皮肤温觉转导与传入机制

仉体通过温度感受器感知内外环境温度的变化。人和哺乳类庋肤热感受器和冷惠受圣9引恙受△赳兴和冷刘肖.通常能辨别的温度范围大约是-10-60.皮肤温度感觉不仅为维持体温在最佳恒定状态提△谔市仨瑜人信号,而且还叮以感知潜在的损伤跬温宦肓烹(体的损伤,其传人信号参与触觉进行分芋不同力体和材料的温度,如金属与木头的性质和温度的分弈:近年来已确定温度感觉的分子基础是由温度激活离子通道,几乎所有的离子通道都属于瞬时感受器电位(TRP)通道。这类通道分为7个亚家族.其亚家族的蛋白结构均含有6个跨膜结构域.并日~在第5和第6跨膜片段间形成一个孔道环。转导热感觉的TRP\Ⅰ、TRPⅤ2、TRPV3、TRPV4和转导令感觉自旬TRP、IS与TRPA1广泛表达于A纤维和C类纤维.以及角质细胞、肥大细胞、脂肪细胞、朗格罕细胞和平滑肌细胞。本文就近年来皮肤损伤性和非损伤性冷觉与热觉转导和传人机制·以及庋肤角质细胞参与温觉转导的研究进展作一综述。

1表皮细胞在温度感觉中的作用

皮肤分为表皮和真皮两层,表皮位于皮肤的最外一层,较薄(厚约0.07~0.12mm)而不含血管。从基部到表面可分为基底层、棘层、颗粒层和角质层。通常认为躯体感觉转导是感觉神经末梢,而皮肤细胞只为转导过程提供营养支持和保护作用。近年来研究发现,皮肤中的角质细胞(Keratinoc-ytes)和梅克尔(Melkels cc11)等非神经细胞与邻近的躯体感觉传人纤维互相连接(图D,具有对某些物理和化学刺激的初级换能器(PⅡmary tlansducels)的功能,特别是表皮中的角质细胞在皮肤温度感觉中的重要作用已经引起了人们的关注。

1.1角质细胞

角质细胞是表皮中占主导地位的细胞,由皮肤深层的基底细胞层形成,具有持续而快速的增殖能力,是由多潜能干细胞持续再生而来,并逐渐向上迁移·经过一个多月的分化,最终形成皮肤表面的鳞状细胞(图D:它可分泌角蛋白(Kclan)和角蛋白关联蛋白,这两种蛋白可以为皮肤、头发和指甲提供强度。通常认为角质细胞是保护机体免受外界化学性和机械性损伤的屏障。但近年来发现,物理防护只是这类细胞约功能之一。

令人关注的是已经有许多研究证明,角质细胞是庋肤中一类感受器细胞,参与物理化学刺激引起的感知过程:Aβ神经纤维分布于触觉感受器茚梅克尔细胞和毛根部周围:Aδ纤维末梢分布于真皮;肽能和菲肽能C纤维末梢分于表吱不同细胞层:这些感觉纤维上到脊髓目前关于角质细胞钲温度感觉中的作甬唛菇起耒有:方面:(1)用基囚定位研究发现,最少有两类感觉传人纤维分布于表皮层不同部位(图l)。一类是表达促炎症反应的降钙素基因相关多肽感觉神经元穿过表皮基底层终止于煎层.而另一类非肽能神经元表达G一偶联蛋白受体.终止于更表浅的颗粒层,这两类神经元经脊髓上行引起不同的感觉虽然角质细胞与感觉神经元之间的经典的突触结构还未见报道,但细胞之间紧密连接已为实现决速的旁分泌传递提供了充分的机会。(2)角质细胞分泌的化学物质能够调节感觉神经元的活动,即兴奋或抑制感觉神经元。这些物质是神经营养囚子、ATP、阡内啡肽、白介素和内皮素等。

有趣的是,不同表皮层释放的物质具有不同的作用。刺激表皮浅层角质细胞能释放稹痛物质占内啡肽.而刺激表皮深层角质细胞则释放疼痛忤物质内皮素。(3)角质细胞有参与温觉和痛觉信号转导的受体,如上述化学物质的受体。但目前还不清楚这些受体是易化角质细胞之间的信号还是角质细胞一神经元之间的信号,或者对两者都有作用。例如,在离体实验中机械刺激角质细胞引起ATP释放,并引起促代谢型ΛTP受体P2Y2的信号转导Ⅱ。P2Y2受体属于G蛋白偶联型受体家族,广泛分布于中枢和外周神经系统以及许多组织细胞的ATP受体:激活P2Y2受体可以导致细胞内游离钙离子增加和细胞外钙离子内流,进而导致受刺激角质细胞释放更多的ATP,可以诱导胞内多种信号转导途径:近年来文献报道,热激活温度敏感型TRP家族的TRPV3和TRPV4不仅表达于角质细胞(图2).而EL其表达量多于感觉神经元的表达。热刺激角质细胞可记录到这两个通道的电流,而TRPV3和TRPV1激动剂樟脑或.佛波醇12,13一二葵酸l以促进这种反应,TRPV3和TRPⅤ1基因敲除这种反应消失

