瞬時受體電位通道M8在冷刺激致骨關節(jié)炎中的作用

沙一帆 鄧國英 王秋根 王謙

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瞬時受體電位通道M8在冷刺激致骨關節(jié)炎中的作用

沙一帆 鄧國英 王秋根 王謙

瞬時受體電位通道(TRP)M8是一種非選擇性陽離子通道蛋白，廣泛分布于各種細胞組織中。該通道能被22℃～27℃的冷刺激或冷卻劑如薄荷醇激活，產生Ca2+內流為主的跨膜電壓變化，參與冷感覺形成，并具有調控疼痛及細胞增殖、分化、凋亡的作用。該文就TRPM8在冷刺激致骨關節(jié)炎中的作用作一綜述。

冷刺激；瞬時受體電位通道M8；骨關節(jié)炎；炎性因子；疼痛

瞬時受體電位通道(TRP)M8作為首個被發(fā)現的冷敏感離子通道蛋白[1]，首次由Tsavaler等[2]鑒別得出。該通道為非選擇性陽離子通道，廣泛分布于各種細胞組織如支配皮膚和黏膜的感覺神經元(背根神經、三叉神經的小直徑神經元)、男性泌尿生殖道、肺上皮細胞及動脈平滑肌細胞等中[3-4]，在冷刺激信號的傳導中發(fā)揮關鍵作用。研究表明，同源表達的TRPM8作為功能性Ca2+通道，可被22℃～27℃的冷刺激(18℃以下的冷刺激主要激活TRPA1)或冷卻劑如薄荷醇激活[5]，產生Ca2+內流為主的跨膜電壓變化，這種激活依賴于4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)的存在[6]。而異源表達的TRPM8的電生理活動提示其可能是一種配體門控的非選擇性陽離子通道，該通道對Ca2+和Na+的選擇性比值(PCa/PNa)為 1∶3[4]。有學者認為，TRPM8是一種細胞膜去極化激活的電壓門控通道蛋白，冷刺激通過使TRPM8激活曲線向負電位方向移動來增加其在生理膜電位下開放的概率。而冷卻劑如薄荷醇則通過類似途徑誘導TRPM8開放，同時它還能增加PIP2的效能，促進磷脂酰肌醇與通道蛋白的結合，從而促進通道激活[6-7]。

1 TRPM8結構

人類TRPM8基因位于2號染色體2q37.1，全長102 124 bp，含有25個外顯子，轉錄成信使RNA(mRNA)后，編碼含有1 104個氨基酸的蛋白質[8]，即TRPM8。近年來Bidaux等[9]在轉移性前列腺癌細胞中發(fā)現了TRPM8 2個短鏈亞型，這些短鏈亞型作為蛋白質的N-末端片段，能與蛋白質C-末端區(qū)域相互作用。

2 TRPM8病理生理功能

目前研究表明，TRPM8參與細胞生長調控，與冷感覺及疼痛感覺的形成密切相關，甚至還與血管收縮舒張[10]、細胞內鈣釋放[4,11]、抗氧化損傷[12]、增加眼表濕度[13]、激活膀胱冷反射[14]等有關。

2.1 冷感覺

目前參與溫度感知過程的神經通路已較為明確[15]，即溫度刺激興奮初級傳入神經元的感覺神經末梢后，產生動作電位，然后傳至脊髓和大腦并將興奮擴散至全身。而尋找在感覺神經末梢信號傳導過程中起關鍵作用的分子是近年研究的熱點[16]。

TRPM8作為一種通道蛋白，在冷感知中起重要作用[17]。雖然TRPM8溫度感知的具體機制尚未明確，但它參與冷感知已被大量實驗證實。研究[18]發(fā)現，TRPM8基因敲除小鼠可表現出明顯的冷反應(如冷痛)缺失。Andrews等[19]的臨床研究顯示，TRPM8受體拮抗劑pf-05105679雖不會造成體溫明顯變化，但可使口中產生熱感覺。目前對TRPM8在神經元外是否還有感知寒冷的作用尚不清楚[20]，但TRPM8在大量不含神經元的組織如泌尿生殖器官、舌上味覺乳頭中被發(fā)現，提示TRPM8可能具有一些額外的生理功能[21]。

2.2 疼痛感覺調控

目前廣泛認為適度冷刺激具有鎮(zhèn)痛作用，但過度冷刺激反而會加重疼痛(冷痛覺過敏)。適度冷刺激可增加TRPM8活性，使機體對冷的感知增加(冷敏感)，從而減輕疼痛。相反，過度冷刺激可導致TRPM8高表達，引起炎性因子釋放，通過“炎癥瀑布效應”產生緩激肽、前列腺素[22-23]等物質，增強機體對有害性冷刺激的敏感性(痛覺過敏)，從而加重疼痛[24]。Proudfoot等[25]研究發(fā)現，皮膚、鞘內注射特定的藥物或適度降溫可激活TRPM8而使其高表達，在大鼠神經病理性疼痛和慢性疼痛模型中產生鎮(zhèn)痛作用，從而抑制脊髓背角神經元的特征性感覺和反射行為。然而Todaka等[26]研究發(fā)現，在炎癥反應中出現的冷痛覺過敏與TRPM8密切相關，敲除TRPM8基因小鼠無冷痛覺過敏。Colburn等[27]構建了小鼠神經病理性疼痛模型和炎癥性疼痛模型來評估TRPM8的作用，結果顯示野生型小鼠在受到冷刺激后可產生下肢震顫等冷痛反應，而TRPM8基因敲除小鼠則反應不明顯。由此可見，TRPM8同時參與了冷刺激的鎮(zhèn)痛和致痛機制，而采用TRPM8拮抗劑治療神經病理性疼痛和炎癥性疼痛成為近年研究的熱點。

