星形胶质细胞缝隙连接蛋白43在痛觉敏化中作用机制研究进展

2020-12-29 14:04魏碧玉高明龙综述马亚群审校

武警医学 2020年4期

赵丹，魏碧玉，高明龙综述马亚群审校

神经病理性疼痛(neuropathic pain，NPP)是由于神经系统原发性损害或者功能障碍所引起的疼痛，临床上主要表现为痛觉过敏，引起的痛觉过敏的机制包括脊髓中枢敏化、脊髓胶质细胞活化、炎性介质的作用等。

探索疼痛形成及敏化机制、寻找疼痛治疗新靶点一直是疼痛专业研究的热点。脊髓作为疼痛信号整合的初级中枢，在疼痛形成及敏化发生过程中的作用毋容置疑。胶质细胞—星形胶质细胞通过缝隙连接蛋白(connexin, Cx)相互勾连形成网络，使得细胞间能够进行各种分子物质及信息交换，尤其缝隙连接蛋白43(connexin protein 43, Cx43)表达的多少直接决定细胞间信息交换的效率与程度[1]。而Cx43作为中枢神经系统中最主要的缝隙连接蛋白，主要在星形胶质细胞中表达，几乎不表达于小胶质细胞和少突胶质细胞。当伤害性刺激发生以后，脊髓星形胶质细胞发生活化，Cx43表达增加，功能增强[2]，在痛觉敏化的发生中起了十分重要的作用。笔者从Cx43的结构和功能、痛觉敏化机制及Cx43导致痛觉敏化发生的可能机制等方面加以综述。

1 Cx43的结构与功能

Cx是同一组基因编码的，以其分子量对其进行命名，Cx43的相对分子质量为43 000，半通道(half channel, HC)是Cx43组成的六聚体结构，介导细胞内外的信息交流，相邻两个细胞的半通道对合形成缝隙连接(gap jnaction, GJ)，介导细胞间的信息交流。每个Cx都有4个保守的α螺旋跨膜区、2个胞外环和3个胞内成分( 1个胞内环、1个氨基末端和1个羧基末端)，在胞内成分中，氨基末端比较保守，不宜发生改变，所以Cx43的功能调节位点大多数位于羧基端[3]，羧基端的磷酸化和去磷酸化是Cx43发挥其生理功能的主要原因。研究表明，Cx43磷酸化主要是通过蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)、促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)等途径，从而改变了Cx43的缝隙连接效应，加强了细胞之间的信息交流[4]。

Cx43最广泛存在于脊髓星形胶质细胞，构成星形胶质细胞之间的半通道或缝隙连接[5]，允许离子和小分子(包括第二信使如Ca2+、IP3、环核苷酸和寡核苷酸)直接交换完成细胞间通信，在痛觉信息的传递和整合过程中发挥着重要作用。

2 痛觉敏化的发生机制

痛觉过敏就是长期的慢性疼痛刺激导致中枢神经系统(central nervous system，CNS)发生病理性重构，使得疼痛更加难以控制，患者主要表现为自发痛、痛阈下降等[6]，之前的关于痛觉过敏的发病机制大多集中于脊髓神经元，但是近年来关于星形胶质细胞Cx43的机制越来越能够引起我们的重视，研究发现在许多神经病理性疼痛过敏模型中，GJ通道数量增加，尤其是Cx43表达上调，导致多种细胞因子分泌，促进了痛觉敏化的形成[7]。

3 星形胶质细胞Cx43与痛觉敏化

缝隙连接Cx43作为细胞之间重要的信号通路，在星形胶质细胞表达，当发生病理性疼痛时Cx43表达的含量增加，其中机制涉及谷氨酸受体途径、促炎性因子途径等、对疼痛的维持至关重要。研究表明，缝隙连接Cx43可以介导大鼠脊髓背角CXCL12的产生来使得大鼠痛阈值下降，继而导致长久的骨癌性痛觉过敏和癌性疼痛[8]；在脊髓损伤引起的慢性神经病理性疼痛模型中测定大鼠热痛觉过敏和机械性痛觉超敏[9]，4周后开始发展，8周后可以维持，值得注意的是，在Cx43缺失的转基因小鼠中，脊髓损伤诱导出的热痛觉过敏和机械性超敏反应被阻止[10]，但在Cx30缺失的转基因小鼠中完全发育，说明Cx43能够通过一定的机制促成了痛觉过敏，除此之外，在骨性癌痛的痛觉过敏的模型中[11]，星形胶质细胞Cx43可以促进下游信号分子维持痛觉过敏，所以Cx43是痛觉过敏发生的关键因素之一。

4 可能的机制

4.1 星形胶质细胞Cx43与谷氨酸及其受体系统谷氨酸是CNS中最主要的兴奋性氨基酸之一，谷氨酸与谷氨酸受体结合可促进离子通道的开放、相关蛋白激酶的激活以及传递相应的伤害性信息介质的生成。疼痛刺激发生之后，谷氨酸系统释放谷氨酸，而越来越多的研究表明，痛觉过敏的模型中有着星形胶质细胞的激活，其中星形胶质细胞之间的缝隙连接与谷氨酸的相互作用可以维持痛觉过敏[12]。另外最新一项研究显示，在脊髓损伤诱发的痛觉过敏模型中，脊髓星形胶质细胞激活和Cx43表达上调[13]，这能够诱发细胞之间GJ通道的开放，一方面GJ的开放允许谷氨酸直接通过，另一方面可以引发细胞内大量的Co2+内流，促进N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体的激活，两者形成信号放大效应；除了GJ的作用，在另外一项研究中还发现，星形胶质细胞激活以后Cx43两个封闭的半通道(half channel，HC)可以打开，形成一个能够直接相连的两个相邻细胞质通路，允许谷氨酸通过，结果用以维持痛觉过敏[14]。

