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病理性疼痛的中枢和外周机制

时间:2006-04-24 11:03来源:中山大学基础医学院(510089) 作者:bioguider 阅读:

 

  疼痛可分为两类。一是生理性疼痛,其特点是①仅能由伤害性刺激引起;②持续时间较短,其机能是引起机体的防御反应,对机体有保护作用。二是病理性疼痛,由损伤、炎症和肿瘤等各种疾病引起。表现为①自发性疼痛;②痛阈下降,即非伤害性刺激亦可引起疼痛;③痛反应增强;④持续时间长,有时病灶去除或损伤痊愈后,疼痛依然存在。顽固性的病理性疼痛严重地影响病人的生活质量,使病人痛苦不堪。因无法忍受剧烈疼痛而自杀者亦时有所闻。病理性疼痛的机制极其复杂,是现代神经科学的重要研究领域之一;顽固性疼痛是临床医生面临的一个最棘手的问题,它涉及到临床各科。近年来在病理性疼痛的机制研究方面取得了一些进展。本文就相关的主要问题进行一些讨论,希望对基础和临床工作者有所帮助。

  病理性疼痛是神经系统的一种疾病状态,是由中枢敏感化和外周敏感化引起的。以下分别讨论中枢敏感化和外周敏感化的机制。

一、 外周敏感化

  外周敏感化可概括位以下几个方面:

  1.组织损伤引起炎性介质,如5-羟色胺、缓激肽、K+等,释放,作用于痛觉感受器,产生过敏;

  2.神经损伤引起的异位冲动。在各种原因引起神经损伤时,被损伤的神经和微被损伤的传入神经纤维都产生自发放电。这些自发的异位冲动源源不断地传入脊髓可引起和维持中枢敏感化(见下文)。异位冲动主要来自于支配肌肉的A纤维,产生在神经损伤后形成的神经瘤和背根神经节神经元。目前认为,异位冲动产生的原因是在神经损伤部位和背根神经节神经元的细胞膜上Na+通道的密度增高。Na+通道可分为河豚毒(TTX)敏感和河豚毒不敏感两种类型,前者介导神经冲动在神经纤维上的传导;后者则与感受器电位的产生有关。小剂量的利多卡因可选择性地阻断河豚毒不敏感的Na+通道,抑制异位冲动的产生,从而发挥镇痛作用。大剂量的利多卡因对二者都有阻断作用。

  3.交感神经在神经病理性疼痛中的作用。神经瘤内含有传导痛觉的(Aδ和C)纤维和交感神经的节后纤维;神经损伤后交感神经节后纤维发出侧枝,在背根神经节神经元周围形成篮状结构,其中含有P物质、CGRP等兴奋性神经递质。因此交感神经兴奋可易化或直接兴奋感觉传入神经元。这些发现可以解释为什么神经损伤后,交感神经兴奋引起或加重疼痛。

  4.免疫系统在病理性疼痛中的作用。 在正常的神经干内,神经纤维与血液之间存在着血-神经屏障,使神经纤维免受免疫细胞、抗体的攻击。但是,当神经损伤后,①可暴露出神经纤维上的P0和P2蛋白,形成相应抗体,使神经纤维受到攻击;②补体攻击神经纤维;③T淋巴细胞侵入神经干并被激活,产生多种细胞因子,如白细胞介素II、肿瘤坏死因子等。这些细胞因子又刺激施万细胞(Schwann cell)和巨噬细胞产生炎症前细胞因子和活性氧簇,最终引起神经纤维脱髓鞘,纤维溃变,导致病理性疼痛。

二、 中枢敏感化

  1883年Sturge就曾提出"Peripheral injury triggers a change in the excitability of the CNS so that normal inputs evoked exaggerated responses leading to pain hypersensitivity"。他还提出,在切断神经前,最好先行局部麻醉,以免切断神经引起的冲动传入中枢。这些观点是在大量的临床实践的基础上提出的。由于没有试验根据,因此在此后的100年内并没有引起人们的足够重视。直到1983年Woolf等人用动物试验的方法证实,组织、神经损伤或强烈刺激初级传入C纤维可引起脊髓背角神经元兴奋性的持续升高,这一现象被称之为中枢敏感化(central sensitization)。

中枢敏感化是如何产生和维持的?20多年来的研究结果表明,初级传入纤维与脊髓背角神经元之间的突触传递可塑性变化是中枢敏感化的主要原因。下面结合本人的研究工作对这一问题进行一些讨论。

