中脑导水管周围灰质腹外侧区中γ-氨基丁酸受体在疼痛调节中作用的研究进展*

张秉宸 马克涛 罗 淑

（石河子大学医学院临床医学系，石河子 832003）

疼痛病人一直都遭受着痛苦，随着人们对镇痛的研究，现代镇痛技术相比过去已经有了长足的发展。中脑导水管周围灰质腹外侧区 (ventrolateral periaqueductal gray, vlPAG) 是神经系统中调节疼痛感受的关键部位，γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA) 受体则是其中介导抑制作用的靶点，可以和多种具有抑制性或麻醉效应的神经递质结合并发挥效应。研究vlPAG 中的GABA 受体对于寻找治疗疼痛的方法有着重要意义。对于中脑导水管周围灰质 (periaqueductal gray, PAG)及其中的vlPAG，Fields 等[1]和陈涛等[2]已阐明它们的结构，Bandler等[3]认为在疼痛的调节过程中，vlPAG 扮演了重要角色。目前认为它的功能主要是参与镇痛和对多种活动进行抑制，Reichling 等[4]和Yin 等[5]分别研究了处于疼痛调节通路中的PAG 与vlPAG。而对于GABA 及其受体，赵志奇[6]曾表明GABA 在中央神经系统中有着重要地位。后续又有研究分别对不同的GABA 受体进行了研究[7～11]。Bowery 等[12～14]的研究也较系统性地阐明了GABA 受体的种类。

关于vlPAG 中GABA 受体的调控机制与功能的研究对未来在分子层面揭示更多GABA 受体调控疼痛感受的机制有重大意义。目前国内外有关vlPAG 中GABA 神经元以及相关受体在疼痛调节中发挥作用的文献数量较少，较零散。本文主要对哺乳动物vlPAG 中的GABA 受体的种类、构造及其生理学与药理学特性进行一些阐述介绍，对国内外的有关研究进行总结归纳，给未来研究vlPAG 在疼痛调节中的作用与相关机制提供一定的理论基础。

一、PAG 与vlPAG 的基本情况

1. PAG 和vlPAG 的结构

PAG 是中脑被盖和顶盖之间的一片环形区域，和其他脑区之间具有广泛的功能和活动联系，例如PAG 会向中缝大核投射神经元，也会接受外侧缰核向PAG 投射来的神经元[11]。近些年，研究已证实vlPAG 在疼痛的调节过程中起着主要作用，是传递温度和疼痛感觉的上行通路，也是中枢神经系统疼痛下行调控系统中的一个关键核团，大量的GABA能神经元分布其中。

GABA 是CNS 中主要发挥抑制性作用的神经递质[6]，它主要是通过GABA 受体来调控神经元分泌出抑制性、兴奋性或者其他神经递质。GABA 的受体包括：GABAA、GABAB和GABAC[12～14]。GABAA受体主要作用是介导阶段性和持续性的抑制作用[15]，vlPAG 中大部分的GABA 受体以GABAA受体为主。GABAB受体也与GABAA受体一样参与调节源于PAG 的下行抑制系统功能[16～18]。这三种受体的蛋白质结构已被阐明。除了应答GABA，它们还可与荷苞牡丹碱、丙泊酚、巴氯芬、5-羟色胺等配体反应。这些受体各自的亚单位存在着一些差异，因此产生了不同的受体亚型，如GABAA受体的α1和α3亚单位，这些受体的亚单位在疼痛调节中发挥的作用也有相关实验研究，例如其表达量与疼痛感受阈值之间的变化关系。

