疼痛中枢敏感化与细胞信号转导.docx

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疼痛中枢敏感化与细胞信号转导

疼痛中枢敏感化与细胞信号转导

湖南省桃源县人民医院麻醉科（415700）胡兴国张云翔

【提要】研究说明疼痛中枢敏感化的发生发展可能与兴奋性氨基酸和神经肽受体的激活,钙依赖性蛋白激酶如PKC、PKG、CaMK以及PKA的活化,MAPK激活和CREB的磷酸化有关。

本文就近年来此方面的研究进展作一简介。

【关键词】疼痛;中枢敏感化;受体;蛋白激酶;MAPK;CREB

研究证实在外周组织、神经损伤或炎症反应时,常出现痛觉过敏、自发性疼痛和触诱发痛（allodynia）,这些表现均可能是损伤或炎症后脊髓背角神经元兴奋性增强所致,也就是中枢敏感化（centralsensitization）。

一些研究说明中枢敏感化的发生发展与细胞信号转导存在密切联系。

本文就近年来疼痛中枢敏感化与信号转导相关性的研究进展作一简介。

1兴奋性氨基酸和神经肽受体的激活与中枢敏感化

初级传入神经元C纤维的反复持久刺激，可使中枢神经系统〔CNS〕的功能和活性产生实质性改变。

组织损伤后，伤害性刺激经C纤维和Aδ纤维传入，并释放谷氨酸（GLU）、P物质〔SP〕等递质或调质，这些神经递质或调质作用于相应的受体，如N-甲基-D-天门冬氨酸〔NMDA〕和非NMDA受体、神经激肽〔NK〕1受体等，致使脊髓背角神经元兴奋性呈活性依赖性升高，即中枢敏感化。

其结果是脊髓背角细胞对现存传入冲动和原来的阈下传入冲动的反应性升高，产生

对正常刺激的反应性增强；

接受区域扩大和

新近传入冲动激活阈值降低等变化。

伤害性刺激导致C纤维释放的GLU,不仅激活α-氨基羟甲基异恶唑丙酸（AMPA）/红藻氨酸（KA）受体,而且也使突触后代谢型GLU（mGLU）受体活化,虽然mGLU受体并不形成离子通道复合体,但某些mGLU受体（mGLU1和mGLU5）与细胞内G蛋白相藕联。

研究发现激活G蛋白藕联的mGLU受体能增强AMPA/KA受体的活化效应和促使痛觉过敏的发生。

研究说明较大强度的刺激能引起初级传入神经末梢速激肽、SP和神经激肽A（NKA）的释放增加。

SP和NKA激活脊髓的NK1受体而介导伤害性感受的传递和脊髓敏感化。

除了突触后作用外,在伤害性感受器的中枢端存在的SP自身受体也能促使GLU的释放。

上述事件均能使突触后神经元的去极化过程明显延长,并促使电压依赖性Mg2+阻滞从离子型的NMDA受体中移位,从而导致神经元的去极化。

更为重要的是增加了经NMDA受体通道Ca2+的内流,使细胞内Ca2+浓度明显升高。

炎症或神经损伤所致的中枢敏感化和持续性疼痛状态（如痛觉过敏）的发生和发展常需要GLU的结合和NMDA受体的激活。

在炎症或神经损伤动物模型中鞘内或全身给予NMDA受体拮抗剂能阻滞或减轻疼痛的易化过程,与非NMDA受体拮抗剂不同的是,NMDA受体拮抗剂对短时程伤害性刺激并不产生镇痛效应。

但另一方面研究显示NMDA受体拮抗剂具有良好的抗痛觉过敏作用。

研究证实NMDA受体拮抗剂氯胺酮和AP5,在一旦中枢敏感化建立时就能够阻滞中枢敏感化的发生与发展和降低脊髓的过度兴奋状态。

临床研究也证实鞘内给予NMDA受体拮抗剂也能明显减轻神经病理性疼痛。

2细胞内信号转导级联与疼痛中枢敏感化

兴奋性氨基酸GLU和神经肽SP在中枢敏感化的产生过程中具有重要作用,这些神经递质通过激活电压门控性Ca2+通道,离子型受体和代谢型受体,导致电压敏感性离子通道Ca2+内流和Ca2+从细胞内钙库中释放,致使细胞内Ca2+浓度明显升高,细胞内Ca2+浓度的升高激活钙依赖性蛋白激酶,如蛋白激酶C（PKC）,蛋白激酶G（PKG）和钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaMK）。

