骨质疏松慢性疼痛的分类及其与溶酶体-VNUT-ATP的关系

刘树华 王若琳 陈桐莹 赵宇 王世浩 张桂鑫 黄宏兴 万雷*

1.广州中医药大学第三临床医学院，广东 广州 510405 2.广州中医药大学第六临床医学院，广东 深圳 518034 3.广州中医药大学第三附属医院，广东 广州 510375

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种以骨骼强度下降为特征的骨骼疾病，其特点是骨量丢失、骨微结构破坏，进而增加骨脆性和骨折的风险[1-2]。2018年一项涉及全国11个省份44个县的OP流行病学调查发现，65岁以上的人群中患OP的概率高达32.0%，女性发病率为51.6%[3]。OP初期的临床表现往往不明显，常常被人忽略，因此OP被认为是“寂静的疾病”，随着骨量下降和骨微结构的破坏，患者开始出现骨痛、脊柱变形，甚则出现骨质疏松性骨折[4]。研究发现，当OP患者骨量丢失达到12%时就有可能会出现骨痛症状，以局限性腰背痛多见，这种疼痛往往会在变换体位、长时间行走、负重活动后加重[5-6]。疼痛是骨质疏松症最可怕的并发症之一，大约85%的骨质疏松症患者遭受骨痛的困扰[7]。疼痛同样是OP最直接、最明显的症状，是OP患者就诊的主要原因之一。Kazuki等[8]对113例OP伴腰痛患者使用Pain DETECT问卷进行疼痛类型调查，发现该群患者中有85%表现为伤害性疼痛，15%表现为神经性或混合性疼痛。虽然在OP的治疗中，临床医师对骨密度的变化情有独钟，但就患者而言，关注疼痛可能更有意义。对此，本文就OP慢性疼痛的类型的研究进展作一简要综述，并阐述参与OP慢性疼痛的其中一条途径：溶酶体-VNUT-ATP，希望对OP慢性疼痛的治疗及基础研究有所帮助。

1 骨质疏松症慢性疼痛的危害

OP慢性疼痛往往是长期存在的，国际疼痛研究协会将以下两种情况定义为慢性疼痛，分别是：①组织急性损伤后疼痛持续存在且超过1个月；②疼痛反复作且时间超过3个月[9]。不论是单纯的OP疼痛还是OP引起的骨折都容易发展成慢性疼痛。

有调查显示，慢性疼痛是影响日常生活活动能力(activities of daily living，ADLs)的重要因素，30%～50%遭受慢性疼痛的患者的ADLs评分出现不同程度的下降，而且约1/4的慢性疼痛患者遭受着失眠的困扰，此外，慢性疼痛也会导致不良情绪的发生[10-11]。单纯的OP疼痛并不危及生命，但会从生理、心理和精神上严重影响患者，导致运动功能丧失、身体残疾和自卑，同时会诱发抑郁症和焦虑症[12]。OP患者若治疗不及时，会导致患者对阈下刺激异常敏感，诱发异常性疼痛，即痛觉超敏[13]。一旦造成痛觉超敏，患者所承受的疼痛将会被放大，形成一个恶性的循环，严重影响OP患者的生存质量。

2 骨质疏松症慢性疼痛的机制及疼痛类型

目前引起OP疼痛的具体机制仍未被阐明，综合目前的研究，主要原因有以下几点：①破骨细胞活性增加；正常状态下，成骨细胞与破骨细胞的活性处于平衡状态，OPG/RANK/RANKL就是此平衡的重要调节通路之一。OP状态下，破骨细胞的活性增加，骨质被破坏，大量刺激因子被释放，进而诱发疼痛；②随着OP进展，骨强度降低，在机械应力的作用下发生微骨折，这种疼痛主要发生在劳累之后；③OP会导致骨骼畸形，肌肉与骨骼的生物力学发生变化，加之老年人肌肉力量减退，肌肉受力异常或长期处于紧张状态会造成肌肉疲劳、痉挛和疼痛；④随着骨强度进一步下降，一旦OP患者发生脆性骨折，会产生剧烈的疼痛；⑤骨小梁微细结构断折后，微血管发生改变，导致微血管破裂，形成血窦，而使内部压力增高，进而诱发疼痛[14-15]。

