海马区Sigma-1R/Nrf2/ROS信号通路与神经病理性疼痛诱发焦虑情绪的关系

李薇薇，黄 诚，2

（1. 赣南医学院公共卫生与健康管理学院；2. 赣南医学院疼痛医学研究所，江西 赣州 341000）

2011 年国际疼痛研究会（International association for the study of pain， IASP）将神经病理性疼痛（Neuropathic pain， NP）定义为“由躯体感觉神经系统损伤或疾病直接造成的疼痛”［1］，影响着全世界7%～10%的人口［2］。研究发现，神经病理性疼痛为生物、生理和社会因素等的交互结果，临床上除表现为疼痛高反应外，还伴随病程进展而派生的心理障碍，如焦虑、抑郁和烦躁等，这些负面情绪可放大疼痛反应，而在其纾解后可降低疼痛的敏感性［3］。据报道，约有73.7%的神经病理性疼痛患者常伴发焦虑情绪［4］，且神经病理性疼痛临床常用药物如阿片类和其他非阿片类止痛药，与焦虑存在潜在的双向关联［5］，严重时可出现焦虑情绪的失控状态［6］。这提示焦虑情绪与神经病理性疼痛的发生发展密切相关。研究表明，神经病理性疼痛诱发的焦虑样行为可能与海马区结构发生改变有关［7］。基于此，本文主要探讨海马区Sigma-1R 可能通过Nrf2/ROS信号通路对神经病理性疼痛诱发焦虑情绪的调控作用。

1 海马在神经病理性疼痛诱发焦虑情绪中的作用

神经病理性疼痛是由外周和中枢神经系统的变化、遗传和心理因素的相互作用所产生。在神经受损后，外周受体水平的基因突变可引发细胞内受体和离子通道改变以及代谢物、缺氧、线粒体障碍等变化，从而产生神经病理性疼痛相关症状及临床表现［8］。越来越多的证据显示，线粒体功能障碍与活性氧的产生密切相关，在不同类型的神经病理性疼痛均产生明显改变。其中，线粒体膜电位降低、线粒体Ca2+缓冲破坏、线粒体形态改变或细胞应激均可增加mtROS 的表达，从而破坏氧化还原平衡并导致氧化应激，影响神经元正常功能［9］。采用活性氧（Reactive oxygen species， ROS）供体处理脊髓神经元可观察到其兴奋性增强，而鞘内注射ROS 供体可诱导大鼠的机械超敏反应［10］，这充分证明ROS 参与了神经病理性疼痛的病理过程。此外，在神经病理性疼痛啮齿类动物模型中，可观察到海马区域神经元的可塑性改变［11］，脑内积聚的活性氧可诱导神经元的死亡和血脑屏障的破坏［12］，海马、杏仁核和前额叶皮质等区域的损伤程度［13］与焦虑样情绪呈正相关，提示海马神经元形态和功能的改变和线粒体改变可能是神经病理性疼痛诱发焦虑的原因之一。研究发现，Sigma-1 受体（Sigma-1 receptor， Sigma-1R）可通过激活抗氧化反应元件等保护脑组织及部分外周组织免受氧化应激，维持细胞正常功能。与野生小鼠相比，Sigma-1R基因敲除小鼠的Müller 细胞中内源性ROS 水平升高，而谷胱甘肽耗竭［14］。然而，目前Sigma-1R 的氧化应激水平在神经病理性疼痛诱发焦虑行为中对ROS 可能产生的调控作用及机制并不清楚，需要进一步探究。

2 Sigma-1R 与神经病理性疼痛诱导焦虑情绪

2.1 Sigma-1R 分子生物学特点Sigma-1R是单次跨膜结构蛋白质，内含223个氨基酸残基，相对分子量为25 kDa，主要存在于线粒体相关内质网膜（Mitochondria-associated endoplasmic reticulum membrane， MAM）。Sigma-1R 有单聚体、二聚体和高阶低聚体之分，与配体结合仅在低聚状态下发生，激动剂可促进单聚体和二聚体的产生，而拮抗剂则有利于高阶低聚体的形成。据报道，人的Sigma-1R 与啮齿类动物的相似性超过90%［15］，广泛分布于人体组织内，比如心、肝、肾、海马和丘脑区域分布密集［16］。正常情况下，Sigma-1R 与免疫球蛋白结合蛋白（Binding immunoglobulin protein， BIP）在MAM 形成复合体。当细胞受刺激后，Sigma-1R可与BIP 解离并移位至内质网膜、线粒体膜、细胞膜和核膜等［17］部位，与诸多受体、离子通道、脂质和激酶等信号蛋白相互作用，进而调节细胞内Ca2+稳态、神经递质释放、炎症、自噬和氧化应激等病理生理过程［18］。诸多实验显示，Sigma-1R 可作为神经病理性疼痛［19］、焦虑症［15］和神经退行性疾病［20-22］等疾病的研究靶点。

