神经源性痛的发病机制

神经源性痛的发病机制

神经退行性疼痛（或神经过渡性疼痛）是指由中枢神经或外周神经系统损伤或疾病引起的疼痛综合征，具有自发疼痛、疼痛过敏和疼痛综合征。自发性疼痛表现为自发性、随机性和持久性的烧灼痛、绞痛、抽痛等异常感觉;痛觉过敏是由伤害性刺激引起的异常增强和延长的疼痛;痛觉超敏是指由非伤害性刺激引起的疼痛。神经源性痛是一种慢性神经病理性疼痛,在人类很常见,但其发病机制尚不完全清楚,在临床上缺乏有效的治疗手段。在慢性疼痛中,神经源性痛的治疗远比炎症痛困难,因此其发病机制的研究得到越来越多的关注,成为慢性痛研究中的一个热点。神经源性痛的发病机制包括外周机制和中枢机制。外周机制包括损伤的外周传入纤维异位放电、神经元的交互混传现象和交感神经对损伤的感觉神经元的兴奋作用;中枢机制包括脊髓背角神经元的敏化、脊髓抑制性中间神经元功能下降以及传入脊髓的Aβ纤维长芽和脑中枢的敏化。本文重点介绍神经源性痛的动物模型,以及外周和中枢的发病机制方面近年来的研究进展。一、神经起源疼痛的动物模型1.外周血神经损伤的多表现70年代初,Wall实验室应用结扎并切断大鼠坐骨神经的方法建立了神经瘤模型。该模型动物在损伤后几天或几周内出现自噬现象,类似人类幻肢痛的症状。由于该模型操作简单,造成的损伤十分稳定,因此一直被用来研究外周神经损伤后发生的可塑性变化。然而,神经瘤模型不能完全代表临床上的神经源性痛症状,其研究只能说明去神经支配产生的疼痛(幻肢痛)机理,不适于对诱发疼痛的研究。2.术后动物的热痛觉超敏CCI模型是由Bennett和Xie(谢益宽)于1988年首先建立。将大鼠一侧坐骨神经用4条铬制羊肠线分别相距约1mm做松结扎,直到神经外膜稍稍受压为止。术后动物出现自发性疼痛、热痛觉过敏、冷和机械性的痛觉超敏,持续长达2个月以上。该模型的特点是热痛觉过敏的症状较突出,但手术操作的重复性较差。3.骨神经的固定PNL模型由Seltzer等人于90年代初建立。将大鼠坐骨神经二分之一至三分之一的神经纤维紧紧结扎。术后动物患侧足表现为热痛觉过敏和机械性痛觉超敏。该模型的特点是机械性痛觉超敏的症状较突出,但神经损伤的程度较难控制,结果较难重复。4.术后动物的疼痛90年代初,Kim和Chung建立了SNL模型。将大鼠腰5、腰6脊神经紧紧结扎,术后动物出现自发性疼痛、热痛觉过敏、冷和机械性的痛觉超敏和冷诱发的持续性疼痛。本模型的特点是机械性的痛觉超敏和冷诱发的持续性痛这两个症状较突出,持续时间长,可持续2～3月以上,该模型手术操作较复杂,但重复性好。5.糖尿病大鼠疼痛情况Courteix等人在四氧嘧啶诱发的糖尿病大鼠上进行了系统观察,发现糖尿病发生后,动物出现自发性疼痛、痛觉过敏和痛觉超敏,两周达到显著水平(Courteix,1993)。这种痛觉过敏和痛觉超敏与人类糖尿病引起的神经源性痛相似。6.特殊动物模型的建立中枢神经系统疾病或损伤引起的疼痛综合征称为中枢痛(centralpain)。在临床上常见的发病原因有脑血管意外、脊髓损伤、多发性硬化症、恶性肿瘤、帕金森病等。中枢痛一般比较强烈,而且十分顽固难治。但是对中枢痛的研究一直缺乏理想的动物模型,近几年已建立起一些动物模型。徐晓军(Xu,1992)等将一种光敏染料(eythrosinB)静脉注射,然后用激光照射脊髓的某个节段,造成照射部位脊髓表面血管内血小板大量聚集和短暂的血管梗阻。经过一周至几个月的潜伏期,脊髓损伤严重的动物表现出相应体感区强烈的机械性和冷痛觉超敏,但对热刺激的感受正常。