大脑感受疼痛，需要产生痛觉信号，而痛觉信号产生的机制是有区别的，一种是神经回路正常，伤害感受器感受到伤害性刺激而向中枢传递，此类疼痛为伤害感受性疼痛；另一种是周围神经或中枢神经受损，病变的神经在其末端自发地释放刺激信号，此类疼痛称为神经病理性疼痛[16]。

骨骼受周围神经系统密集支配，在骨膜中感觉神经纤维呈渔网状排列来检测皮质骨的机械性刺激或化学因子的刺激。研究证实，支配骨骼的感觉神经纤维主要有以下两种：①原肌球蛋白受体激酶A阳性感觉神经纤维；②降钙素基因相关肽表达阳性的感觉神经纤维，这些感觉神经并不会因为年龄的增加而减少，但是随着OP患者骨量的下降，支配骨骼的感觉神经纤维反而越来越密集，这可能是OP疼痛产生、加重和迁延的重要原因[17]。

OP不论骨折发生与否都可诱发疼痛，骨代谢失衡下，破骨细胞活跃，其细胞膜上的V-ATPase蛋白被激活，释放H+至细胞外，完成骨吸收的同时，也造就了一个酸性环境，感觉神经元上的伤害感受器受到pH降低的影响，会过度表达瞬间受体电位香草素1(TRPV1)和酸敏离子通道3(ASIC-3)，进而引起疼痛。因此，部分学者认为OP疼痛是骨吸收痛，而长期的刺激会使传入神经及中枢神经敏化，进一步加重OP疼痛[18]。当OP引起骨折时，局部组织受损，局部释放大量因子，刺激骨膜上感觉神经并诱发疼痛，同样会敏化支配骨骼的初级传入神经[19]。因此，神经敏化在OP患者中十分常见，研究表明，与皮肤或肌肉损伤相比，骨骼损伤似乎更容易导致中枢敏化[20]。

虽然目前没有直接证据说明OP或骨质疏松性骨折会直接损伤周围神经，但作为对诱发疼痛一系列病理条件的反应，N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid，NMDA)受体和小胶质细胞会被激活。正常情况下，NMDA受体被Mg2+阻断，然而，在持续的刺激下，这种保护机制会被移除，从而引发神经病理性疼痛[13]。小胶质细胞是中枢神经系统中固有的免疫细胞，具有两面性，当神经元细胞急性损伤时，小胶质细胞被激活而获得吞噬功能，这种吞噬功能可以减轻继发性损伤，同时使受损组织得到修复，但在慢性炎症中，小胶质细胞被长期激活，反倒会加重神经损伤，因此小胶质细胞是神经性疼痛机制的核心参与者，同时也是中枢敏感化的主要原因，是治疗慢性疼痛状态的潜在靶标[21-22]。

因此，OP慢性疼痛除了包含伤害感受性疼痛，也有可能与神经病理性疼痛密切相关，若治疗不及时会导致周围神经及中枢神经敏化，进一步加重OP慢性疼痛[23]。

3 溶酶体-VNUT-ATP在OP慢性疼痛中的作用

3.1 三磷酸腺苷参与慢性疼痛

三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)是参与生化途径的自由能来源，研究发现，ATP不仅是生命活动所需能量的直接来源，ATP及其水解产物还可以作为细胞间信使，调节各种生理和病理现象，同时ATP可以充当神经递质，在神经元之间传导冲动，与慢性疼痛的形成密切相关[24-25]。

