細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2誘導(dǎo)痛覺過敏機(jī)制的研究進(jìn)展

金 旭 ,石翊颯,楊園園

(1.蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，蘭州 730000； 2.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院麻醉科 蘭州 730030；3.臨沂市婦女兒童醫(yī)院麻醉科，山東 臨沂 276017)

機(jī)體對疼痛的感受是一種正常的防御反應(yīng)，但劇烈或頑固的疼痛不僅會(huì)損傷患者的心理和軀體健康，還會(huì)給家庭和社會(huì)帶來負(fù)擔(dān)。炎癥或組織損傷等傷害性刺激的持續(xù)作用可升高初級(jí)感覺傳入纖維和脊髓的興奮性，增強(qiáng)機(jī)體對外界環(huán)境的反應(yīng)性，由此引起的痛覺敏化加深并延長了機(jī)體對疼痛的感受[1-2]。對多種疼痛模型的研究發(fā)現(xiàn)，外周或中樞傷害性刺激可異常激活神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2(extracellular signal-regulated kinase 1/2，ERK1/2)信號(hào)通路，而活化的ERK1/2在不同類型疼痛的形成和維持過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1,3]，其有可能成為治療疼痛的新靶點(diǎn)。目前國內(nèi)外對ERK1/2在炎性痛、神經(jīng)病理性痛等慢性疼痛中的作用研究的較為深入，而對于在急性組織損傷引起的急性疼痛中的作用研究相對有限，ERK1/2參與誘導(dǎo)急性痛覺過敏在分子水平的機(jī)制以及在不同類型疼痛中作用差異性的鑒別尚未完全明確?，F(xiàn)就近年來ERK1/2在多種類型疼痛中作用及在不同組織水平參與痛覺過敏形成和維持的詳細(xì)機(jī)制和作用差異進(jìn)行綜述，以期不斷充實(shí)對疼痛理論的認(rèn)識(shí)，為更安全、有效的臨床鎮(zhèn)痛藥物的研發(fā)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 ERK1/2的分布、表達(dá)及功能

ERK1/2是一類廣泛分布于哺乳動(dòng)物細(xì)胞的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，其與p38激酶和c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)同屬于促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPKs)家族[4]。ERK1和ERK2的分子量分別為44 000和42 000，兩者序列的相似性高達(dá)83%，均由N端序列和C端序列柔性連接組成，其中激酶活化環(huán)包含能被雙磷酸化的蘇氨酸/酪氨酸基團(tuán)[5]。ERK1/2在腦、骨骼肌、心臟以及胸腺中高表達(dá)，其中在腦和脊髓的表達(dá)量是正常組織的3～6倍[4,6]。

細(xì)胞膜表面的酪氨酸激酶受體、G蛋白偶聯(lián)受體、整聯(lián)蛋白、離子通道等在生長因子、分裂素、Ca2+、G蛋白偶聯(lián)受體配體、滲透壓的作用下，將刺激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)，而細(xì)胞內(nèi)的Ras蛋白在生長因子受體結(jié)合蛋白和鳥苷酸交換因子的輔助下接收刺激信號(hào)并結(jié)合鳥苷三磷酸(guanosine triphosphate，GTP)，Ras-GTP能直接活化Raf家族，啟動(dòng)激酶三級(jí)級(jí)聯(lián)活化，使細(xì)胞質(zhì)內(nèi)靜息態(tài)的ERK1/2磷酸化[7]。磷酸化的ERK1/2(phospho-ERK1/2，p-ERK1/2)主要以同源二聚體的形式在核定位序列介導(dǎo)下通過核孔復(fù)合體進(jìn)入細(xì)胞核，同時(shí)有少量的p-ERK1/2滯留在細(xì)胞質(zhì)[5]。亞細(xì)胞定位不同的p-ERK1/2能磷酸化不同底物Pro-Xxx-Ser/Thr-Pro序列的蘇氨酸/絲氨酸基團(tuán)，通過轉(zhuǎn)錄或非轉(zhuǎn)錄方式調(diào)節(jié)細(xì)胞的生物功能[4-5]。此外，細(xì)胞內(nèi)蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)等可通過MEK1/2(MAP/ERK kinase 1/2)活化ERK1/2，因此研究中常用PD98059、U0126(MEK1/2特異性抑制劑)作為ERK1/2信號(hào)通路的阻斷劑[1]。

