第五节　炎性介质

一、细胞因子

细胞因子(cytokine)在慢性疼痛调控过程中发挥作用,其中关注较多的主要包括致炎因子, 如　IL-1β,TNFα,　IL-6,　IL-15,　IL-17,IL-18等和抗炎因子,如IL-4,IL-10等。其中致炎因子如IL-1β、TNF-α和IL-6在免疫反应中能够相互促进各自的释放,从而以正反馈的方式协同加剧炎症反应。此外,致炎细胞因子与受体结合后能够促进其他的炎症介质如NO和PGE2的释放,从而活化伤害性感受器。此外,有证据表明一些细胞因子能够直接作用于伤害性感受器。而抗炎细胞因子的作用则恰恰相反,它们能够以负反馈的方式抑制免疫反应,维持正常的细胞免疫平衡。其中最有代表性的便是IL-10,研究表明其能够抑制致炎细胞因子基因表达、转录、翻译,并下调相应的受体的表达。慢性疼痛的状态下,致炎和抗炎细胞因子的稳态失调对于疼痛的发生发展已经受到广泛关注。

作为一种最重要的细胞因子之一,TNF-α在疼痛中的作用以得到广泛认可。坐骨神经和DRG局部给予TNF-α能够导致神经元活动的改变,如Aδ-,Aβ-及C纤维的异位放电,并导致动物出现热痛敏和机械性触诱发痛。人们也观察到外周神经损伤后DRG Schwann细胞、卫星细胞、神经元释放TNF-α显著增加。TNF-α表达水平与痛行为学表现一致,提示其与疼痛的密切的相关性。此外,神经损伤后,在脊髓背角、脊髓上位结构、损伤对侧的DRG等均有TNF-α表达的升高,这些TNF-α被认为主要来源于活化的胶质细胞(星形胶质细胞和小胶质细胞)。此外,大量的研究也证实,运用中和抗体或者受体的拮抗剂能够缓解神经损伤诱导的疼痛,即便在疼痛以及形成后给药也能达到同样的效果。TNF-α与两种受体结合:正常情况下就表达的TNF受体1(TNFR1)和在活化状态下诱导表达的TNFR2。神经损伤后两种受体的表达上调,并被证实参与痛觉过敏和神经元的异位放电。TNFα与受体的结合能够激活转录因子核因子κB(NF-κB),后者促进一些细胞因子的合成,从而参与痛觉调控。此外,TNF受体的激活还可以激活下游的蛋白激酶通路,如MAPK(包含ERK、JNK、p38-MAPK等)和磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)信号通路。这些信号通路的激活能够上调AMPA受体的表达,并下调GABA_A受体的表达。综上所述,TNF-α能够由任何免疫细胞或者免疫样胶质细胞释放,作用于周围的神经元,并增强其敏感性,促进兴奋性神经传递并在神经系统的各个层面维持炎症反应,在神经病理性疼痛的过程中发挥着重要的作用。

在神经损伤后数小时在损伤后部位IL-1β即有显著的升高。坐骨神经内注射或者鞘内注射IL-1β能诱导疼痛反应。IL-1受体敲除小鼠或者IL-1受体拮抗剂(IL-1RA)过表达均能有效降低神经切断诱导的神经元放电和痛觉过敏。而给予IL-1RA或者IL-1β及IL-1R的中和抗体,能够缓解疼痛反应。和TNF-α一样,IL-1β也能够增强神经元的兴奋性。在培养的神经元中给予长时间的IL-1β刺激能够增强电压门控的钠离子电流。IL-1β也能促进钙离子通道和非选择性阳离子通道的开放,同时抑制钾离子的外流。此外,IL-1β能够增强NMDA受体介导的钙离子内流。在外周神经损伤后,IL-1β的表达在星形胶质细胞最为显著,而局部神经阻滞能够抑制其表达上调,提示脊髓IL-1β的表达是依赖于神经冲动的。鞘内给予IL-1受体拮抗剂能够治疗疼痛并降低NMDA受体的磷酸化,而这个过程依赖于蛋白激酶C。这些结果表明,IL-1β作为一种重要的致炎细胞因子,在神经病理性疼痛的产生、维持中具有极为关键的作用。