1.2梅克尔细胞

梅克尔细胞散在分帛于毛囊附近的基底层细胞问.数日较少.胞质内可见发达的高尔皋复合体。梅克尔细胞的皋底部与Aβ传人神经末柏之间有非桥粒型连|妾.形成细胞-轴索复合体,它忘一种突触结构(图2)。这些复合体亡要分布于皮祆垫觉敏感区域的表皮基底层,包括光滑皮肤、胡须毛囊和触觉圆顶,主要功能是转导。另外.世有报道梅克尔细胞参与泠觉感受过程工.左上蓝色表示触摸激活梅克尔细胞的未知转导机制,梅克尔细胞与皮肤Aβ传人纤维形成突触连接;靠近梅克尔细胞的Aβ传人纤维末梢髓鞘消失,梅克尔细胞表面的突起是微绒毛。右侧绿色表示热激活角质细胞TRPV3和TRPV4离子通道,角质细胞经旁分泌途径将信号传递到邻近传人纤维(黑色曲线箭头所示)引起神经元兴奋。

2热转导

2.1非损伤性热觉转导

2.l.l非损伤忤热觉转导分子

温度超过33能激活TRPV3通道,使人产生热感觉。樟脑作用于、支扶可以晨活TRPV3,使人皮肤对热刺激更敏感,但不影响其他TRPs重复热刺激可以通过蛋白激酶C介导机制而增强TRPV3的敏化在人与灵长类动物中,TRPV3表达于C类纤维、角质细胞、睾丸⒈庋细胞和舌上皮细胞;在背根神经节(DRG)中TRPV3与TRPV1共同表达舌上支表达的TRP百里香和丁香激活,可能参与味觉的形成小鼠TRPV3基因敲除,不仅对非损伤性热刺激反应减弱,而且对损伤性热刺激反亡泾敲除的小鼠皮肤接种弗氏完全佐剂或缓激肽(bradykinin)后可引起热痛觉过敏。在行为眭体呈污节实验中发现丬好野生小鼠置于温度梯度仪中优先选择的热环境.而TRPV3基囚敲除小鼠在温度梯度中则优先选择的实验环境。但是,动物的趋热性并未完全丧失.可能是还有其他温度感受器参与到非损伤性热觉的反应:另一个被菲损伤性杰皋活的离子通道是TRPV1,已有报道介导人胚肾细胞电流的TRPV4阈温度为⒛℃和31℃.低渗透玉也能激活TRPV4,提示它可能也是渗透压和机械牵张刺激感受器I。TRPVl表达于DRG和三义神经节(Trcminal ganglia.T(j)感觉神经元、C类纤维、Aδ纤维、梅克尔细胞和血管内皮细胞令人关注的是TRPV4与TRPV3相似,在角质细胞中大量表达.进一步证明这类细胞参与热觉传导(图2)。热刺激激活TRPV4只能在膜片钳技术的细胞吸附模式(cell attached mode)记录到通道电流变化,而在膜内面向外模式未记隶到电流,表明该通道不是热直接激活的门控通道,可能是热刺激提高该细胞的内源性配体活性或对热刺激的敏感性。

2.1.2非损伤性热觉传人神经纤维热感受器由无髓鞘C类纤维支配,对机械刺激不敏感,其感受野很小,呈点状。一个神经纤维可以支配若十个点。热感受器分布于皮肤表而下0,6mm处,当30℃或30℃以上温度刺激时,热感觉纤维出现持续的放电活动,若冷却时其活动消失,薄荷醇不影响热觉纤维的活动12]。若给热觉纤维以恒定的热刺激,在初期可引起爆发性放电活动增加,然后逐渐出现适应性频率降低变化。若应用刺激间隔时间小于60s重复热刺激可以导致神经元反应降低L2J。热觉纤维属于C类纤维,其传导速度平均为1m/s,阻断C类纤维热感觉随之消失。

