海馬區(qū)Sigma-1R/Nrf2/ROS信號通路與神經(jīng)病理性疼痛誘發(fā)焦慮情緒的關(guān)系

李薇薇，黃 誠，2

（1. 贛南醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生與健康管理學(xué)院；2. 贛南醫(yī)學(xué)院疼痛醫(yī)學(xué)研究所，江西 贛州 341000）

2011 年國際疼痛研究會（International association for the study of pain， IASP）將神經(jīng)病理性疼痛（Neuropathic pain， NP）定義為“由軀體感覺神經(jīng)系統(tǒng)損傷或疾病直接造成的疼痛”［1］，影響著全世界7%～10%的人口［2］。研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)病理性疼痛為生物、生理和社會因素等的交互結(jié)果，臨床上除表現(xiàn)為疼痛高反應(yīng)外，還伴隨病程進展而派生的心理障礙，如焦慮、抑郁和煩躁等，這些負面情緒可放大疼痛反應(yīng)，而在其紓解后可降低疼痛的敏感性［3］。據(jù)報道，約有73.7%的神經(jīng)病理性疼痛患者常伴發(fā)焦慮情緒［4］，且神經(jīng)病理性疼痛臨床常用藥物如阿片類和其他非阿片類止痛藥，與焦慮存在潛在的雙向關(guān)聯(lián)［5］，嚴重時可出現(xiàn)焦慮情緒的失控狀態(tài)［6］。這提示焦慮情緒與神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。研究表明，神經(jīng)病理性疼痛誘發(fā)的焦慮樣行為可能與海馬區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變有關(guān)［7］?；诖?，本文主要探討海馬區(qū)Sigma-1R 可能通過Nrf2/ROS信號通路對神經(jīng)病理性疼痛誘發(fā)焦慮情緒的調(diào)控作用。

1 海馬在神經(jīng)病理性疼痛誘發(fā)焦慮情緒中的作用

神經(jīng)病理性疼痛是由外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的變化、遺傳和心理因素的相互作用所產(chǎn)生。在神經(jīng)受損后，外周受體水平的基因突變可引發(fā)細胞內(nèi)受體和離子通道改變以及代謝物、缺氧、線粒體障礙等變化，從而產(chǎn)生神經(jīng)病理性疼痛相關(guān)癥狀及臨床表現(xiàn)［8］。越來越多的證據(jù)顯示，線粒體功能障礙與活性氧的產(chǎn)生密切相關(guān)，在不同類型的神經(jīng)病理性疼痛均產(chǎn)生明顯改變。其中，線粒體膜電位降低、線粒體Ca2+緩沖破壞、線粒體形態(tài)改變或細胞應(yīng)激均可增加mtROS 的表達，從而破壞氧化還原平衡并導(dǎo)致氧化應(yīng)激，影響神經(jīng)元正常功能［9］。采用活性氧（Reactive oxygen species， ROS）供體處理脊髓神經(jīng)元可觀察到其興奮性增強，而鞘內(nèi)注射ROS 供體可誘導(dǎo)大鼠的機械超敏反應(yīng)［10］，這充分證明ROS 參與了神經(jīng)病理性疼痛的病理過程。此外，在神經(jīng)病理性疼痛嚙齒類動物模型中，可觀察到海馬區(qū)域神經(jīng)元的可塑性改變［11］，腦內(nèi)積聚的活性氧可誘導(dǎo)神經(jīng)元的死亡和血腦屏障的破壞［12］，海馬、杏仁核和前額葉皮質(zhì)等區(qū)域的損傷程度［13］與焦慮樣情緒呈正相關(guān)，提示海馬神經(jīng)元形態(tài)和功能的改變和線粒體改變可能是神經(jīng)病理性疼痛誘發(fā)焦慮的原因之一。研究發(fā)現(xiàn)，Sigma-1 受體（Sigma-1 receptor， Sigma-1R）可通過激活抗氧化反應(yīng)元件等保護腦組織及部分外周組織免受氧化應(yīng)激，維持細胞正常功能。與野生小鼠相比，Sigma-1R基因敲除小鼠的Müller 細胞中內(nèi)源性ROS 水平升高，而谷胱甘肽耗竭［14］。然而，目前Sigma-1R 的氧化應(yīng)激水平在神經(jīng)病理性疼痛誘發(fā)焦慮行為中對ROS 可能產(chǎn)生的調(diào)控作用及機制并不清楚，需要進一步探究。