(一)长时程增强的概念

  大量的研究证实,突触传递的效能不是固定不变的。在突触前神经元兴奋,通过神经递质释放,引起突触后电位的变化,从而完成电信号的传递的过程中,突触本身的功能和形态都可能发生改变。 这种变化既可以是突触传递的效能的增强;也可以是突触传递的效能的减弱;既可以是短时程的(数秒到数分钟);也可以是长时程的(数小时到数周)。突触传递效能的各种变化统称为突触可塑性。1973年Bliss和Lomo首次在海马发现了长时程增强(long-term potentiation, LTP)现象。他们在海马齿状回记录由电刺激穿缘通路(perforant path)引起的突触场电位,发现强直电刺激穿缘通路使该场电位持续性增大达数小时。临床上早就观察到,海马在学习记忆只起重要作用(海马损伤引起严重的记忆障碍),因此海马LTP被认为是学习记忆的神经基础。

(二)脊髓背角C纤维诱发电位的LTP

  初级传入C纤维主要与脊髓背角浅层的神经元形成突触联系。1995年作者首次报道,刺激坐骨神经C纤维(强度7-20v, 波宽0.5 ms, 每分钟1次)可在脊髓背角的浅层记录到稳定的C纤维诱发场电位,强直刺激坐骨神经(强度40v, 波宽0.5 ms,100Hz,持续1s, 该刺激以10s的间隔重复4次)可引起C纤维诱发电位幅度的增大,一直持续到试验结束(5-10小时)。众所周知,C纤维的主要功能是传导痛觉信息,而LTP是记忆的基础,因此我们认为C纤维诱发电位的LTP是一种"痛记忆"。该记忆是中枢敏感化和痛觉过敏的神经基础。本人围绕脊髓背角C纤维诱发电位的诱导和维持进行了一些研究,现综述如下。

  1. 谷氨酸受体和神经肽受体在脊髓背角C纤维诱发电位LTP诱导中的作用

  谷氨酸是脊髓背角化学性突触传递的主要递质,突触后神经元上有两类谷氨酸受体,即亲离子型谷氨酸受体和代谢型谷氨酸受体(metabotropic glutamate receptor, mGluR)。亲离子型谷氨酸受体又可分为AMPA受体和NMDA受体。一般认为,谷氨酸作用于AMPA受体引起Na+通道的开放,导致Na+内流,介导兴奋性突触传递。而NMDA受体不参与正常的突触传递,因为在静息膜电位下该受体被Mg2+阻断,此时即使有谷氨酸与NMDA受体结合也不能引起通道的开放。只有当膜去极化达一定水平,去除了Mg2+的阻断作用才能使通道开放。NMDA受体通道的开放主要引起Ca2+内流,使突触后神经元内Ca2+的升高 (Mayer et al., 1984)。在海马有两种LTP,一种是NMDA受体依赖性的,另一种非NMDA受体依赖性的。为了确定脊髓背角C纤维诱发电位的LTP是否依赖于NMDA受体的激活,我们在强直刺激前30min,在脊髓背角记录部位局部使用NMDA受体阻断剂D-CPP,发现阻断NMDA受体可防止LTP的产生。

  目前已克隆出8种mGluR。根据其氨基酸序、药理学特征和细胞内转导机制的不同,把mGluR分为三组。 我们的研究表明,强直刺激前脊髓局部给予第一组(包括mGluR1和mGluR5)和第二组(包括mGluR2和 mGluR3)mGluR的阻断剂(S)MCPG可完全阻断LTP的诱导, 该阻断剂的同分异构体(R)MCPG对LTP的诱导无影响。进一步的研究表明,第一组mGluR的阻断剂(S)4CPG可阻断LTP,而第二组或第三组mGluR的选择性阻断剂(EGLU或MSOP)不影响LTP的诱导。因此,脊髓背角C纤维诱发电位LTP的诱导需要激动mGluR1和mGluR5,而无需激动mGluR2、mGluR3、mGluR4和 mGluR6-8。

