廖陳龍 周 晗 陳鴻錦 鐘文翔 張文川△
(1上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院神經(jīng)外科,上海200011;2上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院神經(jīng)外科,上海200092)
糖尿病周圍神經(jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy, DPN)并發(fā)的疼痛是指由糖尿病或糖尿病前期導(dǎo)致的周圍神經(jīng)病理性疼痛,其發(fā)病機制復(fù)雜,對標準化鎮(zhèn)痛治療效果差,嚴重影響病人生活質(zhì)量,是疼痛臨床控制的難題[1]。另有一部分DPN病人并不出現(xiàn)疼痛,而主要表現(xiàn)為感覺缺失。因此,DPN可根據(jù)臨床表現(xiàn)分為痛性與非痛性DPN兩類。兩者的鑒別有助于推進痛性DPN發(fā)病機制的研究,在進一步探索其高危因素的基礎(chǔ)上判別對相關(guān)治療敏感的潛在人群[2,3]。既往大量研究致力于比較痛性與非痛性DPN之間的區(qū)別,但無論在臨床特征(年齡、糖尿病病程、血糖水平、肥胖指標等)、基礎(chǔ)神經(jīng)病變(感覺運動神經(jīng)功能障礙、各類纖維功能和形態(tài)學(xué)改變、自主神經(jīng)病變等),還是在神經(jīng)微循環(huán)障礙或相關(guān)病理機制(免疫反應(yīng)、炎性機制、基因易感性等)等方面,均未能明確兩者之間的差異[4,5]。因此我們推測,這可能與DPN疼痛性質(zhì)的多樣性相關(guān)。作為神經(jīng)病理性疼痛,DPN疼痛可表現(xiàn)為自發(fā)性及誘發(fā)性疼痛,后者包括痛覺過敏及痛覺超敏[6],且根據(jù)刺激因素(如壓力、針刺、溫度)的不同,可有多種分類[7],因此痛性DPN并非單一的病變,而應(yīng)視為一類異質(zhì)性的病變,其與非痛性DPN的區(qū)別應(yīng)建立在進一步疼痛模式分類的基礎(chǔ)上。
鑒于機械性痛覺超敏是神經(jīng)病理性疼痛的特征性表現(xiàn),本研究創(chuàng)新性地將機械性痛覺超敏從神經(jīng)病理性疼痛的諸多表現(xiàn)中抽提出來,通過比較機械性痛覺超敏陽性與陰性糖尿病大鼠的周圍神經(jīng)纖維損害情況及相關(guān)神經(jīng)元的激活模式差異,以期探索DPN機械性痛覺超敏的發(fā)生發(fā)展機制,為比較不同表型的痛性DPN提供實驗基礎(chǔ)及理論依據(jù)。
本實驗動物進行的研究行為均嚴格遵守相關(guān)動物保護及使用規(guī)定,并已通過上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院倫理委員會批準(倫理號:XHEC-FNSFC-2018-017)。成年雄性SD大鼠(200~250 g)購自上海生命科學(xué)研究院實驗動物中心,飼養(yǎng)于本單位實驗動物中心。
根據(jù)本課題組前期建模數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻[8,9],采用鏈脲佐菌素 (Streptozotocin, STZ, 美國Sigma)腹腔注射組(60 mg/kg)建立糖尿病模型,后者高血糖可維持4周以上,單次注射建模成功率在95%以上,單次未成功模型可在1周后追加同劑量STZ。采用隨機數(shù)字表法將大鼠隨機非平均分為4組,一組通過鏈脲佐菌素腹腔注射組(60 mg/kg)建立糖尿病模型(n= 60),一組在此基礎(chǔ)上結(jié)合坐骨神經(jīng)乳膠管置入建立糖尿病模型(n= 20),其余2組分別作為對照組(溶媒腹腔注射及溶媒腹腔注射結(jié)合坐骨神經(jīng)乳膠管置入,n= 8),見圖1。