3 冷刺激經TRPM8途徑所致作用

3.1 導致炎癥性疼痛

TRPM8在傷害性冷刺激傳導過程中起重要作用。機體受到傷害性冷刺激時，通過初級神經元中的傷害感受器將傷害性冷刺激轉換為電信號，并傳輸到脊髓、丘腦、大腦皮層，最終產生疼痛感受。TRPM8、TRPA1及TRPV1～4均在傷害感受器中表達，來自熱刺激、物理刺激、機械性刺激的信號直接通過其傳導，它們在疼痛感受形成和發(fā)展機制中起著至關重要的作用[28]。實驗研究[29]證實，含有TRPM8的神經元是傷害性冷刺激反應產生的必要條件。

冷刺激經TRPM8途徑可致炎癥性疼痛。Park等[24]采用TRPM8、TRPA1基因轉染人支氣管內皮細胞株(BEAS-2B)和人類胚胎腎細胞株(HEK293)并使細胞株接受冷刺激，結果在這些細胞中線粒體膜電位和三磷酸腺苷(ATP)水平顯著升高，而野生株細胞接受冷刺激后則未有明顯變化，表明寒冷刺激后TRPM8表達增高，進而細胞生理能耗降低，線粒體產熱增加(生物氧化、呼吸鏈、遞氫體、氧化磷酸化、ATP產生)。細胞高代謝帶來的結果是代謝廢物增多、局部微環(huán)境改變，導致炎性因子釋放增加，而炎癥組織中大量炎癥介質如炎性因子、趨化因子、活性氧、蛋白激酶、血管活性胺、脂類、ATP、酸等釋放均可導致閾電位下降和感受神經元反應性增高，并通過疼痛感受通路產生炎癥性疼痛。在此過程中，TRPM8通道的激活和致敏起著至關重要的作用[28]。

3.2 鎮(zhèn)痛作用

TRPM8可以作為疼痛治療的分子靶點，但其在藥物化學方面的發(fā)展仍處于起步階段[30]。由于TRPM8的復雜性，其拮抗劑和激動劑均具有治療疼痛的潛能，而TRPM8參與了致痛過程還是止痛過程，仍有爭議[31]。

作為TRPM8激動劑，薄荷醇的鎮(zhèn)痛效果已得到廣泛認可，而加用納洛酮會削弱其鎮(zhèn)痛作用，這表明TRPM8的鎮(zhèn)痛機制可能類似于阿片類藥物[32]。Proudfoot等[25]研究神經病理性疼痛模型認為，適度寒冷刺激下動物在受到傷害性刺激時反應時間(上肢回撤時間)明顯延長，而適度寒冷的保護效應可因TRPM8基因敲除而消失。Dhaka等[33]研究發(fā)現，在適度低溫條件下，后腿注射福爾馬林(產生炎癥反應)的野生型小鼠疼痛行為(舔或抬起后腿)顯著減少，而TRPM8基因敲除小鼠則無此變化。以上實驗表明，適度冷刺激可經TRPM8途徑緩解傷害性疼痛，TRPM8對早期炎癥性疼痛和慢性神經性疼痛均有鎮(zhèn)痛作用。

3.3 促進細胞壞死和凋亡

近期研究[7]發(fā)現，薄荷醇激活TRPM8可促進滑膜成纖維細胞壞死和凋亡。有學者通過膠原誘導大鼠膝關節(jié)炎并分離出滑膜成纖維細胞，經逆轉錄-聚合酶鏈反應(RT-PCR)檢測證實TRPM8在滑膜細胞中有表達。薄荷醇作為冷卻劑，激活TRPM8后可引起細胞內Ca2+過載(Ca2+內流)、細胞內活性氧產生增加、線粒體膜電位去極化，并最終導致滑膜細胞壞死和凋亡。這一過程可被TRPM8拮抗劑抑制，可見其與TRPM8激活密切相關。

冷刺激激活TRPM8后，很可能通過類似途徑引起軟骨細胞壞死、凋亡增加，但相關文獻甚少。實驗研究[12]發(fā)現，寒冷刺激后生殖細胞凋亡率增加，該過程由TRPM8調控冷休克蛋白、熱休克蛋白啟動。此外，在生殖細胞中TRPM8還能表達抗氧化酶，從而保護生殖細胞免受低溫損傷。