此外通过钙/钙调蛋白机制激活腺苷酸环化酶,引起环腺苷酸（cAMP）明显升高和蛋白激酶A（PKA）的活化。

在钙非依赖性途径中G蛋白藕联受体可能与PKA存在密切联系。

已有大量的证据说明PKC与疼痛中枢敏感化有关。

在许多不同的疼痛模型中证实脊髓背角PKC的激活在调节脊髓的兴奋性方面所起的作用。

研究证实应用PKC激动剂佛波醇酯或细胞内注射PKC能使脊髓背角神经元的NMDA和非NMDAGLU电流明显增加;在外周神经损伤和伤害性刺激后脊髓的膜结合性PKC明显升高,伤害防御反应明显增强,这些现象均能被鞘内给予PKC转位抑制剂所抑制。

在敲除PKCγ的小鼠中发现神经病理性疼痛和炎症性疼痛明显减轻,而急性伤害性疼痛行为保持正常;免疫组织化学技术研究也显示PKCγ仅在脊髓背角Ⅱ层表达,这些研究结果均提示了PKC,尤其是PKCγ在脊髓中枢敏感化中的重要作用。

此外近年来的研究说明PKCε仅在初级感觉神经元中表达,可能在伤害性感受器的外周敏感化形成过程中发挥主要作用。

虽然PKC介导脊髓背角神经元NMDA受体磷酸化能使电压依赖性Mg2+阻滞移位,使GLU在静息膜电位水平通过NMDA离子通道产生较大的内向电流;但有研究说明PKC可能直接作用于AMPA受体,而对MNDA受体产生间接作用,PKC的主要作用不是对NMDA受体上的丝氨酸或苏氨酸残基直接磷酸化,而是通过另外的酪氨酸激酶作用于蛋白酪氨酸激酶Src的上游,CAKβ/Pyk2依次激活Src,然后使NMDA受体复合体上的酪氨酸残基发生磷酸化。

研究证实NMDA受体酪氨酸磷酸化能够增加其通道的开放时间和动力学。

此外PKC亦可能与PKG和PKA一样,通过磷酸化抑制性γ氨基丁酸（GABA）受体而降低抑制性中间神经元的传递作用,从而使脊髓神经元敏感化。

2.2NO/cGMP/PKG通路

一氧化氮（NO）/环鸟苷酸（cGMP）/PKG通路在疼痛中枢敏感化的形成中发挥重要作用。

研究证实激活NO/cGMP/PKG通路能使脊髓兴奋性氨基酸释放增加和导致继发性痛觉过敏。

炎症、外周神经损伤能使背根神经节（DRG）神经元和脊髓背角的NOS和cGMP水平明显升高;而鞘内给予NOS、NO、鸟苷酸环化酶（CG）或PKG抑制剂则能减轻鞘内给予NMDA和外周注射辣椒素、甲醛以及外周神经病变所引起的疼痛行为学变化和脊髓兴奋性氨基酸释放。

NMDA受体激活的某些作用依赖于NO和cGMP的形成,并且这些作用可能与特异性PKG异构体有关。

PKGⅠα亚型主要集中于脊髓背角,在炎症性痛觉过敏时PKGⅠα与脊髓神经元伤害感受活性的增强存在密切联系,例如在大鼠足底注射甲醛后脊髓背角浅层的PKGⅠα表达明显增加,而鞘内给予特异性的PKGⅠα、cGMP和NOS抑制剂以及NMDA受体拮抗剂则使脊髓背角浅层的PKGⅠα表达明显减少,同时减轻甲醛引起的痛觉过敏状态,但对急性疼痛反应无明显影响,证实了它们的抗痛觉过敏作用,而不是镇痛效应,这些结果提示PKG能增强NMDA受体的活性,NO/cGMP/PKG通路与脊髓敏感化有关。

2.3钙-钙调蛋白激酶Ⅱ

细胞内Ca2+能够促进钙-钙调蛋白复合体的形成,从而激活钙-钙调蛋白激酶Ⅱ（CaMKⅡ）。

研究证实皮内注射辣椒素能使脊髓CaMKⅡ蛋白和活性明显升高。

免疫组织化学和免疫印迹技术研究也说明辣椒素能增加CaMKⅡ对AMPA受体的磷酸化。

AMPA受体GLUR1亚单位的磷酸化能增加受体通道的开放时间,使更多的离子流通过通道孔,从而增加突触的强度和所诱发的反应。

研究说明给予αCaMKⅡ抑制剂能阻断AMPA受体的磷酸化和降低辣椒素导致的神经元反应的增强。

还有证据说明CaMKⅡ介导了NMDA受体的磷酸化和调节,在较低膜电位时这一过程促使了电压依赖性Mg2+阻滞的移位和增加NMDA受体通道的开放时间和受体的活化。

这些研究结果均提示了CaMKⅡ在脊髓中枢敏感化的形成中具有重要的作用。

2.4蛋白激酶A

有证据说明PKA在外周和中枢敏感化的发生发展中可能具有重要作用。

研究显示细胞内Ca2+浓度升高和G蛋白（Gs和Gq）的活化能激活腺苷酸环化酶/环腺苷酸（cAMP）/PKA级联反应。

研究证实选择性抑制PKA能有效的减轻皮内注射辣椒素所导致的触诱发痛,而且鞘内注射PKA激动剂福斯高林（forskolin）、cAMP类似物、cAMP或PKA催化亚单位能增加脊髓神经元对NMDA受体激动剂的反应性,并且能够逆转μ和δ阿片受体激动剂的抗伤害作用。