右側(cè)坐骨神經(jīng)乳膠管置入法依據(jù)本課題組前期實驗方案進行[10],即于坐骨結(jié)節(jié)近端1 cm至遠端3 cm置入一段(長約1 cm)內(nèi)徑與該段坐骨神經(jīng)直徑相仿的長筒狀乳膠管,達到僅接觸但不壓迫坐骨神經(jīng)的程度;單純注射STZ實驗組大鼠行假手術(shù)切口。分別于建模后3天、1周對各組大鼠通過尾靜脈采血檢測空腹血糖,視血糖濃度> 16.7 mmol/L為糖尿病成功建模。分別于建模后3天及后續(xù)每周檢測各組大鼠后爪機械縮足反射閾值 (mechanical withdrawal threshold, MWT)及熱縮足反射潛伏期(thermal withdrawal latency, TWL)。前者采用vonFrey纖維絲、“up and down”法檢測[10,11];后者采用熱板儀檢測:將透明有機玻璃箱將大鼠罩于熱板儀上,適應(yīng)20~30分鐘后通過熱輻射光源聚焦到頂部玻璃(初始溫度維持在30℃),啟動熱板儀(升溫速度為每秒1℃)后,記錄開始照射至大鼠出現(xiàn)縮足、舔足的時間,重復(fù)測定3次,間隔10分鐘,取平均值記為TWL,設(shè)置每次最長輻射時間為30 s,避免灼傷大鼠足底皮膚。建模4周后,去除熱痛覺過敏陰性的大鼠,根據(jù)MWT,將2組實驗組大鼠進一步分為機械性痛覺超敏陽性(MA +)與陰性(MA -)組,各實驗亞組隨機選擇8只大鼠,處死后取材。
大鼠麻醉(2%戊巴比妥鈉,50 mg/kg,腹腔注射)后,原切口暴露并截取長約1 cm的坐骨神經(jīng),分為三部分,兩部分備用形態(tài)學(xué)檢查:電鏡檢查及甲苯胺藍(美國Sigma)染色后光鏡檢查[10],另一部分備用Western blot檢測。使用Image Pro Plus軟件進行測量、分析:測量有髓和無髓神經(jīng)纖維、軸突的數(shù)量和直徑,計算g比例(軸突面積/總神經(jīng)纖維面積)及神經(jīng)纖維密度[12]。
圖1 實驗動物分組及數(shù)量Fig. 1 Grouping and quantity of the rats
坐骨神經(jīng)組織經(jīng)裂解、離心、轉(zhuǎn)移上清等步驟后以BCA試劑盒(武漢谷歌生物科技有限公司)行總蛋白定量,電泳轉(zhuǎn)膜后封閉,分別添加一抗:兔抗MBP抗體(1:500,武漢博士德生物工程有限公司),小鼠抗GAPDH(1:1,0000,武漢谷歌生物科技有限公司),后添加相應(yīng)二抗,化學(xué)發(fā)光試劑進行顯影,軟件分析條帶光密度值,以其相對于GADPH密度的比值進行統(tǒng)計分析。
大鼠心臟灌注后取右側(cè)L4-6背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglion, DRG)及L4-5節(jié)段的腰髓,包埋后對前者行矢狀面切片(20 μm),對后者行橫截面切片(4 μm)。DRG切片:取各組不同切片分別加入以下一抗:小鼠抗神經(jīng)絲200 (NF-200)抗體(1:200,英國Abcam)和兔抗c-Fos抗體(1:2000,英國Abcam);小鼠抗降鈣素基因相關(guān)肽(CGRP)抗體(1:100,英國Abcam)和兔抗c-Fos抗體(1:2000),相應(yīng)二抗:Alexa Fluor 647標記的山羊抗兔IgG(1:50,美國Jackson)和FITC標記的山羊抗小鼠IgG(1:50,美國Jackson),隨后滴加DAPI染液復(fù)染細胞核。腰髓切片:取各組切片添加一抗:兔抗c-Fos抗體(1:2000),相應(yīng)二抗:生物素化羊抗兔抗體(1:200,美國Vector),洗片、孵育(ABC,1:200,美國Vector)、顯色(DAB,丹麥DAKO)。
DRG切片:倒置熒光顯微鏡觀察,Image Pro Plus軟件計數(shù)NF-200與c-Fos、CGRP與c-Fos雙標細胞及占比。
腰髓切片:光學(xué)顯微鏡下觀察,Image Pro Plus軟件計數(shù)脊髓背角中淺層(I-II)與深層(III-V)的c-Fos染色細胞。
