趨化因子及其受體在疼痛過程中的機(jī)制和作用

李鴻雁，李 彤，倪家驤

·新進(jìn)展·

趨化因子及其受體在疼痛過程中的機(jī)制和作用

李鴻雁1，2，3，李 彤4，倪家驤1*

趨化運(yùn)動是非興奮細(xì)胞在趨化因子刺激下所發(fā)生的共同反應(yīng)。神經(jīng)元的趨化因子受體常通過激活三聚體G蛋白下游信號從而轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)而活化分子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。趨化因子及其受體在疼痛的發(fā)生和持續(xù)過程中起著重要作用。本文分別從趨化因子與神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)系、趨化因子及其受體與疼痛的關(guān)系進(jìn)一步分析了趨化因子及其受體在疼痛過程中的作用以及相關(guān)機(jī)制，同時為尋找和研發(fā)阻斷趨化因子受體的藥物以及疼痛治療提供新的靶點(diǎn)。

疼痛；趨化因子類；受體，趨化因子

在高等脊椎動物中已發(fā)現(xiàn)存在50多種不同的趨化因子[1-3]。趨化因子是由約100個氨基酸構(gòu)成的小分子蛋白質(zhì)，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分成4個亞科。大多數(shù)趨化因子屬于CC和CXC亞科，CC亞科趨化因子的氨基末端包含2個連續(xù)的半胱氨酸分子；CXC亞科趨化因子的2個半胱氨酸分子被1個氨基酸分隔；CX3C亞科趨化因子的2個半胱氨酸分子之間存在3個氨基酸；而C亞科則僅包含1個半胱氨酸分子。每類趨化因子均有兩個名字：一個是反映其特定生物學(xué)功能的名稱，例如基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1(SDF-1)；另一個則是反映其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的系統(tǒng)名稱，例如SDF-1也稱為CXCL12。

每個亞科的半胱氨酸分子均能夠與G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)相互作用。在體外研究中，單一趨化因子可以激活一個以上的受體，相反，一個受體也可以被一個以上的趨化因子活化，然而也有趨化因子僅激活一個受體，例如SDF-1僅激活CXCR4。趨化因子是由一族氨基末端區(qū)不同的半胱氨酸構(gòu)成的低分子量蛋白，根據(jù)原始特性劃分為α趨化因子和β趨化因子，所有趨化因子通過激活7次跨膜GPCR的活化發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)。19個趨化因子受體已經(jīng)被克隆，其中包括6個CXC受體(CXCR1～6)、10個CC受體(CCR1～10)、lympotactin受體(XCR1)和fractalkine受體(CXC3CR1)。

所有非興奮細(xì)胞在趨化因子刺激下的一個共同反應(yīng)即為趨化運(yùn)動[4-6]。神經(jīng)元的趨化因子受體通過激活三聚體G蛋白的下游從而誘導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和級聯(lián)反應(yīng)，例如磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)途徑或激活磷脂酶C使Ca2+內(nèi)流、蛋白激酶C活化的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。體內(nèi)試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)大多數(shù)趨化因子會被百日咳毒素(pertussis toxin，PTX)阻滯，這表明許多趨化因子受體屬于Gi/o耦合型受體[5]。此外，也有證據(jù)表明，趨化因子可以通過與Gɑ或Gi結(jié)合從而激活促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)發(fā)揮作用[7]。雖然趨化因子通常在細(xì)胞和器官損傷中發(fā)揮作用，但是其在炎性反應(yīng)中下調(diào)也導(dǎo)致了許多慢性疾病的發(fā)生，同時該趨化因子介導(dǎo)的通路也可能導(dǎo)致慢性疼痛的發(fā)生與持續(xù)。因此，干擾趨化因子的功能將為用于炎性疾病和慢性疼痛治療的新型抗炎藥物提供靶點(diǎn)。

1 趨化因子與神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)系

趨化因子除了免疫以及炎性功能外，還介導(dǎo)了人體白細(xì)胞的成熟和發(fā)育、血管生成、趨化運(yùn)動、創(chuàng)口愈合以及同種異體移植物的排斥等過程。同時，趨化因子在神經(jīng)系統(tǒng)中也呈高表達(dá)，提示其在神經(jīng)元的遷移和神經(jīng)遞質(zhì)傳遞過程中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。因此，許多趨化因子及其受體所介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可能在慢性疼痛綜合征發(fā)病過程中發(fā)揮著明顯作用。雖然，趨化因子及其受體在疼痛中的確切機(jī)制仍不十分清楚，但是，在阻滯趨化因子的作用方面可能將會成為一個重要的疼痛治療新方向。