与PKC和PKG相仿,PKA能使NMDA受体磷酸化,从而增加其活性。

PKA对抑制性GABA受体的磷酸化也使脊髓神经元的敏感性增加。

研究说明PKA和PKC介导的NMDA受体磷酸化发生在两个不同的位点,从而导致在易化期间这两种蛋白激酶对脊髓神经元产生不同的作用。

例如,PKA级联与背角神经元对伤害性刺激的敏感化有关,而背角神经元对低阈刺激的敏感化可能是PKC信号转导级联活化所致。

这些研究结果提示了至少一种以上的蛋白激酶参与NMDA受体和随后的脊髓神经元活性的调节。

此外中枢敏感化时可能通过交叉激活机制增强蛋白激酶介导的受体活性作用。

有证据显示PKA和PKC级联以及PKA和PKG级联之间可能存在交叉或相互激活作用。

由于脊髓背角神经元内存在这些相互作用,那么当外周组织损伤信号启动后,一种蛋白激酶的激活可能引起包括其他几种蛋白激酶激活的级联事件,扩大外周组织损伤的信号,加速中枢神经元敏感化的形成。

3丝裂素活化的蛋白激酶激活与中枢敏感化

丝裂素活化的蛋白激酶（MAPK）是一类丝/苏氨酸蛋白激酶,在胞浆信号转导中起重要作用。

在哺乳动物中MAPK家族主要有三种MAPK:

细胞外信号调节蛋白激酶（ERKs）,c-JUN氨基末端激酶/应激激活蛋白激酶（JNK/SAPK）和p38MAPK。

一般认为MAPK主要介导细胞的生长调节、分化和存活。

最近的研究说明MAPK在疼痛中枢敏感化的形成和发展中可能具有重要作用。

3.1ERK/MAPK的激活与中枢敏感化

研究证实ERK可能与持续性痛觉过敏有关。

目前认为脊髓背角EPK激活具有伤害特异性。

在大鼠足底注射角叉菜胶或完全佛氏佐剂的致炎疼痛模型中,脊髓的ERK均能被磷酸化,而且ERK抑制剂通过消除外周和中枢敏感化而能有效的预防炎症性疼痛。

在实验性神经病理性疼痛和内脏疼痛模型中也发现脊髓的ERK被激活。

ERK不仅通过非转录过程产生短时程的功能性改变,而且通过增加基因的转录而产生长时程适应性改变。

例如活化的ERK能从胞浆易位到胞核,而激活RSK2,然后使转录因子cAMP反应元件结合蛋白（CREB）在丝氨酸133上磷酸化,磷酸化的CREB结合在cAMP反应元件（CRE）DNA启动区域位点而启动基因的转录。

事实上,外周炎症反应和神经损伤能引起脊髓背角神经元CREB磷酸化。

然而,除了立刻早期基因c-fos,ERK调节的特异性靶基因仍不清楚。

Ji最近证实激活背角神经元的ERK能通过前强啡肽和神经激肽1的转录调节而促使持续性炎症疼痛的发生。

3.2p38MAPK的激活与中枢敏感化

研究提示与疼痛有关的因素均能激活p38MAPK。

在多种疼痛模型上发现在脊髓的Ⅰ～Ⅳ层和Ⅸ层小胶质细胞磷酸化p38MAPK免疫反应阳性成分明显增加,而鞘内给予p38MAPK抑制剂可以减轻伤害感受性行为学变化。

这些研究均提示了脊髓小胶质细胞p38MAPK在痛觉过敏的产生过程中发挥重要作用。

离体和在体研究均证实细胞内Ca2+浓度升高使p38MAPK激活和磷酸化。

伤害性刺激后,释放的伤害性神经递质如GLU和SP均能引起细胞内Ca2+浓度升高。

磷酸化p38MAPK（P-p38MAPK）的形成随之激活磷酯酶A2（PLA2）,使花生四烯酸（AA）的形成明显增加,AA通过环氧化酶（COX）作用生成前列腺素（PGs）,而PGs,尤其是PGE2释放进入细胞外间隙后作用于C纤维突触前末梢,使其敏感化并增加伤害性神经递质如GLU和SP的释放;PGs除了这种突触前的易化作用外,还通过激活非选择性的阳离子通道而直接使背角神经元发生敏感化。