当骨组织受损时，骨基质会释放大量刺激因子，其中包括神经生长因子(nerve growth factor，NGF)、细胞炎症因子(TNF-α、IL-1β、IL-6)、前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)、ATP、降钙素基因相关肽(calcitonin gene related peptide，CGRP)等，这些因子都会导致疼痛的发生。而且组织损伤和短期炎症导致急性疼痛时，一些特异性蛋白分子高表达，包括TRPV1受体蛋白、Nav l.8通道蛋白和P2X3受体蛋白，P2X3是P2X受体家族中的一员，ATP可以与P2X3蛋白特异性结合，传导下游信号，相关研究证实，ATP和P2X3受体与疼痛的产生和传递密切相关[26]。此外，ATP可以诱导脊髓背角处小胶质细胞的激活，ATP被证实参与神经病理性疼痛的增强和传递，阻断嘌呤能化学传递是控制神经病理性疼痛的有效手段[27]。另外，Takahiro等[20]通过实验证实，脊髓背角(SDH)神经周围ATP含量增加会导致痛觉超敏。

综上所诉，ATP参与伤害感受性疼痛及神经病理性疼痛的产生，减少ATP的释放对慢性疼痛具有治疗效果。

3.2 ATP的转运需要VNUT和溶酶体

虽然ATP是属于小分子物质，但带有高度的负电荷，不能通过自由扩散的方式直接穿透细胞膜作用于细胞外受体，目前已知ATP至少可以通过3种不同的途径从细胞中释放至细胞外：胞吐作用、通道介导的释放和细胞破裂。胞吐是释放ATP的其中一个方式，而释放ATP需要载体，细胞内含有大量的囊泡，几乎所有细胞中的所有囊泡中都包含ATP，但不同类型的囊泡ATP的含量有着显著的差异。

喹啉是吖啶衍生物，对ATP有很高的亲和力，溶酶体关联膜蛋白1(LAMP1)是一种高度糖基化的溶酶体膜糖蛋白，可标记溶酶体，Jung等[28]通过对背根神经节神经元进行喹啉染色和LAMP1共染色，发现溶酶体含有大量的ATP，证实了溶酶体是ATP的重要载体，进一步观察发现不同溶酶体中ATP含量差异较大，可能与溶酶体种类不同有关。溶酶体是一种细胞器，除成熟的红细胞外，在所有的动物细胞中均有分布，其功能是降解蛋白质和细胞器，在吞噬和自噬中发挥重要作用，最近研究发现，与普通溶酶体相比，分泌型溶酶体的额外功能是能够调节胞吐作用，其ATP含量更高[29-30]。

ATP进入溶酶体需要特定的通道蛋白，囊泡核苷酸转运蛋白(vesicular nucleotide transporter，VNUT)是SLC17有机阴离子转运蛋白家族中最后一个被发现的成员，也称为SLC17A9，VNUT在ATP的储存与释放中起核心作用[31]。VNUT在各种细胞中广泛表达，包括神经元细胞、神经胶质细胞、上皮细胞、巨噬细胞、T细胞等。敲除VNUT后小鼠脊髓背角神经元通过囊泡释放ATP的主要机制被取消，神经病理性疼痛及痛觉敏化被明显抑制，而且这种敲除并不会影响小鼠的生理感觉[20]。不仅如此，敲除VNUT的小鼠，它们在体重、身体大小、形态学、食物和水的摄入量、运动活动、呼吸交换率以及在开阔场地和迷宫中行为均与正常小鼠无明显差别[32]。

氯膦酸盐是第一代无氮双膦酸盐(non-nitrogen bisphosphonate，NNBP)，1969年被发现后一直用于治疗OP，在使用中发现氯膦酸盐还有很好的镇痛作用，通过进一步研究发现，氯膦酸盐是一种对VNUT选择性强且有效的抑制剂，能抑制神经元释放ATP，减轻嘌呤能化学传递引起的炎症性疼痛和神经病理性疼痛，与目前治疗神经病理性疼痛的一线用药(普瑞巴林等)相比，它的疗效更强、起效更快、持续时间更长[27]。通过研究氯膦酸盐对VNUT的作用机制发现，VNUT需要Cl-作为变构激活剂，而氯膦酸盐会与Cl-共同竞争变构调节位点，从而介导了一种完全可逆的抑制作用[31]。研究发现，氯膦酸盐的镇痛作用更加体现在对神经病理性疼痛的抑制上，静脉注射氯膦酸钠可使神经病理性疼痛减轻约60%[27]。