趨化因子在神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞以及神經(jīng)祖細(xì)胞等主要神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞類型中呈高表達(dá)。病理神經(jīng)系統(tǒng)中的趨化因子受體能夠引發(fā)級聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致炎癥發(fā)生，這些炎性反應(yīng)既可發(fā)生在中樞神經(jīng)系統(tǒng)也可發(fā)生在周圍神經(jīng)系統(tǒng)，顯然趨化因子受體在神經(jīng)性疼痛過程中發(fā)揮著重要作用。然而，神經(jīng)系統(tǒng)的趨化因子功能遠(yuǎn)超出其作為炎性遞質(zhì)的角色，例如，在CXCR4敲除的小鼠模型中，神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)發(fā)展異常，如海馬的齒狀回、小腦和背根神經(jīng)節(jié)(DRG)[8]，這些異常表型均是由于缺失了神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生的趨化因子介導(dǎo)的遷移作用導(dǎo)致。同時，趨化因子也參與了調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性、神經(jīng)遞質(zhì)釋放和神經(jīng)元存活的過程。有趣的是，雖然許多趨化因子在大腦中的表達(dá)通常不高，但是其在神經(jīng)炎性反應(yīng)過程中的合成仍呈顯著上調(diào)，從而激活DRG初級傳入感覺神經(jīng)元中的趨化因子受體，這些活化的趨化因子受體能激發(fā)神經(jīng)元產(chǎn)生強(qiáng)烈的興奮引起疼痛[9-10]。因此，神經(jīng)炎性反應(yīng)中的這些趨化因子也可能直接作用于感覺神經(jīng)元，以產(chǎn)生疼痛[7-11]。

2 趨化因子及其受體與疼痛的關(guān)系

近來，大量的疼痛模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，趨化因子單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)及其同源受體在神經(jīng)性疼痛過程中起著核心作用[7-8]。在椎管狹窄動物模型中，趨化因子受體CCR2在損傷和相鄰的未損傷DRG中上調(diào)[7]，而激活CCR2的趨化因子屬于MCP-1家族。而且當(dāng)在體外DRG神經(jīng)元中檢測MCP-1信號的電效應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)對照組中的MCP-1未發(fā)生變化，但在暴露于CCD感覺神經(jīng)元中其發(fā)生了極大活性[9]。然而，坐骨神經(jīng)的橫斷損傷也伴隨著遠(yuǎn)端神經(jīng)損傷部位中非神經(jīng)源的MCP-1。因此，非神經(jīng)源的MCP-1可能是炎性細(xì)胞因子級聯(lián)反應(yīng)的結(jié)果，其中涉及腫瘤壞死因子α(TNF-α)，白介素(IL)-1β，IL-6和白血病抑制因子(LIF)的合成，總之，周圍神經(jīng)系統(tǒng)損傷后產(chǎn)生的MCP-1發(fā)揮著多種功能，這些功能能夠吸引表達(dá)CCR2的白細(xì)胞遷移到周圍神經(jīng)和/或神經(jīng)節(jié)損傷部位。此外，如果神經(jīng)元釋放MCP-1，則其可以降低神經(jīng)元興奮所需的膜閾，或通過自分泌或旁分泌途徑直接激活表達(dá)CCR2的神經(jīng)元。同理，降低膜閾可以促進(jìn)非傷害性感覺神經(jīng)元的自發(fā)動作電位，因此，這個模型揭示了抑制同源MCP-1受體、CCR2在動物神經(jīng)性疼痛模型中緩解了疼痛的進(jìn)程[10-11]。

體外和體內(nèi)研究數(shù)據(jù)表明，多種類型的趨化因子受體可能存在于DRG神經(jīng)元中，除了CCR2外，其他受體可能也介導(dǎo)不同神經(jīng)炎癥和疼痛之間的相互作用[12-13]。受體的配體，如RANTES和干擾素誘導(dǎo)蛋白10(IP-10)，在神經(jīng)炎性反應(yīng)過程中通常是上調(diào)的，其可以直接影響傷害性和非傷害性感覺神經(jīng)元的興奮。事實(shí)上，各類趨化因子激發(fā)感受器而產(chǎn)生機(jī)械痛，除了針對傷害感受器的直接作用外，還存在其他的作用方式，進(jìn)而說明趨化因子可能在神經(jīng)性疼痛的微環(huán)境中發(fā)揮重要作用。