PAG 是由一簇小神经细胞围绕着中脑导水管形成的灰质层[1,19]，它可以依据细胞集群结构的不同划分其为四个亚核（见图1），即由四个向吻尾方向延伸的纵形柱状结构相合而构成PAG（见图2）。这四个亚核是PAG 的腹外侧区 (vlPAG)、外侧区 (lateral column of the PAG, lPAG)、背外侧区(dorsolateral column of the PAG, dlPAG) 与背内侧区(dorsomedial column of the PAG, dmPAG)[2]，其中与疼痛调节相关的主要是lPAG 及vlPAG[20]。近几十年的研究表明，在疼痛的调节过程中，vlPAG 扮演了重要角色[21]。

图1 PAG 平面模式图 [21]

图2 PAG 立体模式图 [2]

2. vlPAG 疼痛调节通路中的作用

vlPAG 在疼痛调节通路中既可以作为上游脑区，如vlPAG-DRN 通路和vlPAG-RVM 通路；也可以作为下游脑区，如蓝斑-vlPAG 通路、外侧下丘脑-vlPAG 通路、CeA-vlPAG 通路、dlOFC-vlPAG 通路、dmPFC-vlPAG 通路。其中，vlPAG-RVM 通路和dmPFC-vlPAG 通路是GABA 能通路。

王擒云等[22]在vlPAG 微量注射丙泊酚引起了痛觉过敏，并在RVM 注射荷苞牡丹碱拮抗了痛觉过敏，发现RVM 的GABAA受体在其中起到了中继作用，推测在大鼠的RVM 或vlPAG 给予GABAA受体的拮抗剂荷苞牡丹碱可产生伤害抗性[23]，其可能是通过去抑制作用间接激活了下行抑制系统。而在大鼠的RVM 或vlPAG 给予GABAA受体激动剂会引发的痛觉过敏作用[23,24]，可能是因为激活了位于RVM 和vlPAG 的GABAA受体，从而抑制了痛觉下行抑制系统的功能，而“易化系统”的功能相对增强，RVM 伤害性感受神经元的兴奋阈值降低。

PAG 中存在两个痛觉的调节系统，一个是包含dlPAG、dmPAG 和lPAG 的背侧系统，另一个是包括vlPAG 和中缝核团的腹侧系统[25]。PAG 中含有广泛的 GABA 能神经元网络，它会接收包括黑质和腹侧被盖区等多个脑区的GABA[26,27]。PAG 中还有着大量GABA 能抑制性中间神经元，可调控PAG传出通路的活动。Reichling 等[4]将示踪剂注射到中缝大核和脊髓，发现从中缝大核到PAG 的GABA能神经元占1.5%，从脊髓到中缝大核外侧的GABA能神经元占15%，由此可见GABA 能投射是PAG-中缝大核-脊髓通路的一个组成部分。后续Reichling等[28]还观察到PAG 神经元轴突终末约有40%为GABA 能阳性，检测到 PAG 中的GABA 能神经元与50% PAG 至中缝大核投射神经元的树突和胞体发生纤维联系，这表明GABA 能神经元可直接调控PAG 至中缝大核投射神经元的活动。

Yin 等[29]通过基于狂犬病毒的跨突触追踪方法，显示出一条从背内侧前额叶皮质(dmPFC)到vlPAG 的兴奋性下行神经通路，通过光遗传操作特异性激活dmPFC-vlPAG 通路可以在慢性疼痛的小鼠模型中产生镇痛效果。而且Yin 等[29]还发现该通路中vlPAG 的GABAA受体参与了慢性疼痛和负面情绪的启动和维持，所以对通路使用GABAA受体拮抗剂也会产生镇痛效果。

二、vlPAG 中各种GABA 受体的亚型在疼痛调节中作用机制的研究成果

1. vlPAG 中的GABA 受体

研究发现GABA 能神经元占大鼠中脑里全部神经元的50%，表明在哺乳动物的CNS 中，GABA是非常重要的抑制性神经递质。Xie 等[7]发现，激活vlPAG 的GABA 能神经元会显著降低机械刺激或由完全弗氏佐剂 (complete freund's adjuvant, CFA)引起的疼痛的痛阈，导致机械性痛觉超敏；而抑制则会显著增加对热刺激的退缩潜伏期，降低对热刺激的敏感性，对机械刺激或CFA 引发的机械痛觉超敏反应也会减弱。那么GABA 受体在vlPAG 中也有着相应的重要地位与疼痛调节作用。vlPAG 里的GABA 受体有 GABAA、GABAB与 GABAC三类。

