细胞外信号调节激酶1/2诱导痛觉过敏机制的研究进展

金 旭 ,石翊飒,杨园园

(1.兰州大学第二临床医学院，兰州 730000； 2.兰州大学第二医院麻醉科 兰州 730030；3.临沂市妇女儿童医院麻醉科，山东 临沂 276017)

机体对疼痛的感受是一种正常的防御反应，但剧烈或顽固的疼痛不仅会损伤患者的心理和躯体健康，还会给家庭和社会带来负担。炎症或组织损伤等伤害性刺激的持续作用可升高初级感觉传入纤维和脊髓的兴奋性，增强机体对外界环境的反应性，由此引起的痛觉敏化加深并延长了机体对疼痛的感受[1-2]。对多种疼痛模型的研究发现，外周或中枢伤害性刺激可异常激活神经系统细胞内细胞外信号调节激酶1/2(extracellular signal-regulated kinase 1/2，ERK1/2)信号通路，而活化的ERK1/2在不同类型疼痛的形成和维持过程中发挥着关键作用[1,3]，其有可能成为治疗疼痛的新靶点。目前国内外对ERK1/2在炎性痛、神经病理性痛等慢性疼痛中的作用研究的较为深入，而对于在急性组织损伤引起的急性疼痛中的作用研究相对有限，ERK1/2参与诱导急性痛觉过敏在分子水平的机制以及在不同类型疼痛中作用差异性的鉴别尚未完全明确。现就近年来ERK1/2在多种类型疼痛中作用及在不同组织水平参与痛觉过敏形成和维持的详细机制和作用差异进行综述，以期不断充实对疼痛理论的认识，为更安全、有效的临床镇痛药物的研发提供基础理论依据。

1 ERK1/2的分布、表达及功能

ERK1/2是一类广泛分布于哺乳动物细胞的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，其与p38激酶和c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)同属于促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPKs)家族[4]。ERK1和ERK2的分子量分别为44 000和42 000，两者序列的相似性高达83%，均由N端序列和C端序列柔性连接组成，其中激酶活化环包含能被双磷酸化的苏氨酸/酪氨酸基团[5]。ERK1/2在脑、骨骼肌、心脏以及胸腺中高表达，其中在脑和脊髓的表达量是正常组织的3～6倍[4,6]。

细胞膜表面的酪氨酸激酶受体、G蛋白偶联受体、整联蛋白、离子通道等在生长因子、分裂素、Ca2+、G蛋白偶联受体配体、渗透压的作用下，将刺激信号转导至细胞内，而细胞内的Ras蛋白在生长因子受体结合蛋白和鸟苷酸交换因子的辅助下接收刺激信号并结合鸟苷三磷酸(guanosine triphosphate，GTP)，Ras-GTP能直接活化Raf家族，启动激酶三级级联活化，使细胞质内静息态的ERK1/2磷酸化[7]。磷酸化的ERK1/2(phospho-ERK1/2，p-ERK1/2)主要以同源二聚体的形式在核定位序列介导下通过核孔复合体进入细胞核，同时有少量的p-ERK1/2滞留在细胞质[5]。亚细胞定位不同的p-ERK1/2能磷酸化不同底物Pro-Xxx-Ser/Thr-Pro序列的苏氨酸/丝氨酸基团，通过转录或非转录方式调节细胞的生物功能[4-5]。此外，细胞内蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)等可通过MEK1/2(MAP/ERK kinase 1/2)活化ERK1/2，因此研究中常用PD98059、U0126(MEK1/2特异性抑制剂)作为ERK1/2信号通路的阻断剂[1]。

ERK1/2在细胞周期中发挥正性调节作用，参与调控细胞的增殖、生长、存活[5]。研究证明，ERK1/2信号通路是慢性疼痛传导的关键通路之一，不仅促进疼痛的形成，并且在急性疼痛向慢性疼痛的转化及慢性疼痛的维持中发挥关键作用[1-2]。关于ERK1/2信号通路在急性疼痛中的作用国内外研究者尚未得出一致结论。此外，脊髓神经元内ERK1/2-JNK途径的激活参与超低剂量吗啡诱导的痛觉过敏[8]。