組織的損傷，神經(jīng)炎癥或神經(jīng)系統(tǒng)的損傷，導(dǎo)致了痛覺過敏、異常疼痛和自發(fā)性疼痛為特點(diǎn)的慢性神經(jīng)性疼痛。因?yàn)槊庖吆头敲庖呒?xì)胞均與損傷反應(yīng)相關(guān)，釋放促炎遞質(zhì)如前列腺素、組胺、血清素、緩激肽、神經(jīng)生長因子和促炎性細(xì)胞因子，所以促炎遞質(zhì)可以進(jìn)一步敏化初級傳入神經(jīng)元引起疼痛。當(dāng)然也有證據(jù)表明，同其他炎性遞質(zhì)一樣，趨化因子也可以引起疼痛超敏[12]。例如，SDF-1/CXCL12激活趨化信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路從而引起異常性的疼痛[13]。那么趨化因子導(dǎo)致的外周神經(jīng)超敏現(xiàn)象則是與趨化因子受體及其下游信號分子和/或瞬時受體電位(TRP)陽離子通道的激活有關(guān)[12]。盡管這些因素對于臨床疼痛綜合征具有十分重要的意義，但是這方面的機(jī)制仍不是十分清楚，需要進(jìn)一步的科學(xué)研究。

總之，趨化因子及其受體所介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是疼痛傳導(dǎo)和治療的重要分子機(jī)制。趨化因子可以通過激活傷害性神經(jīng)元及其他損傷細(xì)胞的趨化因子受體來介導(dǎo)損傷反應(yīng)，進(jìn)而引起巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)的活化，促進(jìn)其遷移，并進(jìn)一步活化。然而更重要的是，趨化因子(RANTES、SDF-1α、MCP-1和fractalkine)也可直接作用于傷害性感覺神經(jīng)元從而產(chǎn)生興奮和疼痛。此外，特定的趨化因子或趨化因子受體使周圍神經(jīng)損傷感應(yīng)超敏化，最終導(dǎo)致了慢性疼痛狀態(tài)。總之，趨化信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，特別是CXCL12/CXCR4已被證實(shí)是一個潛在的鎮(zhèn)痛治療的重要機(jī)制。綜上所述，抑制趨化因子受體及功能的藥物將成為治療神經(jīng)性疼痛的新靶點(diǎn)。

3 疼痛治療靶點(diǎn)及展望

組織損傷以及神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥均會引起痛覺過敏從而導(dǎo)致慢性神經(jīng)病理性疼痛和異常性疼痛。在疼痛轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，GPCR起著重要的作用。然而，細(xì)胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是一個非常復(fù)雜和多樣化的過程，許多重要的問題仍有待解決。針對每個GPCR藥物的開發(fā)將提高傳統(tǒng)鎮(zhèn)痛藥物的療效。研究表明，趨化因子及其受體在神經(jīng)性疼痛的發(fā)生和持續(xù)過程中起著重要作用，靶向趨化因子受體的鎮(zhèn)痛藥物將存在著特別的優(yōu)勢[14-15]?？傊种期吇蜃邮荏w的藥物將成為疼痛治療中的一個新方法。