Svensson等研究证实鞘内给予p38MAPK抑制剂能减少NMDA诱发的PGE2释放和减轻痛觉过敏现象,鞘内注射NMDA使脊髓Ⅰ～Ⅱ层P-p38MAPK免疫反应性明显增加,说明p38MAPK与NMDA引起的PGE2释放和痛觉过敏存在密切联系,也进一步提示p38MAPK/PLA2/COX/PGs级联可能在中枢敏感化的形成和发展中具有重要作用。

在p38MAPK的下游,存在有MAPK活化蛋白激酶2（MAPKAP2）,MAPKAP2能使小热休克蛋白HSP27磷酸化。

在外周神经损伤后初级感觉神经元中HSP27的大量上调对维持细胞的生存具有重要作用。

令人感兴趣的是PLA2也位于p38MAPK的下游,PLA2的激活导致AA生成前列腺素（PGs）增加而参与中枢敏感化的形成。

在脊髓存在两种p38MAPK异构体,即p38MAPKα和p38MAPKβ。

其中p38MAPKα主要在脊髓背角神经元表达,而p38MAPKβ则在小神经胶质细胞中表达。

研究发现大鼠脊髓p38MAPKβ下调能阻断足底注射甲醛引起的伤害性反应和鞘内注射SP激活NK-1受体引起的痛觉过敏,而且p38MAPKβ下调也能阻止足底注射甲醛和鞘内注射SP引起的p38MAPK磷酸化的增加,而p38MAPKα却无此作用,提示了脊髓小神经胶质细胞p38MAPKβ在脊髓伤害性感受的传递过程中可能具有重要作用。

4cAMP反应元件结合蛋白与中枢敏感化

CREB是一类转录因子,特异结合于基因启动子上游CREDNA序列。

CREB的活化受多种蛋白激酶的磷酸化调节,它以双体形式结合于CRE,其并通过共激活蛋白（coactivators）CBP和P300介导调节多种基因的转录。

研究证实多种蛋白激酶如PKA、CaMKⅡ/Ⅳ、PKC、RSK2等均可使CREB磷酸化。

Xing等研究也发现p38MAPK介导了神经生长因子（NGF）引起的CREB的活化。

近年来研究提示CREB可能在神经病理性疼痛的发生发展中具有重要作用。

研究发现外周组织炎症能以MNDA依赖性方式导致背角神经元CREB磷酸化。

Ma等在大鼠坐骨神经部分结扎模型中发现在坐骨神经部分结扎后3周,脊髓背角磷酸化CREB表达增加,并与PKCγ共存。

在坐骨神经慢性结扎损伤（CCI）模型中也发现在CCI后7天CREB磷酸化增加,并随着大鼠热痛觉过敏的消失而降低。

而应用CREB反义寡核苷酸,不仅能抑制CREB的磷酸化,同时也抑制部分坐骨神经结扎大鼠的触诱发痛。

Miletic等研究显示在大鼠CCI后2h或背角应用可渗透细胞的PKA激活剂Sp-8-Br-cAMPS2h,脊髓背角磷酸化CREB（pCREB）、磷酸化PKAⅡα调节亚单位（pPKA）和PKAα催化亚单位（PKAαcat）的水平均明显升高,而背角应用可渗透细胞的PKA抑制剂Rp-8-Br-cAMPS能明显降低CCI引起的pCREB、pPKA和PKAαcat水平的升高。

Miyabe等也发现在大鼠CCI后2h脊髓背角pCREB明显增加;与对照组比较,特异性PKA、PKC、ERK1/2和CaMKⅡ抑制剂能明显减少与结扎相关的CREB磷酸化;联合应用ERK1/2和CaMKⅡ抑制剂也减少与结扎相关的CREB活化,但其程度与单独应用任一激酶抑制剂比较无明显区别;在给予特异性PKA、PKC和ERK1/2激动剂后2h,脊髓背角pCREB明显增加,而预先给予ERK1/2抑制剂能消除PKA或PKC激动剂导致的CREB磷酸化增加;在CCI后2h也发现ERK1/2磷酸化明显增加,上述每一种激酶抑制剂也能减少与结扎相关的ERK1/2磷酸化,这些结果提示了在CCI早期引起的脊髓背角CREB磷酸化是由多种蛋白激酶途径所介导的,PKA、PKC和CaMKⅡ激活CREB至少部分与ERK途径有关。

虽然研究说明疼痛中枢敏感化的发生发展可能与兴奋性氨基酸和神经肽受体的激活,钙依赖性蛋白激酶如PKC、PKG、CaMK以及PKA的活化,MAPK激活和CREB的磷酸化有关,但针对中枢敏感化的发生发展环节,寻找更为有效的作用于特异性靶位的镇痛药物或镇痛方法有待进一步研究。

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