2 ERK1/2诱导痛觉过敏分子水平的机制

2.1ERK1/2促进损伤组织微环境的改变 组织损伤后释放组胺、缓激肽、一氧化氮等炎性因子，而免疫细胞聚集又进一步释放炎性因子和神经细胞生长因子，这些细胞因子与神经纤维末梢释放的P物质等内源性致痛物质共同促进组织损伤局部炎性微环境的形成，是刺激初级感觉传入纤维敏化的前提条件。Shi等[9]发现，离体角质细胞表面存在P物质和降钙素基因相关肽(calcitonin gene-related peptide，CGRP)受体，应用外源性P物质和CGRP能激活角质细胞内ERK1/2信号通路，并促进白细胞介素1β、白细胞介素6以及肿瘤坏死因子α表达，而应用PD98059能抑制ERK1/2活化，并减少上述炎性因子的表达，证明ERK1/2信号通路是角质细胞异常表达炎性因子的关键中介，即初级感觉传入纤维外周端在病理状态下释放的P物质和CGRP可通过激活周围组织的ERK1/2信号通路增强局部免疫反应，诱导组织损伤加重。Ding等[10]还发现，白细胞介素1β能诱导异位子宫内膜细胞释放ATP，白细胞介素1β和ATP均能激活异位子宫内膜细胞内的ERK1/2信号通路，继而通过活化环腺苷酸效应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)增加P2X3受体(ATP受体亚型)在细胞膜表面的表达，并且活化的P2X3受体对ATP的亲和力进一步增加，从而形成恶性循环，促进局部微环境的进一步恶化，增加外周伤害性刺激的传入。此外，损伤组织释放的ATP还能直接作用于初级感觉传入纤维外周端的P2X3受体，形成相同的恶性循环，参与促进初级感觉传入纤维的敏化[10]。

2.2ERK1/2在外周神经促进细胞间信息交流 初级感觉传入神经的胞体聚集形成神经节，参与外周刺激信号的传导和调制，是外环境与中枢神经连接的枢纽。神经节细胞发生敏化后对外周刺激反应的阈值降低，致使伤害性信号的传入增加，促进疼痛中枢敏化。曲玉娟[11]在大鼠背根神经节(dorsal root ganglion，DRG)慢性压迫模型中发现，DRG内ERK1/2蛋白的表达及磷酸化水平均上调，鞘内注射U0126能抑制大、中直径神经元的活化，并缓解因DRG压迫引起的机械痛敏，证明ERK1/2信号通路在DRG慢性压迫异常激活大、中直径神经元的过程中起重要作用，并且ERK1/2诱导的神经元活化使DRG保持对机械刺激的持续高反应状态。Mikuzuki等[12]也发现，三叉神经节内大直径神经元在舌咽神经损伤3 d后显著活化，其释放的CGRP不仅能与自身受体结合增强神经元的兴奋性，还能作用于围绕神经元的星形胶质细胞，通过激活ERK1/2信号通路使星形胶质细胞活化，正是这种神经元与星形胶质细胞间的信息交流促进了神经节敏化，诱导了舌咽神经损伤引起的机械痛敏和热痛敏。Liu等[13]发现，受压迫的DRG内ERK1/2信号通路激活后能通过磷酸化核转录因子激活蛋白1，增加某些炎性因子在初级感觉传入神经中枢端的释放，继而激活脊髓背角内星形胶质细胞，参与诱导疼痛的中枢敏化。与慢性神经损伤不同的是，虽然在急性组织损伤过程中同样存在DRG内ERK1/2的持续异常活化，但其可能仅在疼痛早期阶段发挥作用，详细机制还有待进一步研究[14]。