4 TRPM8與骨關節(jié)炎

骨關節(jié)炎是中老年人中最常見的骨關節(jié)慢性疾病[34]，多發(fā)于膝關節(jié)，表現為關節(jié)軟骨進行性軟化、瓦解，伴有骨贅、囊腫形成及軟骨下骨硬化，可導致關節(jié)慢性疼痛，影響下肢功能(上下樓梯、行走等)，甚至影響日常生活，極大地降低了生活質量。隨著人類壽命的延長，骨關節(jié)炎的發(fā)病率呈增長趨勢[35]。美國65歲以上人群中約80%患有骨關節(jié)炎[36]，超過一半的骨關節(jié)炎患者年齡相對年輕化(65歲以下)。我國作為人口大國，患骨關節(jié)炎者亦不在少數。目前骨關節(jié)炎尚缺乏有效的治愈手段，其主要治療手段只能緩解疼痛癥狀，改善關節(jié)活動度，延緩其進展。關節(jié)置換術雖能明顯緩解疼痛和改善關節(jié)功能，但費用昂貴。因此，新的骨關節(jié)炎治療靶點的探索顯得尤為重要。

喻斌等[37]經臨床實驗證實，TRPM8在人類軟骨組織中有表達，且表達在軟骨細胞膜上。他們[38]進一步研究發(fā)現，骨關節(jié)炎患者TRPM8表達量明顯高于正常人。這些均提示TRPM8與骨關節(jié)炎相關，但目前尚無其在骨關節(jié)炎中具體作用及機制的報道。上文提及的寒冷激活TRPM8引起Ca2+過載、細胞內活性氧產生增加、線粒體膜電位去極化而導致細胞壞死、凋亡增加，可能是其機制之一。

5 寒冷刺激經TRPM8途徑參與骨關節(jié)炎形成的假說

許多學者認為，寒冷引起血管收縮而加重骨關節(jié)炎癥狀，因此寒冷不是引起骨關節(jié)炎發(fā)病的危險因素。但也有研究提示，寒冷可能經TRPM8途徑直接參與骨關節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展。有統(tǒng)計學研究[39]顯示，高寒地區(qū)人群膝關節(jié)骨關節(jié)炎患病率明顯高于溫暖地區(qū),且以65～75歲為最高,其患病率與姿勢、煙酒和日常飲食習慣無關。劉杰等[40]在動物實驗中成功應用冷刺激建立了小鼠骨關節(jié)炎模型，即利用冷水對小鼠膝關節(jié)進行直接刺激，破壞正常軟骨和滑膜細胞生長壞境，對膝關節(jié)造成漸進性破壞，從而成功造模。寒冷造成骨關節(jié)炎的可能機制有：①細胞內外環(huán)境失衡引起變性、溶解、凋亡的細胞及代謝廢物增多，從而導致炎性因子如白細胞介素(IL)-1、IL-6、腫瘤壞死因子(TNF)-α及趨化因子釋放增加，造成關節(jié)疼痛、腫脹，并使軟骨細胞產生大量基質金屬蛋白酶(MMP)，MMP與其特異性組織抑制劑(TIPM)平衡失調，進而破壞軟骨細胞及其基質；②冷刺激可減緩末梢血液循環(huán)，使軟骨細胞缺氧，無氧呼吸增多，局部內環(huán)境pH值下降，加劇骨紊亂及骨增生[41-44]；③寒冷可經TRPM8途徑導致炎癥性疼痛及軟骨細胞骨關節(jié)炎相關指標升高，而在TRPM8基因敲除小鼠軟骨細胞中則無相關變化；④寒冷激活TRPM8，引起Ca2+過載、細胞內活性氧產生增加、線粒體膜電位去極化，從而導致軟骨細胞壞死、凋亡增加。由此可見，寒冷、TRPM8、炎性因子、活性氧、骨關節(jié)炎之間存在可待探索的聯系。

6 展望

目前TRPM8在神經病理性疼痛及細胞生長調控中的作用已得到廣泛認知，其拮抗劑緩解神經病理性疼痛和治療癌癥一度成為各學科研究的熱點[5]。TRPM8還參與了很多疾病(如癌癥、泌尿生殖道疾病、偏頭痛、淀粉樣變性多神經病、氣道和血管病變等[8])的病理生理過程以及冷痛覺形成、淚液形成等，為其發(fā)病機制及治療的探索提供了新方向。國內外關于寒冷引起疼痛的機制及寒冷與骨關節(jié)炎關系的研究相對較少，而TRPM8與骨關節(jié)炎的研究則更少。對其進行探索將會為TRPM8拮抗劑緩解慢性炎癥性疼痛，甚至治療骨關節(jié)炎提供理論基礎。

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(收稿：2016-08-16; 修回：2016-09-28)

(本文編輯：盧千語)

上海市自然科學基金面上項目(13ZR1433300)、上海市科委引導項目(15411968800)

201620， 上海交通大學附屬第一人民醫(yī)院創(chuàng)傷骨科、上海市創(chuàng)傷急救中心

王謙 E-mail: drwangqian23@163.com

10.3969/j.issn.1673-7083.2016.06.010