ERK1/2在細(xì)胞周期中發(fā)揮正性調(diào)節(jié)作用，參與調(diào)控細(xì)胞的增殖、生長、存活[5]。研究證明，ERK1/2信號(hào)通路是慢性疼痛傳導(dǎo)的關(guān)鍵通路之一，不僅促進(jìn)疼痛的形成，并且在急性疼痛向慢性疼痛的轉(zhuǎn)化及慢性疼痛的維持中發(fā)揮關(guān)鍵作用[1-2]。關(guān)于ERK1/2信號(hào)通路在急性疼痛中的作用國內(nèi)外研究者尚未得出一致結(jié)論。此外，脊髓神經(jīng)元內(nèi)ERK1/2-JNK途徑的激活參與超低劑量嗎啡誘導(dǎo)的痛覺過敏[8]。

2 ERK1/2誘導(dǎo)痛覺過敏分子水平的機(jī)制

2.1ERK1/2促進(jìn)損傷組織微環(huán)境的改變 組織損傷后釋放組胺、緩激肽、一氧化氮等炎性因子，而免疫細(xì)胞聚集又進(jìn)一步釋放炎性因子和神經(jīng)細(xì)胞生長因子，這些細(xì)胞因子與神經(jīng)纖維末梢釋放的P物質(zhì)等內(nèi)源性致痛物質(zhì)共同促進(jìn)組織損傷局部炎性微環(huán)境的形成，是刺激初級(jí)感覺傳入纖維敏化的前提條件。Shi等[9]發(fā)現(xiàn)，離體角質(zhì)細(xì)胞表面存在P物質(zhì)和降鈣素基因相關(guān)肽(calcitonin gene-related peptide，CGRP)受體，應(yīng)用外源性P物質(zhì)和CGRP能激活角質(zhì)細(xì)胞內(nèi)ERK1/2信號(hào)通路，并促進(jìn)白細(xì)胞介素1β、白細(xì)胞介素6以及腫瘤壞死因子α表達(dá)，而應(yīng)用PD98059能抑制ERK1/2活化，并減少上述炎性因子的表達(dá)，證明ERK1/2信號(hào)通路是角質(zhì)細(xì)胞異常表達(dá)炎性因子的關(guān)鍵中介，即初級(jí)感覺傳入纖維外周端在病理狀態(tài)下釋放的P物質(zhì)和CGRP可通過激活周圍組織的ERK1/2信號(hào)通路增強(qiáng)局部免疫反應(yīng)，誘導(dǎo)組織損傷加重。Ding等[10]還發(fā)現(xiàn)，白細(xì)胞介素1β能誘導(dǎo)異位子宮內(nèi)膜細(xì)胞釋放ATP，白細(xì)胞介素1β和ATP均能激活異位子宮內(nèi)膜細(xì)胞內(nèi)的ERK1/2信號(hào)通路，繼而通過活化環(huán)腺苷酸效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)增加P2X3受體(ATP受體亞型)在細(xì)胞膜表面的表達(dá)，并且活化的P2X3受體對ATP的親和力進(jìn)一步增加，從而形成惡性循環(huán)，促進(jìn)局部微環(huán)境的進(jìn)一步惡化，增加外周傷害性刺激的傳入。此外，損傷組織釋放的ATP還能直接作用于初級(jí)感覺傳入纖維外周端的P2X3受體，形成相同的惡性循環(huán)，參與促進(jìn)初級(jí)感覺傳入纖維的敏化[10]。

