PACAP-38的生物学效应及其在偏头痛发病机制中的新进展

张颖 宋晓文 陈金波 郑海非

垂体腺苷酸环化酶激活肽-38(pituitary adenylate cyclase activating polypeptide-38，PACAP-38)是由ADCYAP1基因编码的38个氨基酸组成的一种神经活肽类物质，是PACAP经过剪切后得到的一种活性蛋白，占哺乳动物大脑组织中PACAP总量的90%，起主导作用；而PACAP另一种活性形式PACAP-27仅占PACAP总含量的10%，两者均属于血管活性肠肽(VIP)-胰高血糖素-促胰液素家族[1-2]。PACAP-38与VIP有68%的同源氨基酸残基序列，二者共享PAC1、VPAC1、VPAC2 3种受体，其中PAC1对PACAP-38具有高亲和力，而对VIP亲和性极低[3]。PACAP-38以及特异性受体PAC1在人体各个系统中均有分布，神经系统分布尤为广泛。近年来，PACAP-38在偏头痛中的作用逐渐受到国内外的重视，PAC1受体被视为是治疗偏头痛的潜在靶点。偏头痛是多种因素引起的颅内外血管神经功能障碍导致的多为单侧的搏动样原发性头痛，而PACAP-38属于脂溶性差的大分子物质，其以主动转运的方式可通过血-脑脊液屏障，但其参与偏头痛发作的具体作用位点及相关机制尚不明确[4]。现就PACAP-38的多种生物学效应以及其在偏头痛中的病理生理作用研究进行概述。

1 PACAP-38的多重生物学效应

PACAP-38作为具有广泛生物学效应的多肽，在机体多个系统中均发挥重要作用[2，4]。PACAP-38不仅具有神经保护与营养、神经传递与调控、突触可塑性调节等作用，还兼具抗氧化应激、抗炎、抗凋亡、调控基因等多种生物学效应；同时，其在抑制肿瘤以及治疗应激相关情感障碍、创伤后应激障碍、偏头痛、神经退行性变等疾病中也扮演重要角色。

1.1 在神经系统中的生物作用PACAP-38是一种强效的具有神经营养性和神经保护性作用的肽类[2]。其可通过与受体结合，激活磷酸肌醇和环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)通路，刺激交感神经元神经肽的释放，减少或降低对神经元的损伤；或调控细胞凋亡相关调控基因发挥抗凋亡作用。近年来，研究侧重于PACAP-38与多种神经系统疾病的致病机制，证实其与视网膜病变、脑缺血性脑卒中、神经退行性变、记忆认知障碍及情感障碍等有密切关联。近期Denes等[2]研究显示，新生大鼠视网膜神经节细胞层、神经纤维层以及色素上皮细胞均可表达PAC1受体，给予外源PACAP-38作用于PAC1受体可促进视网膜水平细胞的增殖和分化。Kaneko等[5]通过研究体外缺血/再灌注损伤动物神经细胞模型发现，PACAP-38可提高细胞活性，减轻氧化应激诱导的细胞损害以及细胞色素C诱导的细胞凋亡，维持线粒体活性，增加脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)、B淋巴细胞瘤-2、催产素、前体PACAP蛋白表达水平；还可调控N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)亚基蛋白表达水平，抑制脑缺血时谷氨酸大量释放引起的Ca2+过度内流导致的神经元损，对急性缺血性脑卒中引起的缺血/再灌注损伤有保护作用。在帕金森病(PD)模型研究中，PACAP-38可调节皮质和海马神经元中BDNF的表达，改善空间学习与记忆，可作为治疗PD等神经变性疾病的新兴候选药物[6]。国外一项研究结果显示，PACAP-38可增加亨廷顿病模型小鼠海马囊泡膜谷氨酸转运体(VGlut-1)和突触后致密蛋白95(PSD95)免疫标记，增强海马突触可塑性及BDNF的表达，减少突变型亨廷顿蛋白聚集物的形成，对记忆与认知缺陷有改善作用[7]。还有研究发现，PACAP及其同源受体PAC1在痛觉通路中表达，可诱导中央杏仁核(CeA)神经元活化和伤害性反应，参与创伤后应激障碍[8]。Farajdokht等[9]研究发现，血PACAP、皮质醇水平升高以及三叉神经节(TG)中卫星胶质细胞增多参与了偏头痛光过敏及焦虑症状。