Yezierski等人将微量兴奋性毒素如使君子酸(quisqualicacid)或红藻氨酸(kainicacid)注射于大鼠脊髓内,造成局部脊髓变性、坏死而形成空洞。大鼠相应的体感区表现出显著的机械性痛觉超敏(Yezierski,1993)。目前已在小鼠身上建立了类似的模型(Defrin,1993)。二、疾病机制随着动物模型的发展,对神经源性痛的研究逐渐深入。目前对神经源性痛的研究主要集中在两个方面:一个是外周机制,另一为中枢机制。1.神经损伤后正常神经电活动的激活神经电活动的产生取决于跨膜离子通道的组成、分布和功能特性。正常小直径的和大直径的传入纤维,在不受任何刺激的情况下是不会发生自发放电的。神经受到损伤后,轴突的损伤区及背根节(DRG)胞体膜上离子通道的密度和开放特性发生改变,使外周传入纤维表现出兴奋模式和传导特性的改变,从而产生异常的电冲动,传向脊髓(Zhang,1997;Newton,2001)。应用离子通道阻断剂及兴奋剂的研究结果证明,神经损伤区及它的DRG神经元对离子通道药物的敏感性明显高于正常神经(Kajander,1992;谢益宽,1991)。神经损伤后,应用对正常神经轴突或DRG神经元胞体为阈下浓度的K+通道阻断剂四乙胺(TEA),即可诱发静息神经纤维和DRG神经元放电或增加自发放电频率,而应用阈下浓度的Na+或Ca2+通道阻断剂,就能抑制异位电活动,说明在神经损伤区及DRG胞体处有异常的离子通道分布,对周围环境微小的K+、Na+、Ca2+浓度的变化十分敏感,成为异位电活动的起博点。应用N型Ca2+通道阻断剂和Na+通道阻断剂能抑制异位电活动和自发性的电活动,减轻神经源性痛,进一步说明Ca2+通道和Na+通道在形成神经源性痛中的重要作用(Devor,1992;Chaplan,1995;Strichartz,2002)。神经元的交互混传是指一个神经元的电活动,通过非突触的相互作用影响邻近神经元的电活动。正常情况下,神经纤维之间的这种相互影响是很小的。神经损伤后,轴突受到损伤而脱髓鞘或形成神经瘤,神经纤维之间的绝缘作用减弱,当某一纤维被激活时,去极化电位便扩散到邻近静息的神经纤维,诱发它们放电,形成反复发放的神经环路,从而激活静息的神经元(Seltzer,1979)。另外,由于某些神经元反复放电,细胞外的K+浓度增加,K+扩散到邻近的神经元导致邻近神经元去极化,这是DRG内胞体之间混传现象的主要原因(Dever,1990)。通过混传机制,参与放电神经元的数目和发放的频率在神经损伤区和DRG之间被放大。特别有趣的是,这种混传现象可发生在不同种类的神经纤维和DRG胞体之间,低阈值的Aβ纤维和DRG的大细胞能分别激活高阈值的C纤维和DRG的小细胞,从而引起痛觉超敏。(3)外周血神经损伤的发病机制正常情况下,DRG内有少量沿血管走行的交感神经节后纤维,起着控制血流的作用,但不穿入DRG神经元的簇集区。外周神经损伤后,交感神经向DRG内发芽,围绕DRG的细胞体特别是大细胞形成篮状结构。电镜观察发现,交感神经末梢和DRG神经元之间形成直接或间接的对合,形似突触。同样在神经损伤处,也发现交感神经纤维的数目明显增加。使人感到迷惑的是什么原因诱发交感神经向DRG和损伤的神经内长芽。最近的研究表明,外周神经损伤能诱发损伤的传入神经纤维的胞体、雪旺氏细胞和成纤维细胞释放神经生长因子(NGF)和白细胞抑制因子(LIF),这两者是交感神经的营养因子,能诱发交感神经长芽。有趣的是损伤神经相邻节段未损伤的DRG内也有交感神经节后纤维的发芽,其机制尚不清楚。