2.2损伤性热觉转导221损伤跬热觉转导分子TRPV1是损伤性热刺激感受器.主要表达于Λδ纤维和Cl类纤维,以及角质细胞、肥大细哐、脂肪细咆、朗格罕细胞殳平滑肌细胞及辣椒素激活,并对许多诱发性疼痛敏感。激活感觉神经TRPVl可在损伤性热刺激和炎性疼痛的致敏性作用中起重要作用基因敲除动物感觉神经元和皮肤礻申经标本,其热敏感性降低,但TRPV1基冈敲除动物对损伤性热刺激仍然表现出T常的行为反应。由此可见,除TRPVl,还有其它途径感知的热转宁机制。,可被>52℃的损伤「r涅夏亏△△仨司激激活,但对TRPV1的激活物辣椒素没有反应,如在猴的大多数这类传人纤维对突注茅森椒素无反应。另外也发现.用损伤性热司煮TRP、基因敲除小鼠,其传人纤维无TRP2表达表明损伤性热刺激反应并非只是TRPⅤ1和TRP飞2介导实际上TRPV3通道也能被)50°C的损伤温度激活,辣椒素和低pH值不能激活TRP\]=这≡资料显示,TRPV3、TRPV1和TRP飞12均可能参与感觉的转导。

2,2,2损伤性热觉传人神经纤维热刺激前臂、手背和足背庋肤会出现两种明显不同的痛觉,通常热刺激后先迅速出现尖锐刺痛(热刺激后~04s),约在1~2s后出现钝痛或烧灼痛。当损伤性热刺激肩部或背部时,这两种感觉互相混合在一起。热刺激后先迅速出现的快痛觉是由快传导Aδ纤维传人,随后出现的潜伏期较长的慢痛觉与慢传导C类纤维的活动是一致的:综合这些发现,证明热痛觉由Λδ纤维和C类纤维传人通常将皮肤损伤性热感觉传入纤维分I型和Ⅱ型。I型损伤性热感觉传人纤维主要分布于光滑无毛的皮肤和多毛皮肤,对热刺激敏感,并且介导光滑无毛庋肤的热痛觉过敏反应。它能感受较高强度的机械性损伤刺激,如针刺等。这类损伤热感觉传人纤维的特点是热刺激温度阈值高,平均阈值)53℃,持续30s的53℃损伤性热刺激引起传入纤维兴奋的潜伏期平均约5s。电生理学研究指出热痛觉阈值是根据热刺激引起神经纤维最低放电频率确定,即以损伤性热刺激引起神经放电率为0,5Hz作为热痛觉阈值。

Ⅱ型损伤热感觉传人纤维为C类纤维,位于表皮和真皮之间,即分布于皮下20~600um的深度,可以感受多种损伤性刺激,如机械、温度和化学刺激等。这类损伤感觉传入纤维的特点是温度阈值较I型传人纤维低,人和猴的有毛皮肤C类纤维的热觉阈值为37~49℃,对持续30s的"℃损伤热刺激反应迅速,通常潜伏期<1s,而且有适应现象。但Ⅱ型损伤热觉传人纤维具有较高的机械刺激阈值(平均为15Pa),其他感觉传人纤维的机械敏感阈值<6Pa。实验发现,手掌皮肤没有∏型传人纤维,这就解释了为何手掌缺乏损伤性热刺激引起的快痛反应Ι。在人腓神经中约有50%的C类纤维对机械性刺激和损伤性热刺激敏感,约10%的C类纤维只对热刺激敏感,约15%的C类纤维对热刺激不敏感;约25%的C类纤维刈机械性刺激和热刺激均不敏感。对热刺激敏感的C类纤维热觉阈值为注5~8℃。

根据阈上热刺激(即持续3s的49℃热刺激)反应的快慢,将多觉型C类纤维分为慢适应和快适应纤维。分布皮肤表浅部位的QC纤维多于SC纤维。QC纤维受到热刺激时,即刻出现较高频率的放电,但持续刺激则很快出现适应现象;SC纤维在整个刺激期间均未出现明显的适应现象。尽管光滑无毛攴肤内的多觉型C类纤维热阈值与有毛皮肤的QC纤维类似.但这些传人纤维对烧灼的敏感性不同,即支配有毛皮=的热敏C类纤维对烧灼伤敏感,雨支配无毛光滑皮肤的C类维则不敏感。现在还不清楚这些差别是C类纤维本身Ξ芎的差异·还是与所支配度肤细胞的类型不同有关。反复刺激热敏感Aδ纤维和C类传纤维会导致其动作电位的频率逐渐减少..口传人纤维,疫劳现象,完全从疲劳中恢复需要。热敏传k祥经发生疲劳现象,可以解释反复热刺羔引起快痛和浸浸逐渐减弱的原因;传人神经纤维发生疲劳=表明,反复乏司而(≤3s)热刺激引起快痛感觉增强的反应可能归因于中枢机制,即时问总和。逆向电刺能减弱C类传人纤维对热刺激的反立·这种逆向刺激导致对热刺激炅立减弱的现象.可能与降氐峰电位起始区的兴奋性有关,当不能排除对热转导过程的直接影祠,但电刺漱于祥经纤维恢复时问比热刺激反应恢复的更陕。