在大鼠足底注射蜂毒后DRG内神经元发生敏化，并且星形胶质细胞释放CXC趋化因子配体12(C-X-C motif chemokine ligand 12,CXCL12)，而CXCL12与神经元表面的CXC趋化因子受体4(C-X-C motif chemokine receptor 4，CXCR4)结合后激活ERK1/2信号通路，鞘内或足底注射U0126均能抑制ERK1/2的活化并减少Nav1.8的表达，同时缓解由蜂毒引起的持续性疼痛，提示星形胶质细胞通过CXCL12-CXCR4-ERK1/2途径上调神经元Nav1.8钠离子通道的表达，升高DRG的兴奋性，促进蜂毒引起的痛觉过敏[15]。Bi等[16]在颞下颌关节炎模型大鼠的三叉神经节内检测到卫星胶质细胞内ERK1/2的显著增加及神经元内Nav1.7、Nav1.8以及Nav1.9表达上调，其中Nav1.7在基因和蛋白水平上调得较为明显，而显微注射U0126抑制了神经元对Nav1.7表达的上调，提示卫星胶质细胞内ERK1/2信号通路的激活可能是三叉神经节内神经元表面Nav1.7表达上调的重要前提，参与诱导完全弗氏佐剂引起的痛觉过敏。对以上炎性痛模型的研究表明，外周神经ERK1/2信号通路是神经元与胶质细胞间信息交流的关键中介，可通过上调离子通道的表达来升高神经元的兴奋性，增加外周伤害性信号的传入。此外，对蜂毒注射和选择性神经损伤模型的研究发现，DRG内CXCL12-CXCR4-ERK1/2途径在急性疼痛向慢性疼痛转化的过程中起重要作用[17]。

2.4ERK1/2调节脊髓对痛觉信号的应答 脊髓背角内ERK1/2活化后能通过转录或非转录的方式调节突触的可塑性，改变脊髓对痛觉信号的反应性。p-ERK1/2能以非转录方式直接磷酸化突触后膜上的NMDA受体和AMPA受体，并募集AMPA受体的GluR1亚单位插入到突触后膜，增强突触的转运功能[2]。鞘内注射细胞周期蛋白依赖性激酶5(cyclin-dependent kinase 5，CDK5)抑制剂或U0126均能缓解完全弗氏佐剂诱导的热痛觉过敏，其中U0126能同时抑制ERK1/2和CDK5的活化，而CDK5抑制剂不影响ERK1/2的活化，证明ERK1/2是CDK5的上游调节激酶，在外周炎症刺激下促进CDK5的活化[23]。其可能机制是p-ERK1/2通过磷酸化细胞核内早期生长反应因子1上调p35的表达，而p35与CDK5结合激发了CDK5的酶活性，活化的CDK5调节脊髓背角神经元Kv4.2钾离子通道的表达，抑制A型钾离子外向电流，降低神经元的兴奋阈值，改变突触可塑性[1,24]。研究证明，脊髓背角神经元内ERK1/2被完全弗氏佐剂激活后不仅能促进环加氧酶2的表达，还能通过ERK1/2-CREB途径促进神经激肽1受体的表达，两种途径均可改变突触的可塑性，但表达的高峰时间并不同，提示ERK1/2在不同时间促进中枢敏化的机制存在一定差异[25]。Tochiki等[26]发现，在大鼠足底注射辣椒素或福尔马林均能使同侧脊髓背角神经元内ERK1/2、丝裂原和应激激活蛋白激酶1(mitogen and stress-activated protein kinase 1，MSK1)及组蛋白H3的活化增加，鞘内注射ERK1/2信号通路抑制剂或MSK1抑制剂均能减少p-MSK1和p-H3S10(磷酸化的H3)的表达，并且MSK1抑制剂还能显著缓解福尔马林诱导的第二时相痛敏反应，证明ERK1/2是MSK1和H3的上游调节激酶，可通过磷酸化MSK1促进H3活化。活化的H3通过促进核染色质松弛使DNA更容易转录，并与CREB共同促进AMPA受体GluR1亚单位的表达，引起Ca2+内流增加，神经元兴奋性升高。以上研究表明，脊髓背角神经元内ERK1/2异常激活后通过磷酸化多种转录因子调控DNA的转录，继而促进多种激酶受体、离子通道受体或炎性因子的表达，使神经元兴奋性升高或兴奋阈值降低，突触可塑性改变，是ERK1/2调节脊髓对痛觉信号应答的中枢机制。