2.2ERK1/2在外周神經(jīng)促進(jìn)細(xì)胞間信息交流 初級(jí)感覺傳入神經(jīng)的胞體聚集形成神經(jīng)節(jié)，參與外周刺激信號(hào)的傳導(dǎo)和調(diào)制，是外環(huán)境與中樞神經(jīng)連接的樞紐。神經(jīng)節(jié)細(xì)胞發(fā)生敏化后對外周刺激反應(yīng)的閾值降低，致使傷害性信號(hào)的傳入增加，促進(jìn)疼痛中樞敏化。曲玉娟[11]在大鼠背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglion，DRG)慢性壓迫模型中發(fā)現(xiàn)，DRG內(nèi)ERK1/2蛋白的表達(dá)及磷酸化水平均上調(diào)，鞘內(nèi)注射U0126能抑制大、中直徑神經(jīng)元的活化，并緩解因DRG壓迫引起的機(jī)械痛敏，證明ERK1/2信號(hào)通路在DRG慢性壓迫異常激活大、中直徑神經(jīng)元的過程中起重要作用，并且ERK1/2誘導(dǎo)的神經(jīng)元活化使DRG保持對機(jī)械刺激的持續(xù)高反應(yīng)狀態(tài)。Mikuzuki等[12]也發(fā)現(xiàn)，三叉神經(jīng)節(jié)內(nèi)大直徑神經(jīng)元在舌咽神經(jīng)損傷3 d后顯著活化，其釋放的CGRP不僅能與自身受體結(jié)合增強(qiáng)神經(jīng)元的興奮性，還能作用于圍繞神經(jīng)元的星形膠質(zhì)細(xì)胞，通過激活ERK1/2信號(hào)通路使星形膠質(zhì)細(xì)胞活化，正是這種神經(jīng)元與星形膠質(zhì)細(xì)胞間的信息交流促進(jìn)了神經(jīng)節(jié)敏化，誘導(dǎo)了舌咽神經(jīng)損傷引起的機(jī)械痛敏和熱痛敏。Liu等[13]發(fā)現(xiàn)，受壓迫的DRG內(nèi)ERK1/2信號(hào)通路激活后能通過磷酸化核轉(zhuǎn)錄因子激活蛋白1，增加某些炎性因子在初級(jí)感覺傳入神經(jīng)中樞端的釋放，繼而激活脊髓背角內(nèi)星形膠質(zhì)細(xì)胞，參與誘導(dǎo)疼痛的中樞敏化。與慢性神經(jīng)損傷不同的是，雖然在急性組織損傷過程中同樣存在DRG內(nèi)ERK1/2的持續(xù)異常活化，但其可能僅在疼痛早期階段發(fā)揮作用，詳細(xì)機(jī)制還有待進(jìn)一步研究[14]。

在大鼠足底注射蜂毒后DRG內(nèi)神經(jīng)元發(fā)生敏化，并且星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放CXC趨化因子配體12(C-X-C motif chemokine ligand 12,CXCL12)，而CXCL12與神經(jīng)元表面的CXC趨化因子受體4(C-X-C motif chemokine receptor 4，CXCR4)結(jié)合后激活ERK1/2信號(hào)通路，鞘內(nèi)或足底注射U0126均能抑制ERK1/2的活化并減少Nav1.8的表達(dá)，同時(shí)緩解由蜂毒引起的持續(xù)性疼痛，提示星形膠質(zhì)細(xì)胞通過CXCL12-CXCR4-ERK1/2途徑上調(diào)神經(jīng)元Nav1.8鈉離子通道的表達(dá)，升高DRG的興奮性，促進(jìn)蜂毒引起的痛覺過敏[15]。Bi等[16]在顳下頜關(guān)節(jié)炎模型大鼠的三叉神經(jīng)節(jié)內(nèi)檢測到衛(wèi)星膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)ERK1/2的顯著增加及神經(jīng)元內(nèi)Nav1.7、Nav1.8以及Nav1.9表達(dá)上調(diào)，其中Nav1.7在基因和蛋白水平上調(diào)得較為明顯，而顯微注射U0126抑制了神經(jīng)元對Nav1.7表達(dá)的上調(diào)，提示衛(wèi)星膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)ERK1/2信號(hào)通路的激活可能是三叉神經(jīng)節(jié)內(nèi)神經(jīng)元表面Nav1.7表達(dá)上調(diào)的重要前提，參與誘導(dǎo)完全弗氏佐劑引起的痛覺過敏。對以上炎性痛模型的研究表明，外周神經(jīng)ERK1/2信號(hào)通路是神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞間信息交流的關(guān)鍵中介，可通過上調(diào)離子通道的表達(dá)來升高神經(jīng)元的興奮性，增加外周傷害性信號(hào)的傳入。此外，對蜂毒注射和選擇性神經(jīng)損傷模型的研究發(fā)現(xiàn)，DRG內(nèi)CXCL12-CXCR4-ERK1/2途徑在急性疼痛向慢性疼痛轉(zhuǎn)化的過程中起重要作用[17]。