1.2 在免疫系统中的作用PACAP-38在免疫系统有多方面的抗炎作用[10]。PACAP-38可调节多种炎性介质的产生，抑制中性粒细胞趋化，调节巨噬细胞的迁移、黏附、吞噬，对淋巴细胞的存活和分化也有影响。Kasica-Jarosz等[10]发现在斑马鱼模型中，PACAP-38还可抑制中性粒细胞向炎性坏死的毛细胞迁移，对听觉系统有抗炎保护作用。Bereswill等[11]通过给予亚急性回肠炎模型小鼠PACAP-38短期治疗，结果显示PACAP-38可抑制小鼠回肠和结肠上皮细胞的凋亡，减少肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-6等促炎因子分泌，减轻因T细胞的激活导致的免疫损伤，且PACAP-38抗炎作用并不局限于肠道，因此可作为治疗肠道炎症的一种新的治疗方案。此外，PACAP-38对人非小细胞肺癌细胞系H460的增殖有剂量依赖性的影响，提示PACAP-38可能具有抗癌活性[12]。

1.3 在心血管系统中的作用PACAP-38作为一种内源性动脉粥样硬化保护性神经肽，具有调节血脂、对抗血管内皮损伤、改善冠状动脉血运、抑制心脏形态重构等作用[13]。国内一项病例对照研究[14]结果显示，冠心病患者行经皮冠状动脉介入(PCI)术后需再次血运重建组血PACAP-38 mRNA相对表达水平低于不需要再次血运重建组，多因素Logistic 回归分析显示血PACAP-38 mRNA表达降低(<443.50时)是需要再次血运重构的独立预测因素。因此提高冠心病患者PCI术后PACAP-38 mRNA水平，促进心房钠尿肽的分泌，降低心脏交感神经兴奋性，保护心肌细胞，对抗内皮细胞损伤，纠正血管畸形和血栓，避免再次血运重建，对冠心病PCI术后有积极影响。

1.4 在内分泌系统中的作用PACAP-38由下丘脑合成，通过垂体门脉系统到达垂体，参与体内各种激素释放调节，对人体内分泌至关重要。PACAP-38可通过增加人类编码信号转导及转录活化因子3(STAT3)磷酸化和细胞因子信号转导抑制因子(SOCS3)mRNA的表达来调控瘦素对机体新陈代谢及能量平衡的调节作用，参与病态肥胖、糖尿病等内分泌疾病发病机制[15]。Liu等[16]研究显示PACAP-38主要通过作用于β细胞的PAC1受体激活AC/PKA信号通路，抑制电压依赖性钾通道，激活钙离子通道及增加细胞内钙离子浓度发挥刺激葡萄糖诱导的胰岛素分泌。可见，PACAP-38是治疗肥胖和糖尿病的潜在靶点。另外，PACAP-38还可下调血管内皮生长因子等表达水平，减轻氧化应激和内皮功能障碍，对高血糖/缺氧微环境异常引起的微血管病变有保护作用[17]。Zhang等[3]一项前瞻性研究显示，垂体腺瘤伴头痛(HaPA)患者术前及术后PACAP-38浓度均高于非HaPA患者，且HaPA患者头痛严重程度与术后72 h血浆PACAP-38浓度呈正相关，提示术后降低血浆PACAP-38水平对HaPA头痛的改善有积极作用。

1.5 PACAP-38与其他系统PACAP-38通过舒张气道平滑肌、调节免疫和炎性反应对支气管哮喘发挥保护作用；PACAP-38与创伤后膝关节炎的半月板损伤程度有关；此外，PACAP-38对糖尿病肾病、骨髓瘤肾损伤、药物性肾损伤、肾缺血/再灌注具有保护作用[18]。