統(tǒng)計學(xué)分析使用SPSS 18.0軟件,分類變量采用百分比表示,組間比較采用Pearson'sX2檢驗;連續(xù)變量(符合正態(tài)分布)采用均數(shù)±標準差(±SD)表示,組間比較采用方差分析,兩兩比較采用t檢驗,P< 0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
建模后3天至1周,實驗組大鼠均出現(xiàn)血糖升高(16.7 mmol/L),明顯高于對照組。在第4周時,STZ +乳膠管實驗組中機械性痛覺超敏陽性大鼠51只,機械性痛覺超敏陰性大鼠9只;STZ注射組中機械性痛覺超敏陽性大鼠10只,機械性痛覺超敏陰性大鼠10只。STZ +乳膠管實驗組機械性痛覺超敏的發(fā)生率(51/60)顯著大于單純STZ注射組(10/20,Pearson'sX2= 10.147,P< 0.05)。兩實驗組中機械性痛覺超敏陽性組的平均MWT值均顯著低于機械性痛覺超敏陰性組及相應(yīng)對照組(P< 0.05),后兩者的平均MWT值均未見明顯差異(見圖2A);各實驗亞組的平均TWL值均低于相應(yīng)對照組(P< 0.05),且各實驗亞組間未見明顯差異(見圖2B)。
如圖2C, D所示,各實驗亞組均較對照組出現(xiàn)顯著的MBP表達水平升高(P< 0.05);各實驗組中,機械性痛覺超敏陽性組的MBP表達量較陰性組顯著升高(P< 0.05)。
如圖3所示,各實驗組均出現(xiàn)不同程度的神經(jīng)脫髓鞘病變及變性變化。神經(jīng)纖維形態(tài)測定結(jié)果如表1所示,各實驗亞組的有髓纖維g比例較相應(yīng)對照組顯著升高(P< 0.05),而有髓神經(jīng)纖維區(qū)域及密度均較相應(yīng)對照組減少(P< 0.05)。在各實驗組中,機械性痛覺超敏陽性組的有髓纖維g比例較相應(yīng)陰性組顯著升高(P< 0.05),而有髓神經(jīng)纖維區(qū)域及密度均較相應(yīng)陰性組減少(P< 0.05)。神經(jīng)形態(tài)學(xué)觀察和神經(jīng)形態(tài)測定結(jié)果均顯示各實驗組中存在無髓纖維的變性,與相應(yīng)對照組對比,各實驗組出現(xiàn)顯著的無髓神經(jīng)纖維區(qū)域及密度的減少(P< 0.05),但機械性痛覺超敏陽性組與陰性組未見顯著性差異。
圖2 第4周各組大鼠疼痛行為學(xué)結(jié)果及各組大鼠坐骨神經(jīng)MBP的表達(A)后爪機械縮足反射閾值結(jié)果;(B)后爪熱縮足反射潛伏期結(jié)果;(C, D)采用蛋白質(zhì)免疫印跡實驗檢測各組大鼠坐骨神經(jīng)MBP的表達情況;(C)電泳結(jié)果;(D)相對表達量統(tǒng)計結(jié)果。*P < 0.05,與1組相比;#P < 0.05,與2組相比;△ P < 0.05,與3組相比;?P < 0.05,與5組相比。Fig. 2 Nociceptive behavioral results and the expression of myelin basic protein (MBP) in sciatic nerve of each group at the 4th week(A) The mechanical withdrawal threshold; (B) The thermal withdrawal latency; (C, D) Western blot analysis of the expression of myelin basic protein (MBP) in sciatic nerve; (C) Electrophoresis bands; (D) Standardized MBP expression.*P < 0.05, compared with group 1; #P < 0.05, compared with group 2; △P < 0.05, compared with group 3; ?P < 0.05, compared with group 5.