由于交感神经对损伤神经细胞和临近正常的神经细胞的这种异位支配,使交感神经参与神经源性痛的形成。正常情况下,交感神经纤维对外周感觉神经元无直接影响。但神经损伤后,刺激相应的交感神经干或局部应用交感神经节后神经元的介质去甲肾上腺素,可诱发损伤神经及邻近完整的传入神经的A/C纤维强烈放电。以上的结果提示,外周神经损伤后,交感神经对感觉神经元的异位支配,使感觉神经元,特别是受损神经元的兴奋性增加,从而使传到脊髓背角的异位冲动增加。应用几种不同的神经源性痛大鼠模型的研究证明,全身或局部应用酚妥拉明,能阻断自发或去甲肾上腺素诱发的放电,同时抑制痛觉过敏(Chen,1996)。2.nmda受体抗剂对髓背角神经元的抑制作用损伤神经的异位放电,在神经源性痛的发生和维持中起着很重要的作用。但是外周机制只能解释自发性疼痛和对伤害性刺激的痛觉过敏,不能很好地解释痛觉超敏和牵涉痛。事实上,神经损伤后,外周异位冲动长期持续地兴奋脊髓及其上位中枢,使中枢神经系统发生可塑性变化,引起中枢敏化。临床上有些神经源性痛,在外周异位冲动消失后仍然存在,可能与调制和传递伤害性感受通路神经元的形态学和表型改变有关。对海马的研究表明,改变突触前的刺激方式,可增强突触的效应,即相应地产生长时程增强效应(LTP)。最近的研究表明,在脊髓背角也能诱发出LTP,突触后Ca2+浓度和蛋白激酶活性的变化在LTP的发生过程中起着关键性作用。外周神经损伤后,脊髓背角在外周异位冲动的兴奋下,发生LTP,引起脊髓背角神经元的敏化(Sandkuhler,1998;Rygh,2000)。脊髓背角神经元敏化的具体表现是:对伤害性刺激的反应增强(hyperalgesia),反应阈值降低,属于低的正常范围的非伤害性刺激也能诱发反应(allodynia),感受野增大(牵涉痛),自发性冲动发放增加(自发性疼痛)。外周神经损伤可引起EAAs在脊髓背角释放增多(Kawamata,1996),激活脊髓NMDA受体,将静息状态时阻塞Ca2+通道的Mg2+移开,Ca2+通道开放,细胞内的Ca2+浓度增加(Isaev,2000),后者激活PKC,使PKC移位到细胞膜上,引起NMDA受体磷酸化,进一步使受体的功能上调,从而提高了受体后神经元的兴奋性。另外,激活位于初级传入神经末端(突触前)的NMDA受体,或通过NO的效应,同样能提高突触前神经元的兴奋性。由于突触前和突触后神经元的兴奋性都增加,从而引起中枢敏化。大量的实验证明,应用NM-DA受体拮抗剂能阻止神经源性痛觉过敏的形成,减轻神经源性痛的自发性疼痛、痛觉过敏和痛觉超敏(Qian,1996)。NMDA受体是由不同的亚基组成的。其组合方式为NR1/NR2A、NR1/NR2B、NR1/NR2C、NR1/NR2D。Boyce等的实验表明,NMDA受体的NR2B亚基较局限地位于脊髓背角,选择性的NR2B拮抗剂能减轻神经源性疼痛,并且没有运动功能的损害。由于NMDA受体在整个脊髓大量分布,进一步研究各种不同的亚基在脊髓的分布,设计选择性拮抗位于脊髓背角的NMDA受体的拮抗剂,可能是将来药物设计的一个靶点。神经损伤后,C纤维兴奋性增加,P物质大量释放,作用于脊髓背角的NK1受体,对诱导脊髓背角敏化起着很重要的作用(Abbadie,1997;Levy,2000)。NK1受体激活后,能激活磷脂酶C(PLC),使细胞内的三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DAG)的浓度增加。