总之，PACAP-38在机体各大系统的生理调节过程中发挥重要作用。

2 PACAP-38与偏头痛

偏头痛是一种反复发作、致残率高且发病率高的神经血管紊乱性疾患，按发作频率被分为发作性偏头痛(episodic migraine，EM)和慢性偏头痛(chronic migraine，CM)，每年大约2.5%的EM转为CM。偏头痛病理生理涉及三叉神经血管系统(trigeminal vascular system，TVS)的激活[1，19-21]、神经源性炎性反应[22-23]、颅内血管扩张[1，20]以及中枢痛觉传导整合功能障碍。近年来，研究显示PACAP-38与偏头痛的急性发作和慢性迁延有关联，但具体的作用机制以及其在外周和中枢神经系统的变化规律尚不清楚。

2.1 PACAP-38的表达及受体分布PACAP-38由脑膜血管上受TG支配的伤害性神经纤维末梢释放，与PAC1受体均存在于与痛觉和/或偏头痛病理生理学有关的结构：下丘脑室旁核、腹外侧中脑导水管周围灰质、蓝斑、孤核、TG、三叉神经脊束尾核(TNC)、耳神经节、蝶腭神经节[24-25]。在TG和TNC中，存在VPAC1、VPAC2、PAC1 3种受体，且PACAP-38与CGRP共表达[26]。

2.2 PACAP-38在偏头痛中的作用机制

2.2.1PACAP-38激活TVS：PACAP-38在TVS中表达。当受到刺激后，受TG支配的伤害性神经纤维末梢释放PACAP-38，与脑膜血管上PAC1、VPAC1和VPAC2受体结合，引起脑膜血管舒张、无菌性炎性反应，脑膜伤害性感受器的重复激活导致TG(一级神经元)的外周敏化，此伤害信号由经三叉神经复合体(TCC)上传至丘脑及皮质产生头痛[20]。临床对照研究中，输注外源性PACAP-38，可升高外周血PACAP-38水平，致TVS激活，诱发偏头痛患者的偏头痛发作[1]。若反复的慢性刺激，PACAP-38长期激活TVS，可致TNC(二级神经元)和丘脑(三级神经元)发生中枢敏化(出现皮肤异常性疼痛)，导致偏头痛症状加剧和延长。动物研究表明[19]，在完全福氏佐剂诱导的持续性炎性疼痛模型中，TNC内PACAP-38大量释放，从而促进CGRP释放增加，且72 h释放量达峰值，并与痛觉峰值相对应，二者共同参与偏头痛慢性化和痛觉敏化过程。反复化学刺激CM模型硬脑膜，可导致中枢敏化、痛觉阈值降低，外周血PACAP-38水平下降及TG中PACAP-38表达降低[21]。Cernuda-Morollón等[27]研究亦发现，慢性偏头痛患者发作间期外周血PACAP-38水平并未升高，甚至低于健康人群。其机制可能为：PACAP-38在偏头痛慢性化过程中存在先释放增多后逐渐耗竭的现象，即慢性病程越长，血PACAP-38水平越低。综上，PACAP-38诱导的外周及中枢敏化不仅在偏头痛的单次发作中发挥重要作用，而且还可能在偏头痛从发作性到慢性的转化过程以及痛觉敏化中发挥作用[19-20]。

2.2.2PACAP-38参与偏头痛神经源性炎症反应：肥大细胞(mast cells，MCs)包绕硬脑膜血管，其脱颗粒可促进硬脑膜中细胞外调节蛋白激酶(ERK)(与痛觉敏化有关)磷酸化的表达，进而激活三叉神经硬脑膜伤害感受器，参与偏头痛痛觉信号的传导。PACAP-38可通过经典磷脂酶C途径引起MCs脱颗粒，释放组胺、类胰蛋白酶等过敏介质及促炎因子/趋化因子，引起硬脑膜无菌性炎症反应，可导致偏头痛慢性化和痛觉敏化。Pedersen等[22]研究发现，PACAP-38也可通过作用于MrgB3受体(而非PAC1受体)介导MCs脱颗粒作用。Okragl等[23]体外培养的人MCs脱颗粒可释放PACAP，该PACAP与其受体结合可激活AC，进而提高靶细胞的cAMP水平，可能具有诱导偏头痛发作的生物学活性。

