MAPK信号转导通路与疼痛敏化调控研究进展

MAPK信号转导通路与疼痛敏化调控研究进展广东省中医院麻醉科（广州市，510120） 项红兵 招伟贤华中科技大学同济医学院附属同济医院麻醉科（武汉市，430030） 董航摘要 疼痛敏化调控的细胞机制尚未阐明。丝裂原活化蛋白激酶(mitogenactivated protein kinases，MAPK)家族是将胞外刺激信号转换至胞核内产生转录和翻译后效应的细胞信息传递的共同通路之一，其在疼痛敏化调控的病理生理变化中起了重要作用。关键词 MAPK；疼痛在疼痛传递调制过程中细胞外伤害性感受信号向胞核内转导信息时，需要细胞内信号分子的参与，丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases，MAPK)级联效应是细胞内主要的共同信号转导系统。近年来，有关对慢性疼痛的信号转导通路和细胞内信号分子的研究取得了一定的进展，本文就MAPK信号转导通路及其在疼痛敏化调控中的作用作一综述。1 MAPK信号转导通路丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族，能够将胞外刺激信号转导成胞内的转录和翻译后效应。MAPK信号转导通路采用高度保守的三级激酶级联传递信号：细胞外刺激通过某些环节使MAPKKK(MAPK kinase kinase)激活，转而激活MAPKK(MAPK kinase)，然后通过双位点即苏氨酸和酪氨酸同时磷酸化激活MAPK(见图1)。激活的MAPK可通过磷酸化转录因子、细胞骨架相关蛋白、酶类等多种底物来调节包括疼痛敏化在内的多种病理生理过程。MAPK家族包括胞外信号调节蛋白激酶(extracellular signal-regulated kinase, ERK)、p38MAPK（其命名缘于该物质克隆编码是由360个氨基酸组成的38KD蛋白）、c-Jun氨基末端激酶/应激激活蛋白激酶(JNK/SAPK)和ERK5。目前在疼痛领域对MAPK信号转导通路研究最多的是: (1)ERK通路, ERK能被膜去极化和Ca2+内流所激活, 能被其上游激酶MEK 即MAPK/ERK激酶, 为MAPKK之一种 所激活, ERK涉及到神经元可塑性，如长时程增强(LTP)、学习和记忆, 已知生理和病理性ERK活动依赖性激活发生在CNS中，特别是海马中。( 2) p38 MAPK激活通路，外周炎症和神经断离能诱发DRG神经元p38MAPK激活，伤害感受神经元中MAPK激活通过转录依赖和非转录依赖方式参与痛觉过敏的产生。2 ERK信号通路与疼痛敏化调控在疼痛敏化过程中,神经元的可塑性发生在初级传入神经元和脊髓背角神经元中。因适应外周组织的伤害性刺激和外周组织的电刺激，背根神经节(DRG)和背角神经元中ERK发生磷酸化，即伤害感受神经元中ERK活动依赖性激活；另外，外周炎症和神经断离后这些伤害感受神经元中ERK被激活，通过关键基因产物的转录调节导致持续炎症和神经病理性疼痛。2.1 伤害性刺激后DRG神经元中ERK激活背根神经节(DRG)是许多伤害性刺激传入的通道,与疼痛相关的许多受体、离子通道以及信号转导分子都存在于DRG。当前许多焦点集中在疼痛传递调制过程中初级传入神经元的信号传导机制。以往认为炎性介质如PGE2、5-HT、肾上腺素和神经生长因子(NGF)，在初级传入神经元中通过激活蛋白激酶A(PKA)或PKC来产生痛敏。最近研究已经显示，ERK级联反应发生于肾上腺素引发的痛敏，Ras-MEK-ERK-CREB(cAMP反应元件结合蛋白)通路不依赖PKA或PKC而被激活。将NGF注入外周组织，能增加p-ERK（磷酸化的ERK）标记的酪氨酸（trkA）阳性DRG神经元。