IP3能动员内质网内的Ca2+储库,使细胞内游离Ca2+的浓度增加;而DAG与Ca2+一起能协同激活蛋白激酶C(PKC),使NMDA受体磷酸化,提高NMDA受体的功能(Quartara,1997)。药理学实验证明,NK1受体拮抗剂能减轻神经源性痛,减少神经损伤所诱发的脊髓背角神经元感受域的扩大(Cumberbatch,1998;Gonzalez,2000);在脊髓背角NK1受体的激活能加强EAAs中介的NMDA受体的功能(Chapman,1996),而同时应用NMDA受体拮抗剂和NK1受体拮抗剂能协同阻断持续性疼痛状态下脊髓背角神经元的敏化(Ren,1996)。Nichols等的研究表明,选择性损伤脊髓背角表达NK1受体的神经元,不影响辐射热反应。在Ls、L6脊神经结扎前、后损伤这些神经元,都能减轻神经源性痛,说明脊髓背角表达NK1受体的神经元参与背角神经元的敏化。令人惊异的是Basbaum等(1999)发现无论是将前缓激肽原(PPTA)基因(编码P物质)敲除的小鼠还是将NK1受体基因敲除的小鼠,在神经损伤后神经源性疼痛的发展与正常小鼠无明显区别。尽管NK1受体拮抗剂在动物模型证明能治疗神经源性疼痛,但临床上应用却很少有效(Besson,1999)。因此,P物质及其受体与背角敏化之间的关系尚待进一步探讨。由以上的叙述可知,EAAs、P物质和其它的兴奋性递质能引起脊髓背角神经元发生快速的长时程的敏化。这种敏化是通过多种细胞内信号转导机制实现的,其中细胞内Ca2+浓度的升高和PKs的激活起着关键性的作用(Dina,2001)。胞内Ca2+浓度升高能产生以下几种生理效应:激活多种蛋白激酶(PKA、PKC、PKG、钙调素依赖的PKⅡ);激活NOS;调节即刻早期基因(IEG)的表达和基因转录,合成新的蛋白质,参与LTP的形成和维持。在各种蛋白激酶中,PKC的激活和移位与中枢敏化的关系比较明确。有证据表明,PKC的激活能增加顺行刺激脊髓背根诱发的脊髓背角神经元兴奋性突触后电位的时程和幅度,PKC的激活剂佛波脂能增加脊髓背角脊丘束神经元的自发性电活动和刺激所诱发的电活动。神经源性痛大鼠脊髓背角PKC的合成显著增加,移位增加;而抑制PKC的移位,能减轻神经源性疼痛。PKC参与中枢敏化的机制可能有两个,调节即刻早期基因(IEG)的活动,控制其基因表达;引起兴奋性的NMDA受体和抑制性的GABA受体磷酸化,导致NMDA受体的功能上调和抑制性中间神经元的传递效应下降(Lin,1996;Leidenheimer,1992)。PKC有多种异构体(PKCa、PKCb1、PKCb2、PKCg、PKCy),其在脊髓的分布不同。最近的研究表明,PKCg局限地分布于脊髓Ⅱ板层的内侧部,PKCg敲除的小鼠,对急性痛的反应正常,但坐骨神经部分损伤的小鼠发生机械性痛觉超敏和热痛觉过敏的程度明显降低,说明其在神经源性痛中可能起着重要作用。另外,Khasar等的研究证明,PKCγ基因突变的小鼠,基础伤害性感受阈值正常,但肾上腺素诱发的机械性和热痛觉过敏明显减轻(Khasar,1999)。神经损伤引起的神经源性疼痛在这种突变小鼠有无变化,尚需进一步探讨。目前,PKC其它异构体的分布特性和作用尚待进一步研究。PKA、PKG、钙调素依赖的PKⅡ等PKs与PKC一样都是促进脊髓背角神经元的敏化的物质,但目前尚不清楚其具体的作用途径,可能与GABA受体的磷酸化有关。在正常情况下,抑制性中间神经元抑制C纤维中枢端释放神经递质,抑制脊髓WDR神经元和投射神经元的兴奋性,起着抑制伤害性信息传递的作用。神经损伤引起中枢抑制性中间神经元发生形态改变。