2. vlPAG 中的GABAA 受体

2.1 GABAA受体结构

vlPAG 中大部分GABA 受体为GABAA受体[30]，它可以介导前脑中大部分的快速突触抑制反应。GABAA受体是一种大分子蛋白复合体，由Cl-门控通道、GABA 识别点与苯二氮䓬识别点构成，属配体门控离子通道超家族，它的中心离子传导通道由同源亚基环绕而成[31]。GABAA受体是五边形异质多肽寡聚体，由5 个位于神经细胞膜中的亚基组成，其中心部位的 GABA 门控Cl-通道直径为0.5 nm（见图3）。

图3 GABAA 受体模式图 [32]

2.2 vlPAG 中的GABAA受体在疼痛调节中的作用机制

（1）GABAA受体和GABA 的相互作用

GABAA受体和GABA 结合后，Cl-通道被激活，细胞外的Cl-内流使神经细胞内发生超极化而导致突触后抑制作用，中枢神经兴奋性因此被降低。

（2）GABAA受体和丙泊酚的相互作用

GABA 受体可以在多种麻醉镇痛药作用的靶点CNS 中起抑制性作用。由于起效快、效果清除快、不良反应少等优良特性，近年来，在临床麻醉镇痛中，丙泊酚的应用十分广泛。GABA 和GABAA受体的相互作用可以被丙泊酚增强，Patten 等[33]报道0.3～100 μM 浓度的丙泊酚和亚最大剂量下的GABA激发的效应正相关，同时可以左移GABA 浓度-反应曲线。在培养的神经元细胞中可以发现，1～10 μM的丙泊酚对亚最大剂量下的GABA 激发的电流以非电压依赖的方式进行了强化，显示出丙泊酚对GABAA受体的作用。Hara 等[34]通过全细胞膜片钳技术观察了来自大鼠的海马锥形神经元细胞，发现当这些细胞的膜电压处在-60 mV 时，给予这些细胞GABA 会诱发内向电流使细胞发生超极化，而给予10 μM 的丙泊酚会增大这一电流，并使GABA 的浓度-反应曲线发生左移，说明丙泊酚会提高哺乳动物CNS 中GABAA受体调控的抑制反应。

丙泊酚对GABAA受体的作用主要表现为[35]：在2～100 μM 的浓度范围内，丙泊酚可使由GABA诱发的全细胞电流增加；在100～2000 μM 的浓度范围内，丙泊酚能够使GABAA受体被直接激活；当浓度超过2000 μM 时，丙泊酚对GABAA受体具有非竞争性的抑制效应。丙泊酚在临床浓度下对GABA 诱导的内向电流的增强作用并非增加离子通道的平均开放时间，而是增加其在单位时间内的开放频率。

GABAA受体上，丙泊酚的作用位点主要是其β 亚单位。Fukami 等[36]用苯丙氨酸取代了GABAA受体β2亚单位的酪氨酸位点，结果表明，丙泊酚直接激活这种突变GABAA受体的量效曲线右移，可以表明丙泊酚主要作用的位点在GABAA受体β 亚单位。