然而只有少数信号传导研究涉及到初级传入神经元的活动依赖性研究。已经证实，在外周组织的伤害性刺激或外周神经的电刺激过程中初级传入神经元(DRG神经元)中ERK的活动依赖性激活,一种MEK抑制剂U0126能剂量依赖性减轻辣椒素注射后的热痛敏。这些结果表明，DRG神经元中ERK通路的激活参与了急性疼痛条件下外周敏化。另外，有害刺激后DRG神经元中ERK的磷酸化对于检测每个神经元中各种疼痛相关分子的激活状态是有价值的。2.2 ERK激活和DRG神经元中基因表达ERK通路与神经营养因子依赖的外周神经元生长和分化有联系，目前对其了解较为翔实。例如对于NGF、trkA的高亲和力受体，通过至少6种不同通路发出信号，其中MAPK通路是主要的（即ERK通路）。在这个通路中，激活的受体引起GTP锚定，从而激活小G蛋白Ras。反过来，Ras-GTP循环三级酶链反应即MAPK激酶激酶（Raf）、MEK磷酸化、使ERK磷酸化并激活。炎症和神经损伤导致DRG神经元中基因转录和蛋白合成的改变，例如炎症后脑源性神经营养因子（BDNF）已知在trkA表达的小型和中型DRG神经元中合成增加，相反神经损伤后增加的BDNF是发生在解剖学上的中到大型DRG神经元。最近显示：外周炎症和坐骨神经损伤后ERK激活能调节初级传入神经元中BDNF的表达，注射弗氏完全佐剂(CFA) 1d后外周炎症引起ERK磷酸化增加，主要发生在有trkA表达的小型和中型DRG神经元中。用MEK抑制剂U0126治疗能逆转CFA注射引发的痛敏和DRG神经元中p-ERK和BDNF的增加。相反，神经损伤后3、7、14d，神经断离主要引起中到大型DRG神经元和卫星状胶质细胞中ERK激活。U0126能抑制神经断离后引发的自残行为并逆转p-ERK和BDNF的增加。为了阐明内源性NGF的改变是否触发p-ERK和BDNF表达的变化与外周炎症和神经断离术后所见的一致，有研究尝试了在大鼠鞘内注射重组hNGF和抗NGF物质。在这个实验中，鞘内应用NGF引起了p-ERK和BDNF标记细胞的增加，且主要是在小直径的神经元中；而应用抗NGF，引起p-ERK和BDNF的增加，发生在中至大直径的DRG神经元中。这些发现表明：外周炎症和神经断离后初级传入纤维中ERK激活发生在DRG神经元的类型中，通过改变靶源性NGF，促进持续炎症和神经病理痛的发生，通过BDNF表达的转录调控p38激活和DRG神经元的基因表达。2.3 ERK激活和脊髓背角神经元中基因表达 最近，一些研究表明：ERK在一种特征性的慢性疼痛状态即持续性痛敏（对热、机械刺激发生痛觉过敏）发挥作用。角叉菜胶、完全弗氏佐剂注入爪部引发炎症后能导致持续的炎性痛敏，脊髓背角神经元ERK能被上述刺激磷酸化，其炎性痛敏能被ERK抑制剂所激活。另有研究表明，急性伤害性刺激如福尔马林或辣椒素，能引起脊髓ERK的磷酸化，一种MEK抑制剂PD98059能减少皮下注射福尔马林所引起的急性痛反应，这表明在急性（3060min短时间）伤害性感受过程中ERK存在非转录机制角色。ERK不仅通过非转录过程产生短时程功能变化，也通过增加基因转录产生长时程适应性变化。例如激活的ERK从胞浆移位到核内，激活RsK2，接着将丝氨酸133中的转录因子CREB（环磷腺苷反应元件结合蛋白）磷酸化。CREB磷酸化后与DNA上启动子区域中的cAMP（环磷腺苷）反应元件位点结合，进而启动基因转录，这表明实际上是外周炎症和神经损伤导致背角神经元中CREB的磷酸化。然而，除了即刻早期基因如c-fos外，通过ERK调节的特异靶基因还不十分清楚。Ji等最近证实背角神经元中ERK的激活促进持续的炎性痛，是通过强啡肽原和神经激肽-1（NK-1）的转录调制。