外周神经损伤引起病理性疼痛的机制

　　作者：刘先国　　作者单位：中山大学 疼痛研究中心∥中山医学院生理学教研室， 广东 广州

　　【摘要】 刘先国， 博士学位，1999年被原中山医科大学作为学科带头人引进回国。现任中山大学疼痛研究中心主任、广东省医学会疼痛医学分会副主任委员、广东省生理学会理事长、中国生理学会常务理事、Open Pain Journal编委、多个国际性杂志审稿人。长期从事病理性疼痛的中枢和外周机制的研究。在SCI收录的期刊上发表40余篇研究论文，被他引700余次。1995年首次报道了脊髓背角C纤维诱发电位的长时程增强(LTP)，此后，对其产生和维持的细胞和分子机制进行深入的研究。目前，脊髓背角LTP已被国际同行认为是病理性疼痛的突触模型，被多家国内外实验室采用。自2005年起，对TNF-α在神经病理性疼痛中的作用及其机制进行了研究。部分研究结果已发表在Pain和Glia等国际知名杂志。鉴于刘先国教授在疼痛研究领域的杰出成就，本期“疼痛学专题”特约刘先国教授撰写了相关综述。本刊今后将继续特约知名专家撰写综述和组织专题。摘 要： 外周神经损伤往往导致慢性疼痛，即神经病理性疼痛。大量的研究表明，神经损伤主要通过使初级感觉神经元产生自发放电(即异位冲动)和脊髓背角突触传递效率的持续性增强(即LTP)导致病理性疼痛。近年来的研究表明，致炎细胞因子TNF-α在神经病理性疼痛中起重要作用。神经损伤可通过上调TNF-α，导致初级感觉神经元上Nav1.3和Nav1.8过表达，引起异位冲动。TNF-α的上调还可显著易化脊髓背角C纤维诱发电位的LTP。由于TNF-α的上调，Nav1.3和Nav1.8过表达和脊髓背角LTP的形成主要与运动神经损伤相关，因此运动神经损伤可能是引起病理性疼痛的主要原因。

　　【关键词】 神经病理性疼痛,异位冲动,背根神经节,长时程增强,脊髓背角,TNF-α; Nav1.3,Nav1.8,运动神经损伤

　　疼痛可分为两大类，即生理性疼痛(physiological pain)和病理性疼痛(pathological pain)。生理性疼痛仅由伤害性刺激引起，属于身体的报警系统，其功能是使人或动物反射性地或主动地脱离危险环境，免受进一步伤害。病理性疼痛包括炎症性疼痛(inflammatory pain)和神经病理性疼痛(neuropathic pain)，后者主要表现为：①痛超敏(allodynia)，即痛阈显著下降，②痛敏(hyperalgesia)，即痛反应增强，③自发性疼痛。临床上，多种原因，如外伤、手术、肿瘤、病毒感染、糖尿病和化疗药物等可引起神经损伤，并通过类似的机制引起病理性疼痛，这些由神经损伤导致的病理性疼痛统称为神经病理性疼痛。神经病理性疼痛的显著特点是在损伤愈合后，痛觉异常依然存在数周、数月乃至数年，使患者痛苦不堪，丧失劳动能力。由于病理性疼痛的表现、持续的时间和现已阐明的细胞和分子机制与生理性疼痛显著不同，因此认为病理性疼痛是神经系统的一种疾病[1]。虽然神经病理性疼痛的机制尚不完全清楚，临床上还没有特效的治疗方法，但是经过多年不懈努力，人们对神经病理性疼痛的机制已有了一定的了解。目前普遍认为，神经损伤后初级感觉神经元产生的自发放电(即异位冲动)和脊髓背角突触传递效率的持续性增强是导致神经病理性疼痛的两个重要原因。