（3）大鼠vlPAG 中GABAAα1和GABAAα3亚型受体表达水平与大鼠疼痛阈值变化的关系

神经病理性疼痛 (neuropathic pain, NP) 是一种慢性病理性疼痛，以病人感觉异常、自觉痛感和痛觉过敏甚至超敏为特点。NP 发病的机理和突触前抑制作用减弱有关[37]。研究表明GABAA受体介导了NP 信号传输过程中的中枢抑制性传导通路[38]，而GABAA受体是GABA 实现在疼痛传导中作用的主要媒介。据Ho 等[8]报道，在大鼠坐骨神经分支选择性损伤 (spared nerve injury, SNI)模型疼痛传导过程中PAG 发挥着重要作用。其中vlPAG 抑制了脊髓背角疼痛刺激的传递[39]。Goudet 等[9]通过建立大鼠的SNI 模型模拟NP，术后测定大鼠的机械刺激缩足反射阈值 (mechanical withdrawal threshold,MWT)，应用蛋白免疫印迹法来检测vlPAG 处GABAA受体α1 蛋白相对表达量的变化，发现NP 组大鼠的vlPAG 中GABAA受体α1 蛋白相对表达量为假手术组（S 组）大鼠的2 倍，但NP 组大鼠的MWT 却仅为S 组大鼠的十分之一。可见大鼠vlPAG 中GABAA受体α1 蛋白相对表达量与MWT 呈负相关。

冀玉萍等[40]同样建立了大鼠SNI 模型研究雌性和雄性大鼠NP 过程中vlPAG 区域GABAAα3受体变化的性别差异，发现术后雌性大鼠的冷痛感受阈以及MWT 均比雄性大鼠的MWT 和冷痛感受阈低，而雌性大鼠GABAAα3受体蛋白表达水平高于雄性大鼠的表达水平。因此可推测GABAAα1受体和GABAAα3受体可能参与vlPAG 对NP 传导的调控机制，在NP 过程中两种受体蛋白的表达水平均上调，还存在性别差异。

3. vlPAG 中的GABAB 受体

3.1 GABAB受体结构

GABAB受体是一种非典型的C 族G 蛋白偶联受体 (G-protein coulpled receptor, GPCR)。典型的GPCR 多为同源二聚体，每个亚基都包含三个功能结构域：胞外配体结合域 (extracellular binding domain,ECD)、七次跨膜结构域 (hepat-helical domain, HD)和连接以上结构的半胱氨酸富集区域 (cysteine rich domain, CRD)[41]。

3.2 GABAB受体在疼痛调节中的作用机制

（1）GABAB受体应答GABA 的作用机理

GABAB受体无论在突触前后都参与对GABA的应答。其中，一般参与对邻近突触释放GABA 的GABAB受体在突触前；一般对突触前释放的GABA产生应答的GABAB受体在突触后。GABA 作用于GABAB受体时，需要经过与GABAB受体-G 蛋白偶联的钾离子、钙离子通路和腺苷酸转化酶来形成应答效应。与P/Q 和N-型通路相关的此效应发生在突触前；此效应若显示为钾离子转导增强，但钙离子转导的减少则发生在突触后[42]。

（2）GABAB受体和巴氯芬之间的相互作用

形态学研究发现GABAB受体广泛分布于CNS。并且还在电镜水平证实了CNS 突触的前膜与后膜上广泛分布着GABAB受体[9,43]。

突触后膜的GABAB受体与胞内G 蛋白和胞膜上的钾通道偶联。当巴氯芬激活GABAB受体后，引起突触后膜的钾离子通道打开，同时由于细胞内钾离子含量超过胞外，引起细胞内的钾离子沿浓度梯度外流，导致细胞膜发生超极化，引发抑制性突触后电流。刺激vlPAG 神经元内膜上的GABAB受体，可将与G 蛋白偶联的内向整流的钾离子通路打开[44]。

在突触前膜，GABAB受体和在突触前膜上的钙离子和钾离子通道偶联。在GABAB受体被巴氯芬激活之后，电压门控的钙离子通路会完全封闭，减少钙离子内流。同时，钾离子通道被激活，使钾离子外流，钾离子通道的作用与突触后膜相似，但对释放的影响不大。这样，刺激突触前膜的GABAB受体，最终结果是减少神经元细胞递质的释放，神经介质可以为唤起性神经介质或抑制作用神经递质受体[9]。