  P物质(substance P, SP)由初级传入C纤维末梢释放,也是脊髓背角突触传递的重要递质。在脊髓背角神经元存在神经肽1(neurokinin1,NK1)受体和神经肽2(neurokinin2, NK2)受体,它们在痛觉传递中起重要作用。NK1受体的内源性配体是SP,而NK2受体的内源性配体是神经肽A(neurokinin A)。我们的研究显示,强直刺激前脊髓局部给予或静脉注射NK1或NK2受体阻断剂RP67580或SR48968可阻断LTP的诱导,而它们的同分异构体RP68651和SR48965不影响LTP的诱导。因此激动NK1和NK2受体都是诱导脊髓背角C纤维诱发电位LTP所必需的。

  2. 蛋白质翻译过程、钙/钙调素依赖性蛋白激酶II、蛋白激酶A和蛋白激酶C在脊髓背角C纤维诱发电位LTP的诱导和维持中的作用

  为什么短短数秒种的电刺激可引起长达至少10小时的突触传递效率增强?显然,这不能单纯地用神经递质对膜受体的兴奋作用来解释。细胞内的一些信号转导通路和生物大分子的合成可能参与了LTP的诱导维持。

  海马LTP分为两期,即早期LTP(持续1-3小时)和晚期LTP(持续3小时以上)。晚期LTP需要新的蛋白质合成,而早期LTP与蛋白质合成无关。我们发现,在强直刺激前脊髓局部使用蛋白质合成抑制剂(茴香霉素或放线菌酮)可选择性地抑制C纤维诱发电位的晚期,而对早期LTP无影响。在使用蛋白质合成抑制剂的大鼠,强直刺激坐骨神经可引起LTP(与生理盐水对照组无差别),但约在2.5小时后LTP幅度显著变小,约在4小时后C纤维诱发电位回到强直刺激前的基线水平。因此,与海马LTP相同,脊髓背角C纤维诱发电位LTP的晚期是蛋白质合成依赖性的。

  如前所述,LTP表现为强直刺激突触前神经元引起相应的突触后神经元的兴奋性突触后电位持续增大,即突触后神经元的反应增强。在海马LTP的表达与突触后膜上AMPA受体的功能增强和数量增多有关。我们最新的研究结果显示,在诱导脊髓背角LTP之前,NMDA阻断剂MK801 (0.5mg/kg) 对C纤维诱发电位无影响, 而在LTP形成之后同样剂量的MK801LTP其具有抑制作用,提示在脊髓背角NMDA受体通道参与了LTP的表达。为什么强直刺激能引起突触后神经元的AMPA和NMDA受体的功能的持续性增强?大量的研究表明,海马LTP产生后,突触后致密斑(postsynaptic density, PSD)内钙/钙调素依赖性蛋白激酶II(calcium/calmodulin-dependent kinase II, CaMKII)大量增加。强直刺激引起的短暂的突触后神经元内Ca2+升高导致CaMKII的286位苏氨酸磷酸化,从而使其活化 (Ouyang et al., 1997), 被激活的CaMKII可导致其自身磷酸化,当细胞内Ca2+水平恢复正常后,CaMKII磷酸化状态仍可自动维持。活化的CaMKII可使NMDA 和AMPA 受体磷酸化,从而使其功能增强,因此,CaMKII被称为记忆分子,它能记住曾发生过的强直刺激及其所引起的短暂的细胞内Ca2+升高。我们的研究显示,在强直刺激前脊髓局部使用CaMKII的抑制剂KN93或AIP可防止LTP的产生;在LTP形成1小时内给药可翻转LTP;而在LTP形成3小时后抑制CaMKII对LTP不再有任何影响。蛋白激酶A(PKA)和蛋白激酶C(PKC)在海马LTP和痛觉过敏中起重要作用。我们研究了它们在脊髓背角C纤维诱发电位LTP中的作用,发现在强直刺激前给予PKA抑制剂(Rp-CTP-cAMPS)或PKC抑制剂(chelerythrine 或G?6983)可完全阻断LTP的诱导;在LTP形成15min后给药可翻转LTP;而在LTP形成后30 min给药对LTP无影响 (Yang et al., 2004)。

  上述研究结果表明CaMKII、PKA和PKC的活化参与LTP的诱导和早期维持,但不参与LTP的晚期维持。哪些新合成的蛋白质参与了脊髓背角C纤维诱发电位LTP的晚期维持尚有待研究。

  总之,病理性疼痛是神经系统的一种疾病状态,其产生和维持的机制非常复杂。弄清病理性疼痛的机制,找到恰当的治疗方法,需要基础和临床工作者的共同努力。

中山大学基础医学院(510089) 刘先国

(责任编辑:泉水)
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