4.2 星形胶质细胞Cx43与促炎性因子国内外众多研究学者的实验研究表明，参与痛觉敏化的促炎性因子包括：白介素1和6、肿瘤坏死因子α和γ等，当外周炎症时，随着疼痛信号由外周向中枢传入，星形胶质细胞激活和Cx43数量增加，而缝隙连接数量和功能的改变可以使得促炎性因子变化，进一步影响痛觉过敏的发生[15]。有研究学者认为，在炎性痛模型中Ⅱ-β可以增加Cx43的表达和胶质细胞之间缝隙连接的交流来维持痛觉过敏[16]；也有学者研究发现，TNF-α介导糖尿病大鼠的痛觉过敏模型中Cx43的表达上调[17]；还有人在大鼠鞘内注射肿瘤坏死因子诱导幼鼠脑缺血再灌注损伤的脊髓中Cx43的上调测得后肢的机械性超敏反应[18]。以上的研究均展现出Cx43在痛觉敏化的维持过程中，促炎性因子与之有着千丝万缕的联系。

4.3 星形胶质细胞Cx43与MAPKs信号通路研究证实，伤害性刺激引起了脊髓神经元兴奋性增强，突触可塑性变化，在这其中除了兴奋性氨基酸、细胞因子、炎性因子的作用，丝裂原活化蛋白激酶信号通路(MAPKs)在神经病理性疼痛的过程中起了十分重要的作用[19]。MAPKs是细胞内的一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶信号通路，是细胞内最为主要的信号传导系统。MAPK信号传导通路主要包括：氨基末端激酶 (c-Jun N-terminal kinase，JNK)家族、细胞外调节蛋白激酶 (extracellular regulated protein kinase，ERK)和磷脂肌醇信号通路PKC等。

4.3.1 JNK信号通路 JNK作为MAPKs的重要成员之一，有研究显示，JNK参与了吗啡耐受所致痛觉敏化的过程，同样在星形胶质细胞中也发现了JNK的作用，并且人们普遍可以接受星形胶质细胞Cx43的上调[20]，而另一项关于吗啡耐受的实验中，胶质细胞抑制剂能够同时降低JNK和Cx43的表达[21]。但是有两种不同的观点：一是Cx43激活了JNK信号通路介导了吗啡耐受，二是应用JNK信号阻滞剂能够同时降低JNK和Cx43的表达，两者呈现一个平行升高降低的状态。那么到底在吗啡耐受过程中，JNK与Cx43两者有具体什么关系无从知晓，但人们对于JNK与Cx43的关系不仅仅局限在星形胶质细胞，在舒芬太尼预处理心肌细胞中，应用JNK阻滞剂不仅降低了JNK信号通路的作用，而且细胞之间Cx43的表达下降，JNK与Cx43的磷酸化都有明显下降[22]，两者平行下降可以对舒芬太尼预处理损伤的心肌细胞起到保护作用。不管是脊髓背角的星形胶质细胞还是其他脏器细胞都能够为探索Cx43在痛觉敏化的作用开拓新的思路。

4.3.2 ERK信号通路 ERK信号通路的激活是痛觉敏化的机制，对于1型糖尿病神经病理性疼痛(diabetic neuropathic pain，DNP)大鼠的研究显示，ERK mRAN和蛋白含量都增加，并且含量随着时间的增加而增加，给予ERK阻滞剂U0126能够减轻大鼠的疼痛[23]，值得注意的是上述变化都是发生在星形胶质细胞脊髓背角，而在神经元细胞之间并没有出现，但是目前还并没有确切的报道。而笔者通过文献得知，脊髓Cx43的表达和磷酸化程度能够影响星形胶质细胞和神经元间的通讯功能。

4.3.3 PKC信号通路由于Cx43的作用位点位于其本身的羧基端，PKC的磷酸化程度可以使得Cx43本身发生磷酸化而影响其发挥作用，在一项体外细胞实验中，以谷氨酸培养的星形胶质细胞中，观察发现PKC的磷酸化影响了Cx43的磷酸化，并且能够作用于Cx43的Ser365位点[24]，此项实验证实模拟痛觉敏化的体外实验，所以PKC与Cx43的痛觉敏化相关实验更是我们需要进一步探索的机制之一。

5 结语

关于星形胶质细胞Cx43在痛觉敏化的研究已经成为近几年的一个热点, 尽管越来越多的实验已经证明星形胶质细胞Cx43在痛觉敏化的发生、发展中起重要的作用, 但目前痛觉敏化、神经病理性疼痛以及慢性疼痛的防治依然是医学界难以彻底攻破难题之一。

目前, 实验室中依据星形胶质细胞Cx43的作用机制, 将控制疼痛的药物分为3大类[25]：抑制胶质细胞活化类(如：氟代柠檬酸)、抑制炎性因子的药物(如：MAPK信号阻滞剂)、抗炎药物(如：TNF-α阻滞剂依那西普)，是由于大部分的药物实验都来自于动物实验，并未在临床上有很确切的疗效，也可能会产生一切无法预料的不良反应。