很早人们就观察到坐骨神经损伤能够诱导IL-6及其受体在DRG Schwann细胞、巨噬细胞乃至神经元大量表达。在单侧外周神经损伤后,双侧DRG均有IL-6的表达。在脊髓背角,IL-6在神经元和小胶质细胞均有表达。对于IL-6、TNFα与 IL-1β的表达的关系,之前认为是TNFα的激活启动了 IL-1β,随之而来的便是IL-6的释放。然而有研究表明,在gp120诱导的胶质细胞激活后,用中和抗体阻断IL-6,IL-1β和TNFα在脊髓背角的表达也随之下调,表明这些细胞因子之间都是相互影响、相互作用的。相比于IL-1β和TNFα,IL-6在疼痛中的作用研究不是非常明确,主要是因为其在不同的条件下能够发挥致炎和抗炎两种完全不同的生物活性。比如给予外源性的IL-6能够抑制神经元对热和机械刺激的反应性,而另有研究却发现IL-6能够促进CGRP由外周的伤害性感受器释放,并降低疼痛阈值。IL-6基因敲除小鼠则对生理性的热和机械刺激表现出和野生小鼠正常的行为学反应,然而在神经损伤后疼痛反应则较野生型小鼠降低。这或许提示IL-6对于生理性痛或者急性痛没有作用,而参与了神经病理性疼痛的产生。一个非常有力的证据便是鞘内注射IL-6能够诱导出显著的痛觉过敏,而用IL-6的中和抗体则能够抑制多种神经损伤导致的痛觉反应。IL-6与其受体结合后,激活下游的Janus激酶和信号转导与转录活化因子(JAK-STAT)信号通路。外周神经损伤后,脊髓IL-6能够诱导小胶质细胞内STAT3磷酸化,而JAK2的抑制剂则能缓解神经病理性疼痛。综上所述,神经病理性疼痛状态下,IL-6诱导小胶质细胞的活化,从而促进疼痛的发生发展,而神经损伤部位的IL-6或许能够起到抗炎、镇痛的效果。对于IL-6在神经病理性疼痛中的作用仍需进一步研究。

活化的T细胞、B细胞、巨噬细胞以及浆细胞均能释放IL-10,后者能够抑制上述一些致炎因子的释放。目前认为IL-10发挥抗炎作用主要的机制是抑制JAK-STAT3信号通路并抑制转录因子NF-κB。在神经损伤后,坐骨神经的IL-10在术后1小时即有明显升高,24小时后也观察到在DRG的表达显著升高。在CCI模型大鼠坐骨神经膜内注射IL-10能够显著缓解痛觉过敏、巨噬细胞浸润和TNF表达。用腺病毒载体包装的IL-10注射到蛛网膜下腔或者脊髓能够预防并治疗多种神经损伤导致的神经病理性疼痛,同时伴随IL-1β的表达降低。重组的人类IL-10已经进行临床试验已用于人自身免疫性疾病的治疗,鉴于IL-10在缓解神经病理性疼痛中的积极作用,重组的人类IL-10有可能作为疼痛的新型治疗手段。

二、趋化因子

趋化因子(chemokines)是一类在损伤后诱导白细胞向损伤部位迁移、集聚的具有细胞因子样活性的小分子。趋化因子家族在人类有50个左右的成员,在哺乳动物之间具有高度的同源性。每个趋化因子包含70～100个氨基酸,其中20%～95%的序列均为高度保守的半胱氨酸残基。根据半胱氨酸的数量以及半胱氨酸之间的距离,趋化因子分为4个亚家族:CC、CXC、XC以及CX3C。CC亚家族数量最多,该家族有4个半胱氨酸残基,而且前两个残基紧紧相邻;CXC亚家族的前2个半胱氨酸残基被1个其他的氨基酸间隔开;XC亚家族仅有2个半胱氨酸残基;CX3C则在前2个半胱氨酸残基被3个其他的氨基酸间隔开。趋化因子最开始根据各自的生理功能进行命名,自2000年开始,人们开始使用统一的命名方式,所有的趋化因子后面均加一个L(配体,ligand)。因此,四个亚家族的趋化因子分别被命名为CCL,CXCL,XCL和CX3CL。大多数的趋化因子均有两个名称,一个是依据其生理功能,另一个则是根据其结构。在中枢神经系统,小胶质细胞、星形胶质细胞、神经元以及上皮细胞均能合成趋化因子,除了CX3CL1(又被称为fractalkine)和CXCL12分别主要在神经元和星形胶质细胞表达,其他的趋化因子都不是特定表达在某一类细胞。