趨化因子MCP-1參與了炎性反應(yīng)的同時，也通過激活DRG的CCR2直接誘導(dǎo)了疼痛。因此，抑制這些受體將具有多重效果，即減少炎性反應(yīng)和加強(qiáng)鎮(zhèn)痛的作用。雖然CCR2的抑制劑在神經(jīng)性疼痛模型中起到了鎮(zhèn)痛作用，但到目前為止，任何使用CCR2小分子拮抗劑來靶向其受體的驗(yàn)證性研究仍是空缺。因此，趨化因子受體拮抗劑被認(rèn)為是一種潛在的新的神經(jīng)性疼痛治療方法[16-17]。目前，趨化因子受體的小分子抑制劑在藥物化學(xué)的研究領(lǐng)域已成為熱點(diǎn)，特別是CCR5和CXCR4拮抗劑能夠抑制人類免疫缺陷病毒(HIV)-1的復(fù)制[18]。AMD3100能夠有效阻斷CXCR4以及抑制HIV-1侵襲的CXCR4特異性菌株細(xì)胞的感染[19]。此外，阻斷其他趨化因子受體，諸如CCR1、CXCR1和CXCR2的一些藥物也已經(jīng)研發(fā)[18-20]。盡管這些藥物目前在臨床試驗(yàn)監(jiān)測中是安全的，但是靶向參與神經(jīng)性疼痛的趨化因子受體仍是一個新概念，在這方面的藥物仍需進(jìn)一步研發(fā)和論證。此外，越來越多學(xué)者和醫(yī)師們發(fā)現(xiàn)并提出趨化因子受體CXCR4將有可能成為新的一類重要的疼痛治療靶點(diǎn)，但是其仍需進(jìn)一步闡明GPCR的功能及其下游分子的效應(yīng)作用和疼痛信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的機(jī)制[21]?？傊?，趨化因子及其受體在神經(jīng)性疼痛和炎癥過程中有著如此突出的重要作用，將成為新的疼痛發(fā)展管理模式和治療的潛在目標(biāo)。

本文文獻(xiàn)檢索策略：

以“趨化因子；趨化受體；疼痛；趨化運(yùn)動”和“Chemokine；Chemokine receptor；Pain；Chemotaxis”為中英文關(guān)鍵詞檢索中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)知識服務(wù)平臺、中國生物醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫、維普中文科技期刊數(shù)據(jù)庫、PubMed、Springer、Medline。納入標(biāo)準(zhǔn)：疼痛趨化運(yùn)動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路基礎(chǔ)研究、綜述；排除標(biāo)準(zhǔn)：重復(fù)報道、質(zhì)量較差文獻(xiàn)。

作者貢獻(xiàn)：李鴻雁進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計，撰寫論文；李鴻雁、李彤、倪家驤負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校，對文章整體負(fù)責(zé)，監(jiān)督管理；倪家驤進(jìn)行論文的修訂。

本文無利益沖突。

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MechanismofActionofChemokinesandTheirReceptorsinthePathogenesisofPain

LIHong-yan1,2,3，LITong4，NIJia-xiang1*

1.DepartmentofPainManagement，XuanwuHospital,CapitalMedicalUniversity，Beijing100053，China2.DepartmentofCentralLaboratory，XuanwuHospital,CapitalMedicalUniversity，Beijing100053，China3.ComprehensiveLiverCancerCenter，302MilitaryHospitalofChina，Beijing100039，China4.DepartmentofPainManagement，LanzhouMaternalandChildHealthCareHospital，Lanzhou730030，China

*Correspondingauthor：NIJia-xiang，Chiefphysician，Professor，Doctoralsupervisor；E-mail：nijiaxiang@263.net

Chemotaxis is a common response of non-excitable cells stimulated by chemokine.The chemokine receptor of neurons often transducts cascade via activating the heterotrimeric G protein downstream signals and further triggers molecular signal transduction pathway.Chemokines and their receptors play an important role in the occurrence and maintenance of pain.By analyzing the relationship between chemokines and nerve systems，the relationship between chemokines/chemokine receptors and pain,we demonstrated the mechanism of action of chemokines and their receptors in the pathogenesis of pain,suggesting that chemokines and their receptors are potential targets for the development of novel drugs and options for pain management.

Pain；Chemotactic factors；Receptors,chemokine

R 441.1

A

10.3969/j.issn.1007-9572.2017.00.033

2016-12-14；

2017-04-11)

(本文編輯：張小龍)

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81502553，81672467，81470165)；北京市醫(yī)院管理局臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目揚(yáng)帆計劃(ZYLX201507)；首都特色臨床研究(Z141107002514065)；蘭州市2015年人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(2015-RC-49)

1.100053北京市，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院疼痛科

2.100053北京市，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室

3.100039北京市，中國人民解放軍第三〇二醫(yī)院肝臟腫瘤診療與研究中心

4.730030甘肅省蘭州市婦幼保健院疼痛科

*通信作者：倪家驤，主任醫(yī)師，教授，博士生導(dǎo)師；E-mail：nijiaxiang@263.net

李鴻雁，李彤，倪家驤.趨化因子及其受體在疼痛過程中的機(jī)制和作用[J].中國全科醫(yī)學(xué)，2017，20(29)：3675-3678.[www.chinagp.net]

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