表1 各組周圍神經(jīng)纖維的形態(tài)計數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)Table 1 Morphometric data of peripheral nerve fibers in all groups.
圖3 電鏡下觀察各組大鼠坐骨神經(jīng)(A-F)依次表示第1~6組。與兩組對照組(A, B)相比,各組實驗組(C-F)可見不同程度的脫髓鞘和神經(jīng)變性病變。機械性痛覺超敏陽性組(D, F)比陰性組(C, E)出現(xiàn)更為顯著的脫髓鞘病變,髓鞘板層出現(xiàn)明顯紊亂、斷裂、腫脹。粗箭頭表示有髓纖維,細箭頭表示無髓纖維。比例尺= 2微米Fig. 3 Electron micrographs of sciatic nerve in each group(A-F) Showed groups 1-6 in turn. The morphologies of sciatic nerves in two control groups (A, B) were almost intact and normal. Abnormal morphological structures of both myelinated (arrow head) and unmyelinated fibers (thin arrow),presenting as dense and collapse configuration and different degree of myelin impairments, could be noted in the experimental subgroups (C-F). More serious demyelination were found in MA + groups (D, F) than in MA-groups (C, E),accompanied by disorder, edema and disarray of myelin sheath. Scale bar = 2 μm
如圖4所示,與相應(yīng)對照組相比,實驗組中DRG內(nèi)激活(c-Fos標記)的NF-200及CGRP陽性神經(jīng)元數(shù)量均顯著增多(P< 0.05)。在兩對實驗組中,機械性痛覺超敏陽性組DRG內(nèi)激活(c-Fos標記)的NF-200陽性神經(jīng)元數(shù)量較陰性組顯著增多(P< 0.05,見圖4A, C),而DRG內(nèi)激活(c-Fos標記)的CGRP陽性神經(jīng)元數(shù)量在機械性痛覺超敏陽性組與陰性組之間未見明顯差異(見圖4B, C)。
如圖5A-F所示,與相應(yīng)對照組相比,實驗組中脊髓背角淺表(I-II)、較深(III-V)板層內(nèi)激活(c-Fos標記)的神經(jīng)元數(shù)量較相應(yīng)對照組顯著增多(P<0.05)。在兩對實驗組中,機械性痛覺超敏陽性組脊髓背角內(nèi)激活(c-Fos標記)的神經(jīng)元數(shù)量較陰性組顯著增多(P< 0.05,見圖5G)。
圖4 采用免疫熒光實驗分別檢測各組大鼠DRG內(nèi)c-Fos與NF-200或CGRP共表達情況(A)各組DRG內(nèi)NF-200與c-Fos共染情況,可見各實驗組中存在不同數(shù)量的NF-200與c-Fos共染神經(jīng)元(白色箭頭),以第4、6組居多;(B)各組DRG內(nèi)CGRP與c-Fos共染情況,可見各實驗組中存在不同數(shù)量的NF-200與CGRP共染神經(jīng)元(白色箭頭);(C)雙染神經(jīng)元統(tǒng)計結(jié)果。比例尺= 100微米*P < 0.05,與1組相比;#P < 0.05,與2組相比;△ P < 0.05,與3組相比;?P < 0.05,與5組相比。Fig. 4 Co-expression of c-Fos and NF-200 or CGRP in DRG by immunofluorescence double staining(A) In two control groups, almost no immunofluorescent labeling of c-Fos protein was noted in NF-200+ DRG neurons. In contrast, the immunofluorescent labeling of c-Fos protein could be seen in NF-200+ DRG neurons of the other four experimental groups, and more double labeled neurons were observed in MA + groups (group 4 and 6) than in MA- groups (group 3 and 5); (B) In the two control groups, there was almost no immunofluorescence labeling of c-Fos protein in CGRP+ DRG neurons, while in the other four experimental subgroups, there was a large number of immunofluorescence labeling of c-Fos protein in CGRP+ DRG neurons; (C) Statistical results of immunofluorescence double stained neurons. Scale bar = 100 μm*P < 0.05, compared with group 1; #P < 0.05, compared with group 2; △ P < 0.05, compared with group 3; ?P < 0.05, compared with group 5.
