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 提要提要 研究表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 central sensitization 一些研究表明中枢敏感化 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 兴奋兴奋性氨基酸和神性氨基酸和神经肽经肽受体的激活与中枢敏感化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 A 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 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 研究表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 细细胞内信号胞内信号转导级联转导级联与疼痛中枢敏感化与疼痛中枢敏感化 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 2 1 蛋白激蛋白激酶酶 C 已有大量的证据表明 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 NMDA GLU 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 PKC 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 PKC 仅在 脊髓背角 层表达 这些研究结果均提示了 PKC 尤其是 PKC 在脊髓中枢敏感 化中的重要作用 此外近年来的研究表明 PKC 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 但有研究表明 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 CAK 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 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 2 NO cGMP PKG 通路通路 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 PKG 亚型主要集中于脊髓背角 在炎症性痛 觉过敏时 PKG 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 PKG 表达明显增加 而鞘内给予特异性 的 PKG cGMP 和 NOS 抑制剂以及 NMDA 受体拮抗剂则使脊髓背角浅层 的 PKG 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 钙调钙调蛋白激蛋白激酶酶 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 CaMK 研究证实皮内注射辣椒素能使脊髓 CaMK 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表明辣椒素能增加 CaMK 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 研究表明给 予 CaMK 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 还有证据表明 CaMK 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 CaMK 在脊髓中枢敏感化的形成 中具有重要的作用 2 4 蛋白激蛋白激酶酶 A 有证据表明 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 和 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 研究表明 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 丝丝裂素活化的蛋白激裂素活化的蛋白激酶酶激活与中枢敏感化激活与中枢敏感化 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 研究表明 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 1 ERK MAPK 的激活与中枢敏感化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 2 p38 MAPK 的激活与中枢敏感化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 层和 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 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 p38 MAPK 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 p38 MAPK 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 p38 MAPK 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 p38 MAPK 异构体 即 p38 MAPK 和 p38 MAPK 其中 p38 MAPK 主要在脊髓背角神经元表达 而 p38 MAPK 则在小神经胶质细胞 中表达 研究发现大鼠脊髓 p38 MAPK 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 p38 MAPK 下调 也能阻止足底注射甲醛和鞘内注射 SP 引起的 p38 MAPK 磷酸化的增加 而 p38 MAPK 却无此作用 提示了脊髓小神经胶质细胞 p38 MAPK 在脊髓伤害性感 受的传递过程中可能具有重要作用 4 cAMP 反反应应元件元件结结合蛋白与中枢敏感化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 CRE DNA 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 CaMK PKC RSK2 等均可使 CREB 磷酸化 Xing 等研究也发现 p38 MAPK 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 PKC 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 cAMPS 2h 脊髓背角磷酸化 CREB pCREB 磷酸化 PKA 调节亚单位 pPKA 和 PKA 催化亚单位 PKA cat 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 PKA cat 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 CaMK 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 CaMK 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 CaMK 激活 CREB 至少部分与 ERK 途径有关 虽然研究表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 主要参考文献 1 Mackey S Mechanisms of inflammatory pain therapeutic implications Journal of Clin Rheumat 2004 10 S5 S11 2 Jones TL Sorkin LS Basic neurochemistry of central sensitization Seminars in Pain Med 2003 1 3 184 194 3 Ji R R Woolf CJ Neuronal plasticity and signal transduction in nociceptive neurons implications for the initiation and maintenance of pathological pain Neurobiol Disease 2001 8 1 10 4 Obata K Noguchi K MAPK activation in nociceptive neurons and pain hypersensitivity Lief Sci 2004 74 2643 2653 5 Salter MW Cellular neuroplasticity mechanisms mediating pain persistence J Orofac Pain 2004 18 318 324 6Fang L Wu J Zhang X et al Calcium calmodulin dependent protein kinase II regulates the phosphorylation of cyclic AMP responsive element binding protein of spinal cord in rats following noxious stimulation Neurosci Lett 2005 374 1 4 7Sun RQ Tu YJ Lawand NB et al Calcitonin gene related peptide receptor activation produces PKA and PKC dependent mechanical hyperalgesia and central sensitization J Neurophysiol 2004 92 2859 2866 8Kawasaki Y Kohno T Zhuang ZY et al Ionotropic and metabotropic receptors protein kinase A protein kinase C and Src contribute to C fiber induced ERK activation and cAMP response element binding protein phosphorylation in dorsal horn neurons leading to central sensitization J Neurosci 2004 24 8310 8321 9Ji RR Peripheral and central mechanisms of inflammatory pain with emphasis on MAP kinases Curr Drug Targets Inflamm Allergy 2004 3 299 303 10 Adwanikar H Karim F Gereau RW 4th Inflammation persistently enhances nocifensive behaviors mediated by spinal group I mGluRs through sustained ERK activation Pain 2004 111 125 135 11 Brenner GJ Ji RR Shaffer S et al Peripheral noxious stimulation induces phosphorylation of the NMDA receptor NR1 subunit at the PKC dependent site serine 896 in spinal cord dorsal horn neurons Eur J Neurosci 2004 20 375 384 12 Liang DY Li X Clark JD Formalin induced spinal cord calcium calmodulin dependent protein kinase II alpha expression is modulated by heme oxygenase in mice Formalin induced spinal cord calcium calmodulin dependent protein kinase II alpha expression is modulated by heme oxygenase in mice Neurosci Lett 2004 360 61 64 13 Fang L Wu J Lin Q Willis WD Protein kinases regulate the phosphorylation of the GluR1 subunit of AMPA receptors of spinal cord in rats following noxious stimulation Brain Res Mol Brain Res 118 160 165 14 Obata K Yamanaka H Kobayashi K et al Role of mitogen activated protein kinase activation in injured and intact primary afferent neurons for mechanical and heat hypersensitivity after spinal nerve ligation J Neurosci 2004 24 10211 10222 15 Meller E Shen C Nikolao TA et al Region specific effects of acute and repeated restraint stress on the phosphorylation of mitogen activated protein kinases Brain Res 2003 979 57 64 16 Sweitzer SM Peters MC Ma JY et al Peripheral and central p38 MAPK mediates capsaicin induced hyperalgesia Pain 2004 111 278 285 17 Sevensson CI Marsala M Westerlund A et al Activation of p38 mitogen activated protein kinase in spinal microglia is a critical link in inflammation induced spinal pain processing J Neurochen 2003 86 1534 1544 18 Sevensson CI Hua X Y Protter AA et al Spinal p38 MAP kinase is necessary for NMDA induced spinal PGE2 release and thermal hyperalgesia NeuroReport 2003 14 1153 1157 19 Kim S Y Bae J C Kim J Y et al Activation of p38 MAP kinase in the rat dorsal root ganglia and spinal cord following peripheral inflammation and nerve injury NeuroReport 2002 13 2483 2486 20 Mizushima T Obata K Yamanaka H et al Activation of p38 MAPK in primary afferent neurons by noxious stimulation and its involvement in the development of thermal hyperalgesia Pain 2005 113 51 60 21 Sevensson CI Fitzsimmons B Azizi S et al Spinal p 38 isoform mediates tissue injury induced hyperalgesia and spinal sensitization J Neurochem 2005 92 1508 1520 22 Zhuang ZY Gerner P Woolf CJ et al ERK is sequentially activated in neurons microglia and astrocytes by spinal nerve ligation and contributes to mechanical allodynia in this neuropathic pain model Pain 2005 114 149 159 23 Ma W Quirion R Partial sciatic nerve ligation induces increase in the phosphorylation of extracellular signal regulated kinase ERK and c Jun N