3 p38MAPK信号通路与疼痛敏化调控3.1伤害性刺激后DRG神经元中p38激活作为一种通过单独胞内级联反应而运转的MAPK，p38是参与胞内炎症和凋亡等应激反应的介质。最近证实，瞬时型感受器电位离子通道（TRPV1），以前称为Vanilloid受体1（VR1），受到DRG神经元中NGF引起的p38MAPK通路的激活所调节，Deleroix等研究表明：在CFA所致炎性痛大鼠模型中，NGF在炎性组织中表达，沿外周神经末梢逆行转运至DRG内细胞体，NGF激活胞体内的p38MAPK，后者可增加VR1的蛋白表达，而增加的VR1顺行转运至外周末端伤害感受器，增加对热的敏感性。而以上过程则能被p38MAPK的特异性阻断剂SB203580阻断，鞘内注射了SB203580的大鼠对伤害性热刺激的痛敏降低，而对伤害性机械刺激的痛敏则无变化，同时SB203580对炎性肿胀亦无影响。上述实验结果证实，炎性痛过程中，NGF激活p38MAPK导致VR1蛋白表达增加是维持炎性热痛觉过敏的一条重要通道。另外，Ji等研究也显示，DRG中p38MAPK的激活需要NGF引起的TRPV1表达的增加，有助于炎性痛敏的维持。最近报告表明，外周炎症和神经离断引起小型DRG神经元中p38激活。一种p38抑制剂SB203580能降低炎症引起的热痛敏和L5脊神经结扎引起的机械性感觉异常。考虑到外周炎症和神经离断术后p38激活发生在不同的DRG神经元群，p38有可能在不同介质和病理条件下引起的疼痛状态中担任不同的角色。3.2神经胶质细胞中p38MAPK激活神经胶质细胞参与大脑的免疫调节，是中枢神经系统中炎性介质如iNOS和TNF-产生的重要源泉之一，有报道p38 MAPK通路参与诱导星形胶质细胞中iNOS和TNF-的产生，p38 MAPK在介导细胞炎性介质的释放中发挥重要的作用(见图1)。图 1p38 MAPK介导的细胞炎性介质的释放脊髓胶质细胞(包括小胶质细胞和星形胶质细胞)的激活参与了疼痛发病机制。胶质细胞释放的前炎因子产生了痛敏，外周炎症、神经损伤和癌模型中脊髓小胶质细胞和星形胶质细胞被激活。磷酸化的p38MAPK（p-p38MAPK）存在于脊髓非神经细胞中，外周炎症仅引起p-p38MAPK水平的中度增加，而外周神经离断在脊髓小胶质细胞中引起p38MAPK激活。p38MAPK抑制剂通过阻滞p38MAPK激活能减少坐骨神经炎性痛模型中炎症引起的痛觉过敏和痛感觉异常。Tsuda等研究发现，脊神经损伤的同侧脊髓背角p-p38MAPK免疫荧光水平和蛋白水平均明显增加，在背角小胶质细胞中发现有p-p38MAPK免疫荧光，而神经元和星形胶质细胞中则未发现；损伤同侧脊髓单个高活性小胶质细胞中p-p38MAPK免疫荧光水平远远高于对侧静止期小胶质细胞p-p38荧光水平，鞘内注射p38MAPK抑制剂SB203580能阻止神经损伤引起的触痛异常的进一步发展，这些结果证实：神经损伤引起的疼痛高敏反应依赖于脊髓背角高活性小胶质细胞中p38MAPK信号通路的激活。此外，外周神经离断后引起DRG神经元周围的卫星状胶质细胞中p38MAPK激活，这些发现强调了DRG以及外周神经离断后脊髓中胶质细胞和胶质细胞-神经元相互作用的重要性。4 结语 在背根神经节和脊髓背角神经元伤害感受引起可塑性的产生和维持过程中，MAPK信号转导通路的激活有重要角色，不仅增加基因转录，而且引起靶蛋白的翻译后调制，这些研究结果给我们了解疼痛敏化条件下细胞/分子机制提供了新方法。另外，MAPK信号转导通路有众多路径，在疼痛敏化调控过程中提供了多个层面发挥拮抗疼痛作用的位点。因此有理由相信在初级传入纤维和脊髓背角的MAPK信号转导通路上可能存在从药理学上干预疼痛而提供的潜在靶点。