3冷转导

3.1非损伤性冷觉转导

3.1.1非损伤性冷转寻分子现在已经明确TRPM8是冷敏通道,能被低于Ⅱ℃温度激活.表达于某些Λa和C类传人纤维ll r=将正常支扶温度(约32℃)冷却到3O℃以下,或者用簿荷醇激活TRPM8离子通道可产生凉爽的感觉;冷刺激nl以使其激活而引起寒冷的感觉;桉油精、留兰香等也可激活TRPM8,产⒋凉爽的感觉[1?]。小鼠TRPM8基因敲除对冷刺激的反应降低,但只轻微的影响损伤性冷刺激(<12℃)的行为性反应,这些动物感觉神经节细胞对薄荷醇和依色林(icilin.本文作者音译)以及初级传人神经纤维对冷刺激的反应也均明显降低,但并未完伞消失,这些证据表明引起冷感觉的机制不只是TRPM8的激活[22]。TRP蛋白为非选择性阳离子通道,激活时主要引起Ca2+内流。一般来说钙通道可大致分为3类,即为电压门控性通道、配体门控性通道和受体活化性通道,TRP属于受体活化性钙通道。但有学者认为,TRPM8是细胞膜去极化激活的电压门控性通道。TRPM8的温度敏感性主要依赖于跨膜电压,冷刺激激活受体活化性钙通道使其去极化,引起Ca2内流。TRPM8与电压门控K-、Na+和Ca2+通道相似,但TRPM8通道开放比关闭更具有低温依赖性,即冷刺激容易引起通道开放。薄荷醇也是通过改变细胞膜电位激活TRPM8通道,而且薄荷醇对电压依赖性激活曲线与冷刺激所产生的电压依赖性激活曲线可以累加[17]。此外,TRPM8激活还受细胞内pH的影响,但这种影响只在感知寒冷刺激及部分冷物质刺激时有效,对薄荷醇引起TRPM8激活不产生影响。磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)也是重要的TRPM8激活物之一,而乙醇可减弱PIP2与TRPM8的相互作用、而使TRP、I8激活效应减弱,因此乙醇是TRPM8激活的一种捭制剂.另外,冷觉反应分离跬感觉神经元只对20℃以下的温度产生反应,这种现象可能与TRPA1的特性有关-Ⅱ临床上出现冷诱导脱敏现象可能与激活C莎^通道而引起过度Ca=内流有关[2列。TRPM8脱敏作用的旁路途径是通过激活Ca依赖性蛋白激酶C,导致TRPM8脱萨酝亿·从而抑制TRPM8活性。使罔过蛋白激酶C激活剂的冷惠觉神经元可使TRPM8脱敏.柜豆蛋白激酶C抑制剂则解琮脱敏现象。

3.1.2非损伤性冷觉传人荇经纤维在体电生理研究证明·许多哺乳动物和蛙类皮肤分布有专门感受冷刺激激活的传人纤维。这些听谓的“冷觉”纤维通常在正常皮温时,有持续的动作电位活动。冷觉纤维支配单个或多个冷敏感点的皮肤感受区,但对机械刺激不敏感:猫冷感受器位于表皮下10C~150um,大鼠冷感觉纤维分布于表皮[26]。

然而,损伤性热刺激也能激活冷觉纤维,这一作用的基础可能是由于损伤性热刺激作用于支肤冷敏感区而引起的冷幻觉皮肤冷敏感区受到冷刺激引起冷感觉,热刺激则使其抑制,冷觉纤维可被薄荷醇激活,在冷觉纤维激活的温度范围内薄荷醇能提高冷觉纤维对冷刺激的敏感性。重复短间隔(<30~50s)刺激会引起冷觉纤维反应疲劳。猴的冷觉纤维传导速度是9~15m/s,表明该纤维为有髓鞘Aδ传人纤维。利用显微照相技术发现,在人皮肤中C类纤维对非损伤性冷反应与动物冷觉纤维相似,对机械刺激也不敏感。另外,在猴皮肤有所谓的“高阈值”冷感受器。这些冷觉纤维对低于27℃温度敏感,但对机械刺激或者热刺激无反应,传导速度低于A类纤维或与C类纤维相似。这类纤维对20~30℃的刺激出现快速适应现象,并可导致活动停止。另外,有些对机械性刺激反立非常敏感的有髓传人神经纤维对冷刺激反应也较敏感。大约有的慢适应机械剌激感受器,即皮肤浅表层的梅克尔氏小盘和支肤深层的鲁菲尼终末,将正常支获呈麦逐渐冷却到,5℃的下洚过程中均有反应,这种机械刺激性感受秦对冷瓦聂冖彀惠性,可以解释通常人对冷物体的感觉似乎比热物体沉重的错觉。