2 Sigma-1R 與神經(jīng)病理性疼痛誘導(dǎo)焦慮情緒

2.1 Sigma-1R 分子生物學(xué)特點Sigma-1R是單次跨膜結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，內(nèi)含223個氨基酸殘基，相對分子量為25 kDa，主要存在于線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜（Mitochondria-associated endoplasmic reticulum membrane， MAM）。Sigma-1R 有單聚體、二聚體和高階低聚體之分，與配體結(jié)合僅在低聚狀態(tài)下發(fā)生，激動劑可促進單聚體和二聚體的產(chǎn)生，而拮抗劑則有利于高階低聚體的形成。據(jù)報道，人的Sigma-1R 與嚙齒類動物的相似性超過90%［15］，廣泛分布于人體組織內(nèi)，比如心、肝、腎、海馬和丘腦區(qū)域分布密集［16］。正常情況下，Sigma-1R 與免疫球蛋白結(jié)合蛋白（Binding immunoglobulin protein， BIP）在MAM 形成復(fù)合體。當(dāng)細胞受刺激后，Sigma-1R可與BIP 解離并移位至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、線粒體膜、細胞膜和核膜等［17］部位，與諸多受體、離子通道、脂質(zhì)和激酶等信號蛋白相互作用，進而調(diào)節(jié)細胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)、神經(jīng)遞質(zhì)釋放、炎癥、自噬和氧化應(yīng)激等病理生理過程［18］。諸多實驗顯示，Sigma-1R 可作為神經(jīng)病理性疼痛［19］、焦慮癥［15］和神經(jīng)退行性疾?。?0-22］等疾病的研究靶點。

2.2 Sigma-1R 與神經(jīng)病理性疼痛研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)病理性疼痛的中樞效應(yīng)是由初始的外周神經(jīng)痛覺反應(yīng)所觸發(fā)。比如，在選擇性坐骨神經(jīng)支損傷（Spared nerve injury， SNI）大鼠模型中，神經(jīng)損傷部位Sigma-1R 的表達水平可增加至Sham 組大鼠的2倍［23］；腹腔或鞘內(nèi)注射Sigma-1R 拮抗劑可到達背根神經(jīng)節(jié)（Doral root ganglion， DRG）及坐骨神經(jīng)損傷區(qū)，進而調(diào)節(jié)脊髓背角促炎因子、小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞的活性，與神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)展進程高度相關(guān)［18，24］。

神經(jīng)病理性疼痛主要由外周敏化和中樞敏化所引起，而中樞敏化可表現(xiàn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)突觸傳遞可塑性的增強［25］。研究表明，Sigma-1R 一方面可增強神經(jīng)系統(tǒng)對痛覺信息的傳導(dǎo)和痛覺信號的放大，促進神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生發(fā)展［26］；另一方面可調(diào)控細胞因子、趨化因子以及小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞等神經(jīng)免疫細胞間接參與神經(jīng)病理性疼痛的痛覺反應(yīng)［18］。在Sigma-1R基因敲除或給予Sigma-1R 拮抗劑后，可有效緩解神經(jīng)病理性疼痛大鼠的痛敏行為［27］。這提示，Sigma-1R 參與了神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生發(fā)展。

2.3 Sigma-1R與神經(jīng)病理性疼痛誘發(fā)的焦慮樣行為Sigma-1R 除參與神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)病進程外，還具有調(diào)控焦慮情緒的作用。在神經(jīng)病理性疼痛大鼠模型中，海馬區(qū)域神經(jīng)元發(fā)生了可塑性變化，如慢性縮窄性損傷可導(dǎo)致CA1 錐體神經(jīng)元的萎縮、齒狀回顆粒神經(jīng)元樹突的增加以及樹突棘密度變化［11］。外周炎癥引起的自發(fā)性疼痛可破壞腹側(cè)海馬CA1-邊緣下皮層通路（vCA1-1L）的連接性。有研究［28］證實，腹側(cè)海馬CA1 參與調(diào)控疼痛和情緒反應(yīng)，因此，海馬損傷可能是神經(jīng)病理性疼痛誘導(dǎo)焦慮樣行為的基礎(chǔ)。進一步研究表明，焦慮情緒的產(chǎn)生常伴有海馬體積的縮小和神經(jīng)元的死亡［29］，致使Sigma-1R 的表達水平下調(diào)［30］，此外，還表現(xiàn)為海馬多巴胺系統(tǒng)［31］、谷氨酸能系統(tǒng)［32］和氧化應(yīng)激［33］等功能改變。

