-Cl-cotransporter isoform 2，KCC2)的下調(diào)分別抑制運動神經(jīng)元和背角間神經(jīng)元，引起痙攣和神經(jīng)性疼痛[19]。研究表明[(4-溴-3，6-二乙氧基苯并環(huán)丁烯-1- 基)甲 胺 氫 溴 酸 鹽 ]([(4-bromo-3，6-dime thoxybenzocyclobuten-1-yl)methylamine hydrobromide]，TCB-2)特異性激活5-羥色胺受體，可上調(diào)KCC2的功能，恢復(fù)運動神經(jīng)元抑制，減少SCI誘導(dǎo)的痙攣[20]。研究者測試了TCB-2對中樞性和周圍性神經(jīng)性疼痛的潛在鎮(zhèn)痛作用，發(fā)現(xiàn)在急性脊髓損傷大鼠中，給予TCB-2可減少機械和熱痛覺過敏。這種鎮(zhèn)痛作用與背角膜 KCC2 表達的增加有關(guān)，并通過鞘內(nèi)注射[[(二氫茚基)氧基]鏈烷酸]對KCC2進行藥理阻斷而得以阻止。相比之下，盡管背角膜KCC2表達略有增加，但TCB-2并未減輕周圍神經(jīng)損傷誘導(dǎo)的神經(jīng)性疼痛，通過靶向5-羥色胺受體來上調(diào)KCC2功能在治療SCI而非周圍神經(jīng)損傷引起的神經(jīng)性疼痛中具有治療潛力。

2.2 γ-氨基丁酸能核 有研究表明SCI后神經(jīng)性疼痛是由未定帶(zona incerta，ZI)中γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)能信號的降低引起的[21]。SCI 后，未定帶的GABA能核的活性受到抑制，ZI的GABA能核可以抑制嚙齒動物后丘腦的反應(yīng)[22]，因此SCI抑制ZI的GABA能核中的活性會導(dǎo)致丘腦后核(posterior nucleus of the thalamus，PO)的活動隨之增加，增加的PO活性與SCI后痛覺過敏的維持和表達相關(guān)。在GABA能信號是否影響SCI誘導(dǎo)的NP的研究中記錄并比較了半切SCI模型和假手術(shù)大鼠模型之間的神經(jīng)元活性，并分析了兩種模型在用GABA受體激動劑或拮抗劑治療后的神經(jīng)元活性[23]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與假手術(shù)對照組相比，進行了半切SCI的大鼠表現(xiàn)出后爪退縮閾、潛伏期和ZI神經(jīng)元活性降低，激動劑治療增加了ZI神經(jīng)元的放電率，而拮抗劑則導(dǎo)致其降低，用激動劑治療的半切SCI大鼠表現(xiàn)出增加的后爪退縮閾值和潛伏期，此外該研究還發(fā)現(xiàn)向ZI中注入GABA能藥物可恢復(fù)其抑制作用并改善神經(jīng)性疼痛行為。

2.3 sigma-1受體 有研究表明sigma-1受體(sigma-1 receptor，σ1R)可能在NP的發(fā)展中起關(guān)鍵作用[24]，σ1R配體可能是一種有效的治療靶點[25]，它們僅在病理條件下才有活性，已經(jīng)對其在NP中的治療潛力進行了研究[26]。在σ1R配體中，σ1R 拮抗劑MR309在涉及疼痛途徑敏化的動物模型上發(fā)揮抗痛覺過敏和抗痛覺過敏作用[27-28]。研究發(fā)現(xiàn)SCI后通過反復(fù)施用MR309進行的預(yù)防性治療減弱了急性期野生型CD-1瑞士雌性小鼠的NP產(chǎn)生。在外周損傷誘導(dǎo)的病理性疼痛模型中σ1R 的基因敲除導(dǎo)致小鼠疼痛相關(guān)行為的減弱[29]，此外這種脊髓損傷引起的NP的減輕與中樞致敏相關(guān)致病原上調(diào)缺乏有關(guān)[24]，這在受傷的野生型小鼠的脊髓中得到了證實。以SCI小鼠為研究對象，在受傷后連續(xù)28d用MR309進行給藥，可對野生型小鼠的機械性和熱痛覺過敏產(chǎn)生劑量依賴性的抑制[29]。根據(jù)這些結(jié)果，在SCI之后重復(fù)進行MR309治療是預(yù)防脊髓損傷后病理性疼痛發(fā)展的潛在藥理策略。