2.4ERK1/2調(diào)節(jié)脊髓對痛覺信號(hào)的應(yīng)答 脊髓背角內(nèi)ERK1/2活化后能通過轉(zhuǎn)錄或非轉(zhuǎn)錄的方式調(diào)節(jié)突觸的可塑性，改變脊髓對痛覺信號(hào)的反應(yīng)性。p-ERK1/2能以非轉(zhuǎn)錄方式直接磷酸化突觸后膜上的NMDA受體和AMPA受體，并募集AMPA受體的GluR1亞單位插入到突觸后膜，增強(qiáng)突觸的轉(zhuǎn)運(yùn)功能[2]。鞘內(nèi)注射細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶5(cyclin-dependent kinase 5，CDK5)抑制劑或U0126均能緩解完全弗氏佐劑誘導(dǎo)的熱痛覺過敏，其中U0126能同時(shí)抑制ERK1/2和CDK5的活化，而CDK5抑制劑不影響ERK1/2的活化，證明ERK1/2是CDK5的上游調(diào)節(jié)激酶，在外周炎癥刺激下促進(jìn)CDK5的活化[23]。其可能機(jī)制是p-ERK1/2通過磷酸化細(xì)胞核內(nèi)早期生長反應(yīng)因子1上調(diào)p35的表達(dá)，而p35與CDK5結(jié)合激發(fā)了CDK5的酶活性，活化的CDK5調(diào)節(jié)脊髓背角神經(jīng)元Kv4.2鉀離子通道的表達(dá)，抑制A型鉀離子外向電流，降低神經(jīng)元的興奮閾值，改變突觸可塑性[1,24]。研究證明，脊髓背角神經(jīng)元內(nèi)ERK1/2被完全弗氏佐劑激活后不僅能促進(jìn)環(huán)加氧酶2的表達(dá)，還能通過ERK1/2-CREB途徑促進(jìn)神經(jīng)激肽1受體的表達(dá)，兩種途徑均可改變突觸的可塑性，但表達(dá)的高峰時(shí)間并不同，提示ERK1/2在不同時(shí)間促進(jìn)中樞敏化的機(jī)制存在一定差異[25]。Tochiki等[26]發(fā)現(xiàn)，在大鼠足底注射辣椒素或福爾馬林均能使同側(cè)脊髓背角神經(jīng)元內(nèi)ERK1/2、絲裂原和應(yīng)激激活蛋白激酶1(mitogen and stress-activated protein kinase 1，MSK1)及組蛋白H3的活化增加，鞘內(nèi)注射ERK1/2信號(hào)通路抑制劑或MSK1抑制劑均能減少p-MSK1和p-H3S10(磷酸化的H3)的表達(dá)，并且MSK1抑制劑還能顯著緩解福爾馬林誘導(dǎo)的第二時(shí)相痛敏反應(yīng)，證明ERK1/2是MSK1和H3的上游調(diào)節(jié)激酶，可通過磷酸化MSK1促進(jìn)H3活化?；罨腍3通過促進(jìn)核染色質(zhì)松弛使DNA更容易轉(zhuǎn)錄，并與CREB共同促進(jìn)AMPA受體GluR1亞單位的表達(dá)，引起Ca2+內(nèi)流增加，神經(jīng)元興奮性升高。以上研究表明，脊髓背角神經(jīng)元內(nèi)ERK1/2異常激活后通過磷酸化多種轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控DNA的轉(zhuǎn)錄，繼而促進(jìn)多種激酶受體、離子通道受體或炎性因子的表達(dá)，使神經(jīng)元興奮性升高或興奮閾值降低，突觸可塑性改變，是ERK1/2調(diào)節(jié)脊髓對痛覺信號(hào)應(yīng)答的中樞機(jī)制。