Sigma-1R在調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)、線粒體功能和突觸信息傳遞，以及維持中樞谷氨酸能、膽堿能和多巴胺能等遞質(zhì)系統(tǒng)的平衡具有重要作用［17］，而Sigma-1R拮抗劑BD-1047 可有效阻斷法莫替唑的抗焦慮作用［15］。此外，海馬Sigma-1R 的激活可通過NR2A-CREB-BDNF信號通路改善創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（Post-traumatic stress disorder， PTSD）模型大鼠的焦慮樣行為［29］。可見，海馬神經(jīng)元形態(tài)和功能的改變是神經(jīng)病理性疼痛誘發(fā)焦慮的原因之一，并且Sigma-1R 在調(diào)節(jié)焦慮情緒障礙中發(fā)揮關(guān)鍵作用，提示海馬Sigma-1R 或可成為研究神經(jīng)病理性疼痛誘發(fā)焦慮情緒的切入點。

3 Nrf2/ROS 與神經(jīng)病理性疼痛誘導(dǎo)的焦慮情緒

3.1 Nrf2/ROS 分子生物學(xué)特點活性氧（ROS）是細胞有氧代謝的副產(chǎn)物，包括超氧陰離子（O2-）、羥基自由基（OH-）、過氧化氫（H2O2）和單線態(tài)氧（1O2）等［34］，在病理生理信號傳導(dǎo)中具有重要調(diào)節(jié)作用。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體、氧化酶和單氧化酶等均可產(chǎn)生ROS［35］，而線粒體是ROS 產(chǎn)生的主要場所。處于生理狀態(tài)的MAM可產(chǎn)生低水平的ROS，而病理狀態(tài)下持續(xù)高水平的ROS 則會引發(fā)氧化應(yīng)激，破壞細胞內(nèi)生物大分子，如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、RNA 和DNA 分子等，進而導(dǎo)致細胞功能障礙［36］。研究表明，核因子E2相關(guān)因子2（Nuclear factor E2-related factor 2， Nrf2）是調(diào)控ROS 的重要轉(zhuǎn)錄因子［37］，在維持細胞代謝和氧化平衡中發(fā)揮關(guān)鍵作用［14］。Nrf2 主要與細胞質(zhì)的Kelch 樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1（Kelch-like ECHassociated protein 1， Keap1）結(jié)合，通過26S蛋白酶體降解來維持機體的正常生理功能。當(dāng)細胞受到氧化應(yīng)激或親電子體刺激時，Nrf2 與Keap1 解離后移至細胞核，與抗氧化反應(yīng)元件（ARE）結(jié)合，啟動廣泛的細胞保護基因的轉(zhuǎn)錄過程，如血紅素加氧酶-1（HO-1）、苯醌氧化還原酶-1（NQO1）和超氧化物歧化酶（SOD）等，進而抑制ROS的生成［38］。

3.2 Nrf2/ROS與神經(jīng)病理性疼痛ROS的過度生成可誘導(dǎo)線粒體功能障礙，引發(fā)Ca2+的釋放和半胱天冬酶的激活，進而促進神經(jīng)元凋亡。損傷部位的神經(jīng)元凋亡通常刺激小膠質(zhì)細胞釋放促炎介質(zhì)和細胞因子，引起外周敏化［39］，進而加速神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生發(fā)展進程［40］。研究表明，Nrf2 在神經(jīng)病理性疼痛大鼠的背根神經(jīng)節(jié)（DRG）［41］、脊髓［42］和海馬［43-44］中表達降低。電針通過Nrf2 抗氧化信號通路抑制氧化應(yīng)激產(chǎn)物，進而緩解紫杉醇誘導(dǎo)的神經(jīng)病理性疼痛大鼠的機械和熱痛敏［45］；白花丹素通過上調(diào)Nrf2 緩解坐骨損傷慢性壓迫損傷模型（Chronic constriction injury of the sciatic nerve，CCI）誘導(dǎo)的神經(jīng)病理性疼痛［41］；含溴結(jié)構(gòu)域蛋白4（Bromodomaincontaining protein 4， BRD4）的沉默可引起Nrf2 的活化，抑制ROS 的產(chǎn)生和表達，從而減輕長春新堿誘導(dǎo)的神經(jīng)性病理性疼痛［46］。因此，Nrf2/ROS 在神經(jīng)病理性疼痛中具有重要的調(diào)控作用。