2.4 哺乳動物雷帕霉素靶蛋白 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)中，傷害性感受電路的敏化會導(dǎo)致異常性疼痛，新的基因表達支持這種致敏作用，這是疼痛途徑的生化和結(jié)構(gòu)重組所必需的[30]。隨著微陣列技術(shù)和測序技術(shù)的進步，與慢性疼痛相關(guān)的轉(zhuǎn)錄變化已得到廣泛研究，可促進對各種慢性疼痛狀態(tài)中的基因子集和轉(zhuǎn)錄差異的深入了解[31]。蛋白質(zhì)的細胞豐度在mRNA翻譯水平上受到高度控制，翻譯控制通過調(diào)節(jié)mRNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的效率來調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)水平。翻譯控制涉及多種機制，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，mTOR的激活，會促進下游效應(yīng)物的磷酸化，進而調(diào)控mRNA的翻譯[32]。研究表明mTOR參與了痛覺信息的傳遞和調(diào)節(jié)[33]，SCI 后 mTOR通道的蛋白表達增加了，在脊髓損傷中，脊髓mTOR通路和mTOR介導(dǎo)的p70核糖體S6蛋白激酶1(p70 ribosomal S6 protein kinase，P70S6K)通路和 4E結(jié)合蛋白4(4E-binding protein 4，4E-BP1)通路上調(diào)，導(dǎo)致機械和熱超敏反應(yīng)。此外研究發(fā)現(xiàn)通過鞘內(nèi)注射雷帕霉素阻斷脊髓mTOR可顯著抑制機械刺激和熱刺激引起的疼痛反應(yīng)，在脊髓損傷大鼠中，阻斷脊髓磷脂酰肌醇3激酶通路(phosphatidylinositide 3-kinase pathway,p-PI3K)可顯著減弱 mTOR 通路的活動以及機械和熱痛覺過敏，抑制mTOR和PI3K降低了SCI大鼠背角中P物質(zhì)和降鈣素基因相關(guān)肽的增強水平，降低mTOR通路的擴增表達，從而導(dǎo)致SCI誘發(fā)的神經(jīng)性病理性疼痛減弱[34]。此外，已有研究支持mTOR在調(diào)節(jié)長期神經(jīng)元可塑性方面發(fā)揮重要作用的觀點。雷帕霉素復(fù)合物1(mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1)對雷帕霉素更為敏感，mTORC1在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成和生長方面發(fā)揮著重要的作用，通過抑制mTORC1翻譯可降低與炎癥相關(guān)的機械性超敏反應(yīng)和神經(jīng)性疼痛，mTORC1激酶及其下游效應(yīng)子的細胞外信號調(diào)節(jié)激酶途徑(extracellular signaling-regulated kinase，ERK)和機制靶點已被廣泛研究，以了解翻譯在超敏反應(yīng)發(fā)展中的作用[35]。