所有的趋化因子都是通过与其相应的受体结合发挥作用的。趋化因子的受体均为7次跨膜的蛋白偶联受体。至今已有19种趋化因子受体被克隆出来。和趋化因子的命名一致,其受体的命名是在其后加一个R(受体,receptor)。一种趋化因子能够激活多种受体,而一种受体也可以被多种趋化因子激活。在中枢神经系统有大量的趋化因子受体表达,如CCR1,CCR2,CCR3,CCR5,CXCR2,CXCR3,CXCR4以及CX3CR1,而大部分的受体只有在病理情况下才有表达。

神经病理性疼痛状态下趋化因子及其受体的表达、分布和功能在多种疼痛模型上有大量的研究报道。趋化因子能够直接激活DRG神经元以及脊髓背角的胶质细胞,从而诱导并促进疼痛过程。近年来,学者们进行了大量关于趋化因子与疼痛的研究。其中受到关注最多的是CX3CL1/CX3CR1和CCL2/CCR2。此外,其他一些趋化因子,如CXCL12(又被称为间质细胞衍生因子stromal cell-derived factor-1,SDF-1)、　CCL5、CCL3、CXCL12/CXCR4、CCL21等在神经病理性疼痛中的作用都有报道。

在脊髓和DRG,CX3CL1特定表达于神经元,在神经损伤(CCI模型)以及外周炎症刺激下,脊髓和DRG中CX3CL1 mRNA的总表达没有显著的变化。然而在SNL之后,DRG膜结合的CX3CL1显著降低,提示在神经损伤后CX3CL1的释放显著增加。此外,脊髓星形胶质细胞在神经损伤后也有CX3CL1的表达。CX3CR1是CX3CL1的唯一受体,在小胶质细胞上特异性表达。因此,CX3CL1/CX3CR1被认为是神经病理性疼痛状态下神经元-小胶质细胞信号传递的重要环节。在多种神经损伤模型上均观察到小胶质细胞上的CX3CR1表达显著升高。鞘内注射CX3CL1诱导的热痛觉过敏能够被小胶质细胞抑制剂米诺环素所阻断。此外,CX3CL1能够激活p38 MAPK,后者在小胶质细胞特异性表达,而鞘内给予CX3CR1的中和抗体能够抑制p38 MAPK的磷酸化。这些结果都表明,神经损伤后,CX3CL1释放作用于其受体CX3CR1,激活p38 MAPK,从而激活小胶质细胞。

CCL2也被称为单核细胞趋化蛋白(monocytes chemoattractant protein 1,MCP-1),因为最初人们观察到其能特异性聚集单核细胞至炎症和感染部位。CCL2能够识别多种受体,其中亲和度最高的是CCR2。在DRG初级传入神经元中有大量的CCL2表达,特别在神经损伤后CCL2快速升高(<4小时)。这些CCL2表达在SP和CGRP阳性的肽能神经元。而且CCL2与CCR2高度共存,提示DRG中的CCL2主要通过自分泌的方式发挥作用。

然而CCL2/CCR2在脊髓的表达却存在较多的争议。有报道显示,CCL2在脊髓初级传入终末表达,CCR2在小胶质细胞表达。然而另有报道神经损伤后星形胶质细胞CCL2表达升高,而且脊髓神经元也有CCR2的表达。大量的证据提示CCL2/CCR2能够促进神经病理性疼痛过程:CCR2敲除小鼠神经损伤后的机械性痛觉过敏较野生型小鼠轻微;鞘内给予CCR2的拮抗剂能逆转神经损伤诱导的触诱发痛。星形胶质细胞过表达CCL2的动物痛反应增强;鞘内给予CCL2增强痛觉过敏,CCL2的中和抗体则减轻神经损伤导致的机械性触诱发痛。