2.2.3PACAP-38通过扩张颅外血管引发偏头痛发作：PACAP-38具有高效扩张血管、舒张平滑肌的作用。Amin等[1]研究发现，外源性PACAP-38可引起外周血PACAP-38升高以及颅外血管持续扩张，诱导偏头痛样发作的能力较VIP更强，外周血PACAP-38的升高早于偏头痛样发作和颅外动脉扩张，应用舒马曲坦缓解头痛症状后外周血PACAP-38水平随之回落，提示通过临床监测偏头痛患者血浆PACAP-38水平对预防偏头痛发作有积极意义。而Akerman等[20]通过不同途径输注PAC1受体拮抗剂发现，静脉途径仅抑制脑膜血管扩张效应，而脑室注射PAC1拮抗剂可抑制TCC内伤害感受器刺激诱发的动作电位，认为PACAP-38介导偏头痛发病的内源性机制是通过PAC1受体作用于中枢神经系统引起，而硬脑膜的初级传入神经的外周效应可能作用较弱。

2.2.4PACAP-38影响大脑功能网络的连接性：Amin 等[1]一项随机双盲试验探究了外源性PACAP-38诱发偏头痛发作时大脑皮层活动，给予24例无先兆偏头痛女性患者PACAP-38，其中16例静息态功能磁共振成像(rs-fMRI)检查显示凸显网络(SN)、感觉运动网络(SMN)和默认网络(DMN)内部功能连接强度出现异常。无先兆偏头痛患者出现上述与疼痛主要相关网络内存在多个特定脑区功能连接度的特征性变化，可能为今后诊治无先兆偏头痛提供新的影像学靶标，也为更好理解PACAP-38介导偏头痛发作的生物学机制提供影像学依据。

2.3 PACAP-38介导头痛发作的监测PACAP-38作为头痛重要的信号分子，不同的头痛类型以及同一头痛类型的不同发作时间，其表达水平不同。偏头痛患者和丛集性头痛患者发作期外周血PACAP-38水平升高，而发作间期外周血PACAP-38水平则降低，低于紧张性头痛和健康人群，并与头痛总病程呈负相关[25，27]。这对临床上两大类原发性头痛(紧张性头痛和偏头痛)的鉴别诊断提供理论依据。目前，通常取偏头痛患者发作期或发作间期晨起空腹肘静脉血，利用人PACAP-38 ELISA试剂盒检测外周血PACAP-38水平。动物实验研究可采用免疫印迹、免疫组化染色检测、定量PCR等技术检测TG 、TNC、脑干等偏头痛痛觉相关区域的PACAP-38蛋白及mRNA表达情况[4，19，26，28]。此外，在影像学方面，高分辨率磁共振血管成像可观察到外源输注PACAP-38诱发偏头痛可引起颅外动脉明显扩张，静息态功能磁共振可显示大脑功能连接异常[1，20]。

2.4 PACAP-38在偏头痛发作防治中前景内源性PACAP-38具有多种生物学效应，然而其半衰期短、性质不稳定，限制了其作为促神经损伤恢复药物的进一步发展。因此创造代谢更稳定的PACAP-38类似物，选择性地激活PAC1、VPAC1和VPAC2是目前药物研究的主要任务。在偏头痛“抗体”治疗时代，抗CGRP单抗对慢性偏头痛有预防作用，并已通过临床试验。Moldovan等[29]研究发现了一种特异性强、亲和力高的单克隆抗体(ALD1910)，该抗体通过PACI、VPAC1、VPAC2拮抗PACAP-38的信号传导，拮抗活性呈现剂量依赖性，剂量低至0.3 mg/kg时保持有效。ALD1910代表了一种潜在的治疗性抗体，为偏头痛新型治疗药物研究提供了方向。

综上所述，PACAP-38具有广泛的生物学功能，与偏头痛疾病的病理生理密切相关。PACAP-38及其受体PAC1可作为新型药物作用靶点，对于偏头痛反复发作或急性发作期的头痛症状、情绪认知等方面的治疗起积极作用。由于多种信号传导通路参与PACAP-38的生物学效应，对于内源性PACAP-38介导偏头痛发病过程的具体机制尚不明确，需要进一步研究。