2.5 基質(zhì)金屬蛋白酶 基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)在介導(dǎo)炎癥反應(yīng)、細胞信號傳導(dǎo)、細胞遷移、細胞外基質(zhì)降解以及組織重塑和修復(fù)中起著不可或缺的作用，它們是中樞神經(jīng)系統(tǒng)繼發(fā)性損傷的發(fā)病機理中的主要成分。Gurwattan等[36]研究了大鼠 SCI誘導(dǎo)的NP與ERK和Wnt/β-連環(huán)蛋白活性相關(guān)的基質(zhì)金屬蛋白酶2(matrix metalloproteinase-2，MMP-2)信號通路的關(guān)系，旨在探討MMP-2在SCI誘導(dǎo)的NP中的意義及其與ERK和β-catenin相互作用中細胞和分子變化的關(guān)聯(lián)，并證實慢性NP與MMP-2、β-catenin和ERK表達的變化有關(guān)。與假手術(shù)大鼠和未顯示痛覺過敏的受傷大鼠相比，MMP-2和β-catenin的表達在第21d～第42d升高并逐漸增加,磷酸化ERK(phosphorylated ERK，phospho-ERK)的表達在第21d增加，但在第42d恢復(fù)到基線水平，而總ERK水平則保持相對不變和恒定，表明磷酸化-ERK的瞬時上調(diào)與SCI誘導(dǎo)的NP狀態(tài)后β-catenin和MMP-2的初始上調(diào)有關(guān)。周圍神經(jīng)損傷和脊髓損傷具有許多相同的神經(jīng)炎癥和疼痛誘導(dǎo)的介質(zhì)。在周圍神經(jīng)損傷模型中，基質(zhì)金屬蛋白酶9(matrix metalloproteinase-9，MMP-9)通過白介素1β裂解以及小膠質(zhì)細胞活化誘導(dǎo)NP，MMP-2似乎通過持續(xù)的白介素1β裂解并在損傷后期誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細胞活化和增殖而在NP的持久性中發(fā)揮作用[37]。

2.6 活性氧 有證據(jù)表明活性氧(reactive oxygen species，ROS)可能會導(dǎo)致SCI動物產(chǎn)生NP[38]。ROS可以在疼痛過程中充當(dāng)特定的信號分子，通過施用清除劑或抗氧化劑化合物降低ROS水平可以減弱各種慢性疼痛動物模型中的傷害感受行為[39]。損傷后數(shù)周，病變周圍的反應(yīng)性小膠質(zhì)細胞/巨噬細胞 NADPH 氧化酶 2(nicotinamide adeninedinucleotide phosphate oxidase 2，NOX2)表達增加[40]，NOX2是細胞外和細胞內(nèi)ROS的關(guān)鍵誘導(dǎo)劑[39]，研究中發(fā)現(xiàn)全身性施用特定的NOX2抑制劑或耗竭NOX2可減弱小鼠胸脊髓損傷后機械、熱皮膚超敏反應(yīng)的發(fā)展并改善運動功能。NOX2基因敲除小鼠在SCI后顯示出組織損傷的減少和存活神經(jīng)元的增加,并減少了巨噬細胞的浸潤、ROS的產(chǎn)生以及促炎基因的表達。

3 前景與展望

神經(jīng)性病理性疼痛是SCI后神經(jīng)元重塑的副產(chǎn)物，是脊髓局部機械性壓迫、缺血、炎癥導(dǎo)致的神經(jīng)系統(tǒng)損傷引起的病理性反應(yīng)，最常由觸覺和冷、熱刺激引起，常于SCI后1年內(nèi)產(chǎn)生，其癥狀重，持續(xù)時間長，處理困難，對情緒、睡眠、生活質(zhì)量、社會活動、休閑娛樂以及就業(yè)產(chǎn)生了負面影響，其產(chǎn)生機制復(fù)雜，不同的疼痛狀態(tài)以及損傷特征可能反映不同的潛在機制。

神經(jīng)病理性疼痛包含異常性疼痛和痛覺過敏。異常性疼痛的定義為在無外界刺激情況下，自發(fā)地感覺身體某一部位有異常感覺，如觸電感、蟻走感等，這種病理性疼痛動物模型并不成熟，文獻中幾乎未提到。痛覺過敏定義為對刺激的反應(yīng)超過正常，輕微的刺激可引起劇痛，此種病理性疼痛動物模型較為成熟，學(xué)者們對其進行了廣泛研究，大部分專注于SCI后神經(jīng)膠質(zhì)細胞的活化，現(xiàn)階段研究集中于對S100β、GPR34、CX43、KCC2等靶點的調(diào)節(jié)，證實了它們對神經(jīng)病理性疼痛發(fā)生有影響，但遠遠不足以解決臨床問題，大量患者仍受疼痛折磨，故繼續(xù)積極探索神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生機制并尋找明確有效的臨床治療手段仍是主要任務(wù)。