　　1 感觉神经元的异位冲动

　　1974年Wall等[2]首次报道，切断大鼠坐骨神经形成神经瘤后，在下腰部背根(感觉神经)可记录到大量的自发放电，称异位冲动，机械刺激或化学刺激神经瘤可使放电频率升高，并引起疼痛。后来的研究表明，神经损伤后异位冲动不仅产生在被损伤的感觉神经元，还产生于邻近未被损伤的神经元[3]。早期的研究认为，被损伤的感觉神经产生的异位放电是引起病理性疼痛的原因。但最近的研究不支持这一观点，因为切断受损伤神经与脊髓的联系不能缓解异常痛行为反应[4];而选择性损伤大鼠的运动神经(切断腰5前根)，无需损伤感觉神经也能引起感觉神经元的自发放电和持续性的病理性疼痛[5-6]。因此，未损伤的传入神经元产生的异位冲动可能在病理性疼痛中起关键作用。

　　神经损伤后，感觉神经元如何具备了产生自发放电的能力? 目前认为，异位冲动产生的原因在于感觉神经元上电压门控钠通道的表达发生了改变[7-8]。迄今，已克隆出10个电压门控钠通道的亚型，分别命名位Nav1.1 ～ Nav1.9和Nax(NaG)，其中有八个亚型存在于背根神经节(dorsal root ganglia， DRG)神经元。根据能否被低浓度的河豚毒(TTX)阻断，把电压门控钠通道分为TTX敏感(TTX-sensitive，TTX-S)钠通道和TTX不敏感(TTX-resistant，TTX-R)钠通道两类。目前对Nav1.3和Nav1.8研究的比较清楚，现介绍如下。

　　Nav1.3为TTX敏感的钠通道，在胚胎期DRG有较高表达，而在成年动物的DRG几乎不表达。以往的研究表明，神经损伤后，Nav1.3在被损伤的DRG神经元上出现高表达，同时在脊髓背角神经元的表达也显著升高[9-10]。Nav1.3通道电流具有如下特征：快速激活、快速失活和快速由失活状态恢复。这些特征有利于异位冲动的产生。在脊髓损伤和外周神经损伤大鼠，用反义寡核苷酸技术抑制Nav1.3的表达可显著抑制脊髓背角神经元的异位冲动和神经病理性疼痛[11-12]。因此认为该通道的上调通过使感觉神经元产生异位冲动而引起病理性疼痛。

　　Nav1.8属于TTX不敏感钠通道，主要表达在初级痛感受神经元[7]。研究发现，结扎大鼠L5/L6脊神经后，Nav1.8在受损伤的神经元胞体下调，在未损伤神经元胞体(L4 DRG)变化不明显，但是在坐骨神经内未损伤的C纤维显著上调，也就是说，神经损伤后出现Nav1.8的重新分布。用反义寡核苷酸技术抑制Nav1.8的表达不仅能防止Nav1.8的重新分布，还能翻转神经病理性疼痛[8，13]。

　　2 脊髓背角突触传递效率的长时程增强

　　早在1883年外科医生Sturge 就指出，外周神经损伤导致中枢神经系统的兴奋性改变，从而使非伤害性刺激引起疼痛。由于这一观点的提出只是基于临床经验，而没有科学根据，百年来并没有受到足够的重视。直到1983年Woolf等人用动物实验的方法证实，短暂的伤害性刺激引起脊髓背角神经元兴奋性的持续升高，表现为：兴奋的阈值下降、对痛刺激的反应增强和感受野扩大。这一现象仅由伤害性刺激引起，在刺激停止后仍可持续数小时，被称之为中枢敏感化(central sensitization)。

　　短暂的伤害性刺激如何引起脊髓背角神经元长时间的兴奋性变化?大量研究证实，中枢神经系统突触传递的效率不是固定不变的。在兴奋性突触传递的过程中，突触本身的功能和形态会发生变化。这种变化既可以使突触传递的效率增强，也可以使其减弱;既可以是短时程的(数秒到数分钟)，也可以是长时程的(数小时到数周)。突触传递效率的这些变化统称为突触可塑性(synaptic plasticity)。