3.2损伤性冷觉转导

3.2.1损伤性冷转导分子TRPA1可被17℃损伤性冷刺激激活,即比TRPM8激活涅,妄京泰素不彀忠.TRPA1表达于C类纤维和Aδ纤维,或与TRPVl共表达;也表达于角质细胞、纤维母细胞及肥大细胞[15]。致痛性和致痒性炎症可操纵TRPAl和TRPⅥ共同的活亿途径,致痛和致痒性炎症介质,如缓激肽、花生四稀酸、前列春素△牵指酶C均可激活TRPA1。TRPA1激动剂能引起疼痛反,TRP、l拮抗剂可作为止痛剂。由于寒冷能诱导肥大细拒活七,茫△TRPN可能参与寒冷性荨麻疹的病理生理学过程

3.2.2损伤性冷觉传、纤缠10~15℃能引起光滑无毛支挟和有毛皮肤产生痛觉,缓慢温度变化痛觉阈值比快速温度变化痦觉阈值高。寒冷息会变得更加疼痛,从90~0℃之间冷痦觉随寒冷刺激强度的增加,而疼痛感觉也呈线性增加。损伤洼泠刺激可引起刺痛、烧灼痛和热觉等不同的感觉,表明传人神经纤维不同,即冷刺激激活了Aδ纤维和C类纤维。不同感觉纤维对不同温度刺激反应的阈值不同,Aδ损伤感受器的平均放电频率和最大放电频率随刺激温度降低而增加。损伤性冷刺激不仅能引起Aδ纤维和C类纤维损伤感受器兴奋,而且可能参与冷痛觉的形成。大多数Aδ纤维和C类纤维是多觉型的,即机械性刺激和冷刺激均可引起其兴奋,并且激活的温度阈值大约是20~-10℃较宽的温度范围内[2]。这里需要指出的是冷刺激本身又能损伤皮肤表浅部位神经末梢的传导,实验发现当皮肤暴露在2~3℃条件下,这些部位的无髓鞘神经则不能传导动作电位,这就可以解释寒冷通常可以引起皮肤麻木感觉的原因。

4小结

综上所述,近年来不仅在皮肤损伤性和非损伤性冷觉与热觉转导以及传人机制的研究有了许多新进展,而且也发现皮肤角质细胞在温觉转导中也有重要的作用。现将本文主要内容小结如下:(D皮肤感觉传人神经元具有对温度刺激进行编码的功能。热觉和冷觉通过其初级传人纤维介导,即热觉纤维和冷觉纤维。损伤性热刺激和损伤性冷刺激分别通过Aδ和C类损伤感受器感知,这些传人活动与损伤性温度刺激的痛觉分级密切相关。

(2)温度敏感性TRP通道的发现,极大的促进了人们对温度刺激转导机制的认识。TRP通道是感知温度变化的分子装置,损伤性和非损伤性温度刺激均由TRP通道转导。①TRPM8和TRPV3/4分别编码非损伤性:令热觉;②TRPA1转导损伤性冷乏容:莘导庄伤哇热刺激:CTRP热敏通道乜能惠受亿学孩仨莨慧,列如TRPⅤ±参与机铉仨蓑导,TRPV2可祆乐渗仨妄章慧活,雨TRPV1能被质子和花生四烯乙醇胺激活。此外,TRPV1感受器在内耳细胞也有表达。由此可见,TRP通道的作用并不局限于温度感觉,可能是一种多觉型感受器。

(3)皮肤角质细胞在温觉转导中有重要作用。其主要特点是:①角质细胞分布有感觉传人神经纤维;②角质细胞分泌的化学物贡能够兴奋或者抑制感觉神经元:e角质细胞表达热激活温度敏感型TRPⅤ3和TRPV=事子逞逭之忌觉神经元的多,热刺激角质细饱可记录豇这石个逞逭葑介导电流;④实验证明角质细胞有参与温觉印唇觉信号转导的受体。

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