Berta等[27]发现，抑制脊髓星形胶质细胞内p-ERK1/2的表达能减少白细胞介素1β的释放，并缓解由组织纤溶酶原激活物引起的机械痛敏。Song等[28]发现，骨癌能异常激活脊髓背角小胶质细胞内ERK1/2信号通路，通过磷酸化信号转导及转录激活因子1上调主要组织相容性复合体Ⅱ的表达，促进不良的神经免疫反应，加重神经细胞损伤。提示胶质细胞内ERK1/2信号通路激活后同样促进脊髓敏化。目前对于急性疼痛过程中胶质细胞内ERK1/2信号通路是否参与促进痛觉过敏尚未见报道。Liu等[29]在急性组织损伤后6 h即观察到脊髓星形胶质显著活化；而Masaki等[30]证实，小胶质细胞对急性组织损伤引起的早期痛阈降低作用有限，提示在急性疼痛的早期阶段星形胶质细胞的作用更为重要。关于胶质细胞内ERK1/2信号通路在急性痛觉过敏中的作用还需要进一步探索。

3 ERK1与ERK2在不同疼痛模型中作用的鉴别

ERK1和ERK2的序列相似性高，参与双磷酸化的基团相同，且通常同时被激活，所以一般当作一个整体进行研究[4]。现有的关于ERK1/2在疼痛领域的研究大都不能区分两者作用的差异。Alter等[31]应用基因敲除技术完全抑制小鼠体内ERK1的转录表达，并对ERK1和ERK2在多种疼痛模型中的作用进行了比较，结果显示：①ERK1的缺失对福尔马林引起的自发痛行为、完全弗氏佐剂引起的热痛敏和机械痛敏、选择性神经损伤引起的机械痛敏并无影响。②ERK1的缺失能推迟福尔马林引起的慢性热痛敏，但不影响机械痛敏。由此可知，ERK1和ERK2在不同疼痛进程中作用的差异是实际存在的，并且ERK2的作用在上述多个疼痛模型中显得更为重要。此外，ERK1的缺失虽然上调了p-ERK2的基础水平，但是未能进一步使伤害性刺激诱导的p-ERK2水平升高，提示p-ERK2基础水平的提高主要源于非感觉细胞的表达。关于ERK1和ERK2作用的差异仍需在更多的疼痛模型中鉴别。

4 小 结

在损伤组织，ERK1/2促进损伤部位微环境的进一步恶化；在外周神经，ERK1/2促进神经元与胶质细胞间的信息交流，诱导初级感觉传入纤维敏化，使伤害性信号传入增加；在脊髓背角神经元，ERK1/2能以多种转录或非转录的方式上调神经元兴奋性或降低兴奋阈值，改变突触可塑性。ERK1/2在不同时间诱导痛觉过敏的机制可能存在差异，而ERK1和ERK2的作用在不同类型疼痛中存在差异，其中ERK2的作用更为重要。新型药物的研发需要深入探索疼痛相关机制，寻找新的抑痛靶点。ERK1/2在痛觉过敏形成和维持过程中的关键作用是肯定的，有望成为镇痛药物研发的新靶点。ERK1/2在不同时间、不同细胞内诱导痛觉敏化的详细机制，以及在不同类型疼痛中作用差异应成为今后研究的重点。