　　1973年Bliss和Lomo首次在海马发现了突触传递效率的长时程增强(long-term potentiation，LTP)现象。因为海马在学习记忆中起重要作用(海马损伤引起严重的记忆障碍)，因此海马LTP被认为是学习记忆的神经基础。我们以往的工作表明，强直电刺激[14-15]或急性损伤坐骨神经[16]可在脊髓背角引起C纤维诱发电位的LTP。由于C纤维的主要功能是传导痛觉信息，而LTP是记忆的神经基础，因此认为脊髓背角C纤维诱发电位的LTP是一种“痛记忆”。

　　3 神经胶质细胞和致炎细胞因子在神经病理性疼痛中起重要作用

　　在神经系统，胶质细胞的数量是神经元数量的5 ～ 10倍，神经胶质细胞有一定程度的静息膜电位，但没有产生动作电位的能力。长期以来人们一直认为胶质细胞的功能仅仅是对神经元起支持作用，不参与信息的传递。近年来的大量研究[17-18]表明，神经损伤可激活神经胶质细胞(主要是星形胶质细胞和小胶质细胞)，使其合成和分泌致炎细胞因子，参与神经病理性疼痛的产生和维持。在众多的致炎细胞因子中， 肿瘤坏死因子(TNF-α)起核心作用。神经损伤后，神经系统首先产生TNF-α，继而引起其他细胞因子的表达改变。行为学研究指出，肌肉内、皮下、神经内或鞘内注射TNF-α引起痛超敏和痛觉过敏，而阻断TNF-α受体可减轻神经病理性疼痛。

　　我们对TNF-α在神经病理性疼痛中的作用及其机制进行了研究[6]，发现，切断腰5前根(L5 ventral root transection， L5 VRT)引起L4 和 L5 DRG 内TNF-α和TNF受体1(TNFR1)显著上调，上调从损伤后1 d开始，持续约 2 周。 免疫荧光双染实验显示，在DRG内 TNF-α上调发生在卫星胶质细胞和神经元，而TNFR1的上调几乎仅限于神经元;许多过度表达TNF-α的DRG神经元也同时表达TNFR1。而在脊髓背角TNF-α和TNFR1上调见于双侧，上调也在损伤后1 d开始，持续约2周。TNF-α的上调见于星形胶质细胞，小胶质细胞和神经元，而TNFR1主要见于在神经元。 在切断L5前根前2 h，鞘内注射TNF-α合成抑制剂(thalidomide)可防止病理性疼痛的产生。但是，在切断腰5前根后7 d给药不能翻转病理性疼痛。这表明TNF-α上调是引起神经病理性疼痛的必要条件，而神经病理性疼痛的维持可能另有原因。

　　4 肿瘤坏死因子介导神经病理性疼痛的机制

　　如前所述，神经损伤引起DRG神经元TNF-α和钠通道上调。那么，TNF-α的过表达与Nav1.3和Nav1.8的上调之间是否存在因果关系?最近我们对此进行了研究，发现腰5前根损伤引起DRG神经元Nav1.3和Nav1.8的上调，且在绝大多数DRG神经元TNF-α和钠通道同时上调;在坐骨神经局部施以TNF-α也可引起DRG神经元Nav1.3和Nav1.8的上调;在培养的DRG神经元，TNF-α剂量依赖性地上调Nav1.3和Nav1.8;在TNFR1敲除小鼠，前根损伤导致的DRG神经元Nav1.3和Nav1.8上调明显减少。因此，神经损伤可能通过上调TNF-α导致Nav1.3和Nav1.8过表达。