圖5 采用免疫組化實驗檢測各組大鼠脊髓背角淺表板層(I-II)及較深板層(III-V)內(nèi)c-Fos陽性神經(jīng)元(A-F)依次表示第1~6組。與對照組(A, B)相比,各實驗組(C-F)的淺表、較深板層內(nèi)均存在不同數(shù)量的c-Fos陽性神經(jīng)元,以第4、6組(D, E)居多;(G)各組大鼠脊髓背角淺表、較深板層內(nèi)c-Fos陽性神經(jīng)元數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果。比例尺= 100 微米*P < 0.05,與1組相比;#P < 0.05,與2組相比;△ P < 0.05,與3組相比;?P < 0.05,與5組相比。Fig. 5 c-Fos positive neurons in the superficial lamina (I-II) and deeper lamina (III-V) of spinal DH were detected by immunohistochemistry(A-F) showed groups 1-6 in turn. When compared with the control groups (A, B), various c-Fos positive neurons could be noted in both superficial and deeper laminae in all experimental groups (C-F), with larger number of c-Fos positive neurons in group 4 and group 6 (D, E); (G) Statistical results of the number of c-Fos positive neurons in the superficial and deeper layers of spinal DH in each group. Scale bar = 100 μm*P < 0.05, compared with group 1; #P < 0.05, compared with group 2; △ P < 0.05, compared with group 3; ?P < 0.05, compared with group 5.
糖尿病可導(dǎo)致周圍神經(jīng)因腫脹而易受解剖狹窄的卡壓性損害,后者很大程度取決于神經(jīng)腫脹程度及其與解剖狹窄的匹配情況[13,14],因此本研究采用既往報道的糖尿病大鼠神經(jīng)卡壓模型,通過在糖尿病大鼠周圍神經(jīng)行等管徑的乳膠管置入來提高神經(jīng)卡壓的發(fā)生率[8],因乳膠管內(nèi)徑與坐骨神經(jīng)相仿,初始置入時并不壓迫神經(jīng),僅神經(jīng)在高糖狀態(tài)下發(fā)生腫脹后才出現(xiàn)受壓,本研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)STZ誘導(dǎo)的DPN模型相比,神經(jīng)壓迫因素與DPN大鼠機械性痛覺超敏的發(fā)生率呈正相關(guān)。
MBP是中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)髓鞘的重要組成部分,是檢測脫髓鞘病變的重要指標之一[15],因此通過MBP的定量研究(見圖2C, D),我們明確了機械性痛覺超敏陽性組比陰性組大鼠出現(xiàn)更為嚴重的周圍神經(jīng)脫髓鞘病變。且神經(jīng)形態(tài)計數(shù)學(xué)結(jié)果也顯示,機械性痛覺超敏陽性組比陰性組出現(xiàn)更為顯著的有髓纖維損害(見表1),既往研究已證實有髓神經(jīng)纖維比無髓神經(jīng)纖維更容易受到機械壓迫性損傷[16,17],因此,綜合本研究發(fā)現(xiàn),DPN機械性痛覺超敏與有髓神經(jīng)纖維的壓迫性損害密切相關(guān)。這也為臨床上采用神經(jīng)減壓術(shù)可有效緩解疼痛,尤其是機械性痛覺超敏提供理論和實驗依據(jù)[18]。