VNUT与液泡质子ATP酶(V-ATPase)发生能量偶联。V-ATPase广泛分布在真核细胞的质膜和各种膜结构细胞器，其本质是一种质子泵，通过水解ATP提供能量，H+会被转运至囊泡内，形成pH梯度及电压梯度，不同的囊泡转运蛋白对这两种电化学梯度的需求不同。研究发现，对于溶酶体上的VNUT蛋白，转运带负电荷的ATP的主要驱动力是电压梯度，而pH梯度提供次要驱动力，相反，SLC18亚家族成员主要依靠pH梯度运输带正电荷的底物(如单胺和乙酰胆碱)[33]。

在V-ATPase提供电压梯度的驱动力下，ATP通过VNUT多聚体蛋白通道转运至溶酶体中，然后通过胞吐的方式将ATP释放至细胞外，ATP在细胞外会迅速被碱性磷酸酶水解成ADP、AMP及腺苷，而ATP、AMP、腺苷分别会激活感觉神经的P2X受体、P2Y受体及P1受体，进而向中枢传递痛觉[34]。氯膦酸盐相对于目前常使用的含氮双膦酸盐，其抗骨质疏松的效果较弱，但是可以借鉴氯膦酸盐的镇痛机制，用于研发兼顾良好的抗骨吸收和镇痛作用的抗骨质疏松药物。

4 小结

现阶段引起OP慢性疼痛的具体机制仍未阐明，OP慢性疼痛中既包括了伤害感受性疼痛，同时可能存在神经病理性疼痛，若治疗不充分，可能诱导疼痛超敏，进一步导致疼痛持续和加重。长期遭受慢性疼痛的患者，其患抑郁、焦虑等精神疾病的概率增加，治疗时应当关注患者的心理状态。

目前抗骨质疏松症的药物主要分为抑制骨吸收和促进骨形成两种，抑制骨吸收的药物主要有：双膦酸盐类、降钙素类、雌激素类、选择性雌激素受体调节类等；促进骨形成的药物主要有甲状旁腺类似物、锶盐、活性维生素D及其类似物和RANKL抑制剂等。研究证实，通过抑制骨吸收或者直接抑制感觉神经元的活化可以降低OP慢性疼痛，因此抗OP的药物能缓解疼痛，特别是降钙素，常用于OP及骨折引起的骨痛，但是降钙素也存在一定的不良反应，目前认为降钙素会增加肿瘤的风险，并不适合长期使用[8,35]。对于长期忍受疼痛超敏的患者，额外的止痛药是必要的。非甾体抗炎药(NSAIDs)和选择性COX-2抑制剂可减轻急性疼痛，但对神经病理性疼痛的疗效较差，且有相应的不良反应[34]。因此要明确遭受OP慢性疼痛的患者是否存在神经病理性疼痛，对于骨质疏松症引起的疼痛应当根据疼痛的类型使用多模式镇痛方案，但目前尚未有针对OP疼痛的治疗指南。

ATP作为生物体内的能量物质，同时也是一种信号分子，在神经系统中可以充当神经递质传递疼痛，溶酶体-VNUT-ATP是细胞释放ATP的其中一个途径，溶酶体作为ATP的载体，VNUT是ATP进入溶酶体的通道蛋白，而ATP进入溶酶体需要V-ATPase酶提供能量。抑制这条途径的任意一个节点，都可以抑制ATP的释放，有效抑制疼痛的传递和神经病理性疼痛的产生。氯膦酸盐作为第一代无氮双膦酸盐，除了具有抗骨质疏松的作用，还具有明显的镇痛作用，其镇痛作用就是通过抑制VNUT的活性来实现的。如前所述，抑制骨吸收或降低神经元的敏感性都能发挥镇痛作用，氯膦酸盐同时存在这两种镇痛机制，但是氯膦酸盐抑制骨吸收的能力远不及目前的含氮双膦酸盐而逐渐被淘汰，因此溶酶体-VNUT-ATP这一途径值得深入研究，期待兼顾良好的抗骨吸收和镇痛作用的抗骨质疏松药物的问世。