　　为了研究神经损伤后TNF-α和 TNFR1上调在中枢敏感化中的作用，我们分别在正常动物和神经损伤动物，研究了TNF-α对脊髓背角突触传递可塑性的影响[19]。结果发现，在正常动物脊髓局部使用大剂量的TNF-α(100 ng/mL)对C纤维诱发电位的基础水平和强直刺激引起的LTP无任何影响，但是在神经损伤(腰5前根切断或损伤腓总神经和胫神经)引起病理性疼痛的动物，脊髓局部使用小剂量的TNF-α(10 ～ 100 pg/mL)就可引起LTP。进一步研究表明， JNK 抑制剂 (SP600125) 或p38 MAPK 抑制剂(SB203580)在正常动物对强直刺激引起的LTP无影响，但可完全抑制TNF-α引起的LTP。NF-kappa B抑制剂(PDTC)也可抑制TNF-α引起的LTP。以往的研究表明，在海马病理浓度(4.5 ng/mL)的TNF-α对LTP有显著的抑制作用，并损伤学习记忆功能[20]。但是我们的研究表明，在正常动物TNF-α不影响脊髓背角的突触传递，而在神经病理性疼痛动物TNF-α引起LTP。因此我们认为，以TNF-α及其下游分子作靶点进行干预可解除病理性疼痛而不会损伤海马的记忆功能。

　　5 运动神经元损伤可能是导致病理性疼痛主要原因

　　迄今病理性疼痛研究中使用的动物模型，除腰5前根切断外，都是用不同方式损伤外周神经。由于外周神经包含三种纤维，即感觉传入纤维、运动传出纤维和交感神经节后纤维，因此采用这些模型无法确定损伤那种纤维引起病理性疼痛。临床上，经常用自体的腓肠神经去搭桥修复损伤的神经。大样本随访研究显示，患者的供体部位很少产生慢性疼痛[21]。为什么损伤腓肠神经不引起病理性疼痛?组织学研究发现，腓肠神经基本上由皮肤感觉神经组成，仅含有3%的运动纤维。研究表明，单纯损伤感觉神经元，如切断腰5后根仅引起少量的TNF-α表达[22]，不引起Nav1.3的上调，也不引起病理性疼痛[23]。我们最近的研究发现，损伤腓肠神经不引起脊髓背角C纤维诱发电位的LTP。因此，单纯的感觉神经损伤引起支配区域的感觉缺失，运动神经损伤才引起病理性疼痛。在某些特殊情况下，如带状疱疹病毒感染支配皮肤的神经也可引起病理性疼痛，因为此时已不是单纯的神经损伤，病毒感染引起的免疫反应及致炎细胞因子的释放可通过上调DRG神经元的钠通道和引起中枢敏感化导致病理性疼痛。

　　【参考文献】

　　[1] Basbaum AI. Distinct neurochemical features of acute and persistent pain [J]. Proc Natl Acad Sci USA， 1999， 96(14)： 7739-7743.

　　[2] Wall PD， Waxman S， Basbaum AI. Ongoing activity in peripheral nerve： injury discharge [J]. Exp Neurol， 1974， 45(3)： 576-589.

　　[3] Michaelis M， Liu X， Janig W. Axotomized and intact muscle afferents but no skin afferents develop ongoing discharges of dorsal root ganglion origin after peripheral nerve lesion [J]. J Neurosci， 2000， 20(7)： 2742-2748.

　　[4] Li Y， Dorsi MJ， Meyer RA， et al. Mechanical hyperalgesia after an L5 spinal nerve lesion in the rat is not dependent on input from injured nerve fibers [J]. Pain， 2000， 85(3)： 493-502.

　　[5] Li L， Xian CJ， Zhong JH， et al. Effect of lumbar 5 ventral root transection on pain behaviors： a novel rat model for neuropathic pain without axotomy of primary sensory neurons [J]. Exp Neurol， 2002， 175(1)： 23-34.

　　[6] Xu JT， Xin WJ， Zang Y， et al. The role of tumor necrosis factor-alpha in the neuropathic pain induced by Lumbar 5 ventral root transection in rat [J]. Pain， 2006， 123(3)： 306-321.

　　[7] Wood JN， Boorman JP， Okuse K， et al. Voltage-gated sodium channels and pain pathways [J]. J Neurobiol， 2004， 61(1)： 55-71.