本研究進一步利用可顯示神經(jīng)元激活狀態(tài)的c-Fos蛋白對機械性痛覺超敏陽性與陰性組大鼠進行DRG及脊髓背角神經(jīng)元激活狀態(tài)的對比研究,結(jié)合本研究所采用的疼痛行為學(xué)檢查,分別采用NF-200和CGRP標記有髓纖維和肽能無髓纖維及其相關(guān)神經(jīng)元,前者傳導(dǎo)粗觸覺傳入,大部分投射至脊髓背角較深部板層(III-V);后者傳導(dǎo)痛溫覺傳入,投射至脊髓背角淺表板層(I-II)。通過DRG的免疫熒光雙標實驗,發(fā)現(xiàn)機械性痛覺超敏與DRG內(nèi)有髓神經(jīng)纖維相關(guān)神經(jīng)元(NF-200陽性)的激活密切相關(guān)(見圖5A, C),而后者已被證實可由周圍神經(jīng)的脫髓鞘病變導(dǎo)致,其機制包括DRG神經(jīng)元表型的改變(包括肽類及離子通道的表達變化等)、神經(jīng)元的高興奮性及異位沖動傳導(dǎo),這些改變通常伴有初級傳入纖維的異常自發(fā)性電活動及脊髓背角水平的中樞重塑變化[19]。因此,結(jié)合以上研究結(jié)果,我們推測有髓神經(jīng)纖維的損害(脫髓鞘病變)可通過以上途徑導(dǎo)致DRG內(nèi)相關(guān)神經(jīng)元的激活,易化有髓纖維介導(dǎo)的非傷害性刺激(粗觸覺)的傳入,后者在某些病理狀態(tài)下(如糖尿?。┛杀桓兄獮閭π愿惺?,即表現(xiàn)為機械性痛覺超敏。雖然也存在不同的觀點認為機械性痛覺超敏是由于外周神經(jīng)損傷后有髓神經(jīng)纖維傳入信號減少引起,但有髓神經(jīng)纖維受到易化后傳入增強引起機械性痛覺超敏這一結(jié)論也得到了電生理研究的驗證和支持[20]。Xu等在一項體內(nèi)研究通過阻斷有髓Aβ纖維成功抑制神經(jīng)病理性疼痛中的機械性痛覺超敏的發(fā)生[21],也支持了這一觀點。
本研究在證實糖尿病大鼠脊髓背角神經(jīng)元激活的基礎(chǔ)上[22,23],進一步發(fā)現(xiàn)機械性痛覺超敏陽性組大鼠的脊髓背角淺表(I-II)、較深(III-V)板層的激活神經(jīng)元數(shù)量較陰性組顯著增多,提示脊髓背角的神經(jīng)元激活數(shù)量與機械性痛覺超敏的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),該結(jié)果也支持了上述有髓神經(jīng)纖維傳入增強導(dǎo)致機械性痛覺超敏的論點。且根據(jù)疼痛門控理論,Aβ纖維與脊髓背角淺表板層(I-II)傷害性知覺感受區(qū)之間存在投射關(guān)系,而在高糖環(huán)境的病理作用下,Aβ纖維在生理狀態(tài)下受到脊髓背角中間神經(jīng)元的抑制作用被解除(去抑制效應(yīng)),使得其介導(dǎo)的非傷害性觸覺刺激由脊髓背角較深板層(III-V)傳入淺表板層(I-II),引起傷害性感受[24]。結(jié)合該理論,本研究的結(jié)果也驗證了脊髓背角的中樞重塑變化在機械性痛覺超敏發(fā)生發(fā)展中的作用。因此,本研究在周圍神經(jīng)(神經(jīng)纖維、DRG)及中樞(脊髓背角)水平明確了機械性痛覺超敏陽性與陰性的差異。
除了機械性痛覺超敏,本研究觀察到大部分糖尿病大鼠出現(xiàn)熱痛覺過敏,相應(yīng)地發(fā)現(xiàn)糖尿病周圍神經(jīng)普遍存在無髓纖維的退變(見圖3和表1),DRG內(nèi)無髓纖維相關(guān)的CGRP陽性神經(jīng)元普遍受到激活,且在機械性痛覺超敏陽性與陰性組之間未見明顯差異(見圖4B, C),結(jié)合無髓纖維容易受到糖尿病炎性因素損害的特點[17,25],可認為無髓纖維的損害及DRG內(nèi)CGRP陽性神經(jīng)元的激活與糖尿病熱痛覺過敏的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切。
本研究通過將DPN疼痛癥狀進一步分類,在周圍神經(jīng)系統(tǒng)和脊髓中樞水平發(fā)現(xiàn)機械性痛覺超敏陽性與陰性的糖尿病大鼠之間的差異,證實DPN神經(jīng)病理性疼痛一類異質(zhì)性的病變,為今后不同表型的痛性DPN的比較研究提供理論依據(jù)及思路。