2.2 Sigma-1R 与神经病理性疼痛研究发现，神经病理性疼痛的中枢效应是由初始的外周神经痛觉反应所触发。比如，在选择性坐骨神经支损伤（Spared nerve injury， SNI）大鼠模型中，神经损伤部位Sigma-1R 的表达水平可增加至Sham 组大鼠的2倍［23］；腹腔或鞘内注射Sigma-1R 拮抗剂可到达背根神经节（Doral root ganglion， DRG）及坐骨神经损伤区，进而调节脊髓背角促炎因子、小胶质细胞和星形胶质细胞的活性，与神经病理性疼痛的发展进程高度相关［18，24］。

神经病理性疼痛主要由外周敏化和中枢敏化所引起，而中枢敏化可表现为中枢神经系统突触传递可塑性的增强［25］。研究表明，Sigma-1R 一方面可增强神经系统对痛觉信息的传导和痛觉信号的放大，促进神经病理性疼痛的发生发展［26］；另一方面可调控细胞因子、趋化因子以及小胶质细胞和星形胶质细胞等神经免疫细胞间接参与神经病理性疼痛的痛觉反应［18］。在Sigma-1R基因敲除或给予Sigma-1R 拮抗剂后，可有效缓解神经病理性疼痛大鼠的痛敏行为［27］。这提示，Sigma-1R 参与了神经病理性疼痛的发生发展。

2.3 Sigma-1R与神经病理性疼痛诱发的焦虑样行为Sigma-1R 除参与神经病理性疼痛的发病进程外，还具有调控焦虑情绪的作用。在神经病理性疼痛大鼠模型中，海马区域神经元发生了可塑性变化，如慢性缩窄性损伤可导致CA1 锥体神经元的萎缩、齿状回颗粒神经元树突的增加以及树突棘密度变化［11］。外周炎症引起的自发性疼痛可破坏腹侧海马CA1-边缘下皮层通路（vCA1-1L）的连接性。有研究［28］证实，腹侧海马CA1 参与调控疼痛和情绪反应，因此，海马损伤可能是神经病理性疼痛诱导焦虑样行为的基础。进一步研究表明，焦虑情绪的产生常伴有海马体积的缩小和神经元的死亡［29］，致使Sigma-1R 的表达水平下调［30］，此外，还表现为海马多巴胺系统［31］、谷氨酸能系统［32］和氧化应激［33］等功能改变。

Sigma-1R在调节钙稳态、线粒体功能和突触信息传递，以及维持中枢谷氨酸能、胆碱能和多巴胺能等递质系统的平衡具有重要作用［17］，而Sigma-1R拮抗剂BD-1047 可有效阻断法莫替唑的抗焦虑作用［15］。此外，海马Sigma-1R 的激活可通过NR2A-CREB-BDNF信号通路改善创伤后应激障碍（Post-traumatic stress disorder， PTSD）模型大鼠的焦虑样行为［29］。可见，海马神经元形态和功能的改变是神经病理性疼痛诱发焦虑的原因之一，并且Sigma-1R 在调节焦虑情绪障碍中发挥关键作用，提示海马Sigma-1R 或可成为研究神经病理性疼痛诱发焦虑情绪的切入点。

3 Nrf2/ROS 与神经病理性疼痛诱导的焦虑情绪

3.1 Nrf2/ROS 分子生物学特点活性氧（ROS）是细胞有氧代谢的副产物，包括超氧阴离子（O2-）、羟基自由基（OH-）、过氧化氢（H2O2）和单线态氧（1O2）等［34］，在病理生理信号传导中具有重要调节作用。研究发现，线粒体、氧化酶和单氧化酶等均可产生ROS［35］，而线粒体是ROS 产生的主要场所。处于生理状态的MAM可产生低水平的ROS，而病理状态下持续高水平的ROS 则会引发氧化应激，破坏细胞内生物大分子，如蛋白质、脂质、RNA 和DNA 分子等，进而导致细胞功能障碍［36］。研究表明，核因子E2相关因子2（Nuclear factor E2-related factor 2， Nrf2）是调控ROS 的重要转录因子［37］，在维持细胞代谢和氧化平衡中发挥关键作用［14］。Nrf2 主要与细胞质的Kelch 样环氧氯丙烷相关蛋白1（Kelch-like ECHassociated protein 1， Keap1）结合，通过26S蛋白酶体降解来维持机体的正常生理功能。当细胞受到氧化应激或亲电子体刺激时，Nrf2 与Keap1 解离后移至细胞核，与抗氧化反应元件（ARE）结合，启动广泛的细胞保护基因的转录过程，如血红素加氧酶-1（HO-1）、苯醌氧化还原酶-1（NQO1）和超氧化物歧化酶（SOD）等，进而抑制ROS的生成［38］。