Sugimoto报道,神经损伤后,脊髓背角浅层(Ⅰ～Ⅱ层)抑制性的中间神经元出现跨突触的兴奋毒性改变,即出现“黑色神经元”,证明神经损伤能引起抑制性中间神经元的死亡(Sugimoto,1990)。进一步研究发现,若设法抑制黑色神经元的形成,则神经损伤后痛觉过敏的形成也受到抑制(Mao,1997)。另外,如上所述,神经损伤后,蛋白激酶被激活,引起GABA受体磷酸化,也导致抑制性中间神经元对伤害性信息传递的抑制作用减弱。鞘内注射GABA受体拮抗剂,阻断脊髓的GABA能抑制系统,可加重神经损伤引起的痛觉过敏,相反GABA激动剂能拮抗外周神经损伤引起的痛觉超敏[j(Satoh,1996),进一步证明中枢抑制性中间神经元功能下降,是引起神经源性痛的重要因素。正常情况下,Aβ纤维投射到脊髓的Ⅲ、Ⅳ板层,与非伤害性感受神经元和抑制性中间神经元发生突触联系,在传递非伤害性感受(如触觉)和抑制伤害感受中起着重要作用。外周神经损伤后,Aβ纤维向脊髓背角浅层(特别Ⅱ板层的内层)长芽,并且Aβ纤维的细胞表型发生改变,开始合成兴奋性的神经递质SP、VIP和EAAs。什么因素诱导Aβ向背角浅层发芽呢?迄今众说不一。DoubellMannon认为,位于脊髓背角浅层受损伤的TRKA阳性C纤维释放GDNF,吸引TRKB阳性的Aβ神经纤维长入脊髓背角浅层(Doubell,1997)。Aβ神经纤维向脊髓背角浅层长芽,为神经源性痛的痛觉超敏和痛觉过敏提供了结构基础。外周神经损伤除引起脊髓的突触连接发生改变外,也引起脊髓以上中枢的突触连接发生改变。研究表明,坐骨神经结扎后,丘脑和大脑皮层躯体感觉Ⅰ区神经元对机械和冷热刺激的反应都增加,并且躯体传入在躯体感觉Ⅰ区发生重新分布,隐神经的传入增加(Guiband,1995)。Tseng等证明外周神经损伤后,皮层脊髓神经元发生功能和结构的改变。更有趣的是,将利多卡因微量注射于头端腹侧延脑(RVM)和中脑导水管周围灰质(PAG),能阻断L5/L6脊神经结扎所引起的痛觉超敏,说明脊髓上中枢RVM和PAG的敏化参与了痛觉超敏(Pertovaara,1996)。随后Bian等(1998)又进一步证明,在胸髓水平将脊髓切断,能阻断痛觉超敏,减轻热痛觉过敏,进一步证明脊髓上中枢环路参与神经源性痛的形成(Ossipov,2000)。目前关于脊髓上中枢(丘脑、皮层、和其它脊髓上结构)敏化的机制尚不完全清楚,在持续性外周伤害性冲动传入的情况下,脊髓上中枢GABA能神经元传递功能的下降和NMDA受体功能的上调,可能在其中起重要作用。三、痛发病机制的研究随着多种神经源性痛动物模型的建立和发展,以及对神经源性痛发病机制的深入研究,治疗方面也有了一些进展。应及早进行治疗,防止伤害性传入冲动的持续传入引起中枢敏化,进而防止痛敏的发展。常用的治疗策略包括药物治疗、手术和电针治疗。1.其他通道阻断剂常用的战略是使用药物抑制疼痛传导通路神经元的异位放电和对伤害性刺激的反应。常用的药物有阿片受体激动剂、NMDA受体拮抗剂、α2肾上腺素受体激动剂、抗惊厥药、抗抑郁药、抗癫痫药、离子通道阻断剂包括N型Ca2+通道阻断剂和Na+通道阻断剂等(Hord,2001;Attal,2000;Nikolajsen,2000;Wallace,2000)。但药物治疗的副作用较大。如阿片受体激动剂长期应用易发生耐受和成瘾;NMDA受体拮抗剂能引起运动功能损害和脑皮层的神经毒性改变;α2肾上腺素受体激动剂能引起低血压。因此开发特异、高效、副作用小的药物是治疗神经源性痛的一个重要方向;