另外，丛丽娜等[45]发现巴氯芬可能会在NP 状态下磷酸化GABAA受体的γ2亚基来抑制其功能，即巴氯芬在发挥作用时会激动GABAB受体而抑制GABAA受体，这平衡机体对伤害性刺激的感受，既能保证感受的传入又能避免信号过于强烈。

（3）GABAB受体和5-HT 的相互作用

GABAB受体和5-HT 也有直接相互作用。在中枢内源性镇痛系统中，最主要的神经递质是5-HT，尤其是自RVM 发出的向脊髓背角投射的末端含有大量5-HT[46]。PAG 内有同时存在GABAB受体与5-HT的神经元，而GABA可能会抑制5-HT能神经元。

4. vlPAG 中的GABAC 受体

GABAC受体虽然和GABAA受体一样属于配体门控离子通路家族，但它对于GABAA受体的特异性拮抗剂荷包牡丹碱与GABAB受体的特异性激动剂氯苯氨丁酸都不敏感[1]。

作为五聚体的GABAC受体的中间是一个Cl-通道（见图4）。每个亚单元通过4 次跨膜，产生4 个跨膜结构域，同时，1 个较大的N-端结构域在细胞外，1 个细胞内环在第3 个和第4 个跨膜结构域中间，1 个胞外C-端结构域在第4 个跨膜结构域的后面（见图5）。胞外N-端结构域有配体与结合各种调节物质的位点，其中包括可以促进配体相互结合和通道门开放相偶联的Cys-Cys 环。对氯离子有选择通透性的通道由5 个TM2集中在孔周围的亚单元组成，且细胞内环为其提供了一个结构域。大鼠的ρ1亚单元的M2是跨膜区里面的一个苏氨酸(threonine, Thr)，而其ρ2亚单元则是一个甲硫氨酸(methionine, Met)，因此，ρ1与ρ2亚单元所形成的GABAC受体对印防己毒素的阻断不敏感。

图5 ρ1 亚单位分子结构模式图 [47]

ρ1亚单元实现同源组装的重要序列是其N 末端的70 个氨基酸 (137～206)。这段序列不能和ρ2相互产生作用，使得由不同信号引导的ρ1亚单元会分别形成同源或异源寡聚体[48]。还有研究曾证明ρ1亚单元可和位于脑部和脊髓中GABAA受体的γ2亚单元构成重组型GABA 受体，而这种重组型GABA受体有着相比GABAA和GABAC受体独特的药理学和电生理学特征[49]。ρ1亚单位也许是GABA 受体中一个独特的亚单位[10]，由ρ1亚单位所组成的GABAC受体比GABAA受体对GABA 更敏感，通道的释放持续时间也更久，使得脱敏作用较不明显。此外，GABAA受体的调节物：苯二氮䓬、巴比妥、神经固醇类化合物对GABAC受体不起作用[50]。在实验中发现，被敲除ρ1基因的实验小鼠对机械性疼痛更加敏感，因敲除ρ1基因可以下降小鼠对此疼痛的痛阈[10]。可见，ρ1亚单位能调节实验动物的伤害感受。

三、展望

现代镇痛技术相比过去已经有了长足的发展。然而该领域仍有一些问题亟待解决：①需要定位3种受体在vlPAG 中的详细分布；②阐明vlPAG 中3种受体含有的亚单位种类，针对这些亚单位在疼痛调节中的作用机理进行研究，发现可能的可作用药物，并实验更多的抑制性神经药物且研究作用机制；③增强对vlPAG 中GABAC受体在疼痛调节中作用的研究。疼痛的机制是复杂多样的，随着人们对vlPAG 中GABA 受体的研究不断发展，这些问题的答案将在未来逐渐清晰明了，在此基础上将开发出更多应对疼痛的药物和疗法。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。