3.3 Nrf2/ROS 與神經(jīng)病理性疼痛誘發(fā)的焦慮樣行為在創(chuàng)傷應(yīng)激誘導(dǎo)的焦慮模型大鼠中觀察到腦水平Nrf2 表達降低、線粒體氧化磷酸化水平異常升高以及ROS 增多，進一步引發(fā)細胞凋亡并誘導(dǎo)焦慮樣行為，給予Nrf2 激動劑后可緩解這一情緒障礙［27］。進一步研究發(fā)現(xiàn)，給予Nrf2 激動劑亦可通過調(diào)控抗氧化途徑緩解神經(jīng)病理性疼痛并改善其誘發(fā)的焦慮情緒［42，47］，提示Nrf2/ROS 不僅參與神經(jīng)病理性疼痛的進程，還與焦慮情緒的調(diào)控密切相關(guān)。

4 Sigma-1R/Nrf2/ROS 信號通路在神經(jīng)病理性疼痛的研究進展

研究表明，Sigma-1R 可通過調(diào)控Nrf2 干預(yù)ROS的生成，進而有效緩解可卡因引起的行為敏化［48］。應(yīng)用Sigma-1R 激動劑能顯著增加Nrf2 表達［49］，減少氧化應(yīng)激，比如，在缺血性腦卒中［50］和視網(wǎng)膜退行性病變［51］中，Sigma-1R 激動劑可通過激活Nrf2 而發(fā)揮神經(jīng)保護作用。然而，Sigma-1R 是否可通過Nrf2調(diào)控ROS 信號通路在神經(jīng)病理性疼痛誘發(fā)焦慮的研究甚少，且作用機制尚不明確。特別值得注意的是，在神經(jīng)病理性疼痛與焦慮情緒模型中均出現(xiàn)Nrf2 表達降低和ROS 水平升高的現(xiàn)象，而Sigma-1R在神經(jīng)病理性疼痛與焦慮情緒模型則呈現(xiàn)相反的趨勢。具體表現(xiàn)為：Sigma-1R 在神經(jīng)病理性疼痛模型動物神經(jīng)系統(tǒng)中表達上調(diào)，主要通過外周神經(jīng)損傷部位的膠質(zhì)細胞和免疫細胞誘導(dǎo)外周敏化，進而引發(fā)中樞敏化并促進疼痛的發(fā)展［18］，而Sigma-1R 拮抗劑可以劑量依賴方式緩解痛敏反應(yīng)。然而，在焦慮樣行為模型中，Sigma-1R 在情緒障礙相關(guān)的腦組織中表達反而降低，但給予Sigma-1R 激動劑后可有效減少相關(guān)神經(jīng)元的死亡并改善焦慮樣行為［29］。由于不同腦區(qū)Sigma-1R 的調(diào)節(jié)功能和作用機制存在差異，推測Sigma-1R 的表達差異有可能取決于不同腦區(qū)和特異性信號通路。進一步研究發(fā)現(xiàn)，給予正常小鼠注射Sigma-1R 激動劑后可誘發(fā)痛覺過敏行為［27］，這說明Sigma-1R 可能存在雙重調(diào)控作用，但還需相關(guān)實驗加以證實。

5 小結(jié)與展望

神經(jīng)病理性疼痛誘導(dǎo)的焦慮樣行為出現(xiàn)在造模后的2～4 周，而抑郁樣行為常出現(xiàn)在6～8 周左右。因此，神經(jīng)病理性疼痛的首發(fā)情緒障礙和焦慮樣行為轉(zhuǎn)化對神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生發(fā)展具有重要影響。近年來，靶向膠質(zhì)細胞的干預(yù)策略已越來越受到關(guān)注，如能闡明海馬Sigma-1R/Nrf2/ROS 信號通路參與神經(jīng)病理性疼痛誘發(fā)焦慮情緒的作用機制，也許可為尋找神經(jīng)病理性疼痛和焦慮情緒的共同調(diào)控因子以及開發(fā)臨床治療藥物提供新思路。