Berta等[27]發(fā)現(xiàn)，抑制脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)p-ERK1/2的表達(dá)能減少白細(xì)胞介素1β的釋放，并緩解由組織纖溶酶原激活物引起的機(jī)械痛敏。Song等[28]發(fā)現(xiàn)，骨癌能異常激活脊髓背角小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)ERK1/2信號(hào)通路，通過磷酸化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子1上調(diào)主要組織相容性復(fù)合體Ⅱ的表達(dá)，促進(jìn)不良的神經(jīng)免疫反應(yīng)，加重神經(jīng)細(xì)胞損傷。提示膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)ERK1/2信號(hào)通路激活后同樣促進(jìn)脊髓敏化。目前對于急性疼痛過程中膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)ERK1/2信號(hào)通路是否參與促進(jìn)痛覺過敏尚未見報(bào)道。Liu等[29]在急性組織損傷后6 h即觀察到脊髓星形膠質(zhì)顯著活化；而Masaki等[30]證實(shí)，小膠質(zhì)細(xì)胞對急性組織損傷引起的早期痛閾降低作用有限，提示在急性疼痛的早期階段星形膠質(zhì)細(xì)胞的作用更為重要。關(guān)于膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)ERK1/2信號(hào)通路在急性痛覺過敏中的作用還需要進(jìn)一步探索。

3 ERK1與ERK2在不同疼痛模型中作用的鑒別

ERK1和ERK2的序列相似性高，參與雙磷酸化的基團(tuán)相同，且通常同時(shí)被激活，所以一般當(dāng)作一個(gè)整體進(jìn)行研究[4]?，F(xiàn)有的關(guān)于ERK1/2在疼痛領(lǐng)域的研究大都不能區(qū)分兩者作用的差異。Alter等[31]應(yīng)用基因敲除技術(shù)完全抑制小鼠體內(nèi)ERK1的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，并對ERK1和ERK2在多種疼痛模型中的作用進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示：①ERK1的缺失對福爾馬林引起的自發(fā)痛行為、完全弗氏佐劑引起的熱痛敏和機(jī)械痛敏、選擇性神經(jīng)損傷引起的機(jī)械痛敏并無影響。②ERK1的缺失能推遲福爾馬林引起的慢性熱痛敏，但不影響機(jī)械痛敏。由此可知，ERK1和ERK2在不同疼痛進(jìn)程中作用的差異是實(shí)際存在的，并且ERK2的作用在上述多個(gè)疼痛模型中顯得更為重要。此外，ERK1的缺失雖然上調(diào)了p-ERK2的基礎(chǔ)水平，但是未能進(jìn)一步使傷害性刺激誘導(dǎo)的p-ERK2水平升高，提示p-ERK2基礎(chǔ)水平的提高主要源于非感覺細(xì)胞的表達(dá)。關(guān)于ERK1和ERK2作用的差異仍需在更多的疼痛模型中鑒別。

4 小 結(jié)

在損傷組織，ERK1/2促進(jìn)損傷部位微環(huán)境的進(jìn)一步惡化；在外周神經(jīng)，ERK1/2促進(jìn)神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞間的信息交流，誘導(dǎo)初級(jí)感覺傳入纖維敏化，使傷害性信號(hào)傳入增加；在脊髓背角神經(jīng)元，ERK1/2能以多種轉(zhuǎn)錄或非轉(zhuǎn)錄的方式上調(diào)神經(jīng)元興奮性或降低興奮閾值，改變突觸可塑性。ERK1/2在不同時(shí)間誘導(dǎo)痛覺過敏的機(jī)制可能存在差異，而ERK1和ERK2的作用在不同類型疼痛中存在差異，其中ERK2的作用更為重要。新型藥物的研發(fā)需要深入探索疼痛相關(guān)機(jī)制，尋找新的抑痛靶點(diǎn)。ERK1/2在痛覺過敏形成和維持過程中的關(guān)鍵作用是肯定的，有望成為鎮(zhèn)痛藥物研發(fā)的新靶點(diǎn)。ERK1/2在不同時(shí)間、不同細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)痛覺敏化的詳細(xì)機(jī)制，以及在不同類型疼痛中作用差異應(yīng)成為今后研究的重點(diǎn)。