3.2 Nrf2/ROS与神经病理性疼痛ROS的过度生成可诱导线粒体功能障碍，引发Ca2+的释放和半胱天冬酶的激活，进而促进神经元凋亡。损伤部位的神经元凋亡通常刺激小胶质细胞释放促炎介质和细胞因子，引起外周敏化［39］，进而加速神经病理性疼痛的发生发展进程［40］。研究表明，Nrf2 在神经病理性疼痛大鼠的背根神经节（DRG）［41］、脊髓［42］和海马［43-44］中表达降低。电针通过Nrf2 抗氧化信号通路抑制氧化应激产物，进而缓解紫杉醇诱导的神经病理性疼痛大鼠的机械和热痛敏［45］；白花丹素通过上调Nrf2 缓解坐骨损伤慢性压迫损伤模型（Chronic constriction injury of the sciatic nerve，CCI）诱导的神经病理性疼痛［41］；含溴结构域蛋白4（Bromodomaincontaining protein 4， BRD4）的沉默可引起Nrf2 的活化，抑制ROS 的产生和表达，从而减轻长春新碱诱导的神经性病理性疼痛［46］。因此，Nrf2/ROS 在神经病理性疼痛中具有重要的调控作用。

3.3 Nrf2/ROS 与神经病理性疼痛诱发的焦虑样行为在创伤应激诱导的焦虑模型大鼠中观察到脑水平Nrf2 表达降低、线粒体氧化磷酸化水平异常升高以及ROS 增多，进一步引发细胞凋亡并诱导焦虑样行为，给予Nrf2 激动剂后可缓解这一情绪障碍［27］。进一步研究发现，给予Nrf2 激动剂亦可通过调控抗氧化途径缓解神经病理性疼痛并改善其诱发的焦虑情绪［42，47］，提示Nrf2/ROS 不仅参与神经病理性疼痛的进程，还与焦虑情绪的调控密切相关。

4 Sigma-1R/Nrf2/ROS 信号通路在神经病理性疼痛的研究进展

研究表明，Sigma-1R 可通过调控Nrf2 干预ROS的生成，进而有效缓解可卡因引起的行为敏化［48］。应用Sigma-1R 激动剂能显著增加Nrf2 表达［49］，减少氧化应激，比如，在缺血性脑卒中［50］和视网膜退行性病变［51］中，Sigma-1R 激动剂可通过激活Nrf2 而发挥神经保护作用。然而，Sigma-1R 是否可通过Nrf2调控ROS 信号通路在神经病理性疼痛诱发焦虑的研究甚少，且作用机制尚不明确。特别值得注意的是，在神经病理性疼痛与焦虑情绪模型中均出现Nrf2 表达降低和ROS 水平升高的现象，而Sigma-1R在神经病理性疼痛与焦虑情绪模型则呈现相反的趋势。具体表现为：Sigma-1R 在神经病理性疼痛模型动物神经系统中表达上调，主要通过外周神经损伤部位的胶质细胞和免疫细胞诱导外周敏化，进而引发中枢敏化并促进疼痛的发展［18］，而Sigma-1R 拮抗剂可以剂量依赖方式缓解痛敏反应。然而，在焦虑样行为模型中，Sigma-1R 在情绪障碍相关的脑组织中表达反而降低，但给予Sigma-1R 激动剂后可有效减少相关神经元的死亡并改善焦虑样行为［29］。由于不同脑区Sigma-1R 的调节功能和作用机制存在差异，推测Sigma-1R 的表达差异有可能取决于不同脑区和特异性信号通路。进一步研究发现，给予正常小鼠注射Sigma-1R 激动剂后可诱发痛觉过敏行为［27］，这说明Sigma-1R 可能存在双重调控作用，但还需相关实验加以证实。

5 小结与展望

神经病理性疼痛诱导的焦虑样行为出现在造模后的2～4 周，而抑郁样行为常出现在6～8 周左右。因此，神经病理性疼痛的首发情绪障碍和焦虑样行为转化对神经病理性疼痛的发生发展具有重要影响。近年来，靶向胶质细胞的干预策略已越来越受到关注，如能阐明海马Sigma-1R/Nrf2/ROS 信号通路参与神经病理性疼痛诱发焦虑情绪的作用机制，也许可为寻找神经病理性疼痛和焦虑情绪的共同调控因子以及开发临床治疗药物提供新思路。