　　[8] Lai J， Gold MS， Kim CS， et al. Inhibition of neuropathic pain by decreased expression of the tetrodotoxin-resistant sodium channel， NaV1.8[J]. Pain， 2002， 95(1-2)： 143-152.

　　[9] Waxman SG， Kocsis JD， Black JA. Type III sodium channel mRNA is expressed in embryonic but not adult spinal sensory neurons， and is reexpressed following axotomy [J]. J Neurophysiol， 1994， 72(1)： 466-470.

　　[10] Shah BS， Rush AM， Liu S， et al. Contactin associates with sodium channel Nav1.3 in native tissues and increases channel density at the cell surface [J]. J Neurosci， 2004， 24(33)： 7387-7399.

　　[11] Hains BC， Klein JP， Saab CY， et al. Upregulation of sodium channel Nav1.3 and functional involvement in neuronal hyperexcitability associated with central neuropathic pain after spinal cord injury [J]. J Neurosci， 2003， 23(26)： 8881-8892.

　　[12] Hains BC， Saab CY， Klein JP， et al. Altered sodium channel expression in second-order spinal sensory neurons contributes to pain after peripheral nerve injury[J]. J Neurosci， 2004， 24(20)： 4832-4839.Gold MS， Weinreich D， Kim CS， et al. Redistribution of Na(V)1.8 in uninjured axons enables neuropathic pain [J]. J Neurosci， 2003， 23(1)： 158-166.

　　[13] Liu XG， Sandkuhler J. Long-term potentiation of C-fiber-evoked potentials in the rat spinal dorsal horn is prevented by spinal N-methyl-D-aspartic acid receptor blockage [J]. Neurosci Lett， 1995， 191(1-2)： 43-46.

　　[14] Liu X， Sandkuhler J. Characterization of long-term potentiation of C-fiber-evoked potentials in spinal dorsal horn of adult rat： essential role of NK1 and NK2 receptors [J]. J Neurophysiol， 1997， 78(4)： 1973-1982.

　　[15] Zhang HM， Zhou LJ， Hu XD， et al. Acute nerve injury induces long-term potentiation of C-fiber evoked field potentials in spinal dorsal horn of intact rat[J]. Sheng Li Xue Bao， 2004， 56(5)： 591-596.

　　[16] Watkins LR， Maier SF. Beyond neurons： evidence that immune and glial cells contribute to pathological pain states [J]. Physiol Rev， 2002， 82(4)： 981-1011.

　　[17] Wieseler-Frank J， Maier SF， Watkins LR. Immune-to-brain communication dynamically modulates pain： physiological and pathological consequences [J]. Brain Behav Immun， 2005， 19(2)： 104-111.

　　[18] Liu YL， Zhou LJ， Hu NW， et al. Tumor necrosis factor-alpha induces long-term potentiation of C-fiber evoked field potentials in spinal dorsal horn in rats with nerve injury： The role of NF-kappa B， JNK and p38 MAPK [J]. Neuropharmacology， 2007， 52(3)： 708-715.

　　[19] Wang Q， Wu J， Rowan MJ， et al. Beta-amyloid inhibition of long-term potentiation is mediated via tumor necrosis factor [J]. Eur J Neurosci， 2005， 22(11)： 2827-2832.

　　[20] Hanson GR， Borden LS Jr， Backous DD， et al. Erectile function following unilateral cavernosal nerve replacement [J]. Can J Urol， 2008， 15(9)： 3990-3993.

　　[21] Sekiguchi M， Sekiguchi Y， Konno SI， et al. Comparison of neuropathic pain and neuronal apoptosis following nerve root or spinal nerve compression[J]. Eur Spine J， 2009， Jun 19[Epub ahead of ptint] DOI：10.1007/S00586-009-1064-Z

　　[22] Black JA， Cummins TR， Plumpton C， et al. Upregulation of a silent sodium channel after peripheral， but not central， nerve injury in DRGneurons [J]. J Neurophysiol， 1999， 82(5)： 2776-2785.