傷害性感受器的研究進(jìn)展

傷害性感受器的研究進(jìn)展

在動物體內(nèi)，水體通過減少所需的化學(xué)、機(jī)械或熱刺激過程，被稱為減少所需的感覺。那些存在于背根神經(jīng)節(jié)和三叉神經(jīng)節(jié)中,感受和傳遞傷害性沖動的初級感覺神經(jīng)元的外周部分則稱為傷害性感受器,它們在形態(tài)學(xué)上是初級感覺神經(jīng)元的神經(jīng)末梢,廣泛分布于皮膚、肌肉、關(guān)節(jié)和內(nèi)臟器官,其中80%為多型傷害性感受器,即該感受器可感受多種刺激,如熱、機(jī)械及化學(xué)性刺激,并可將這些傷害性信息傳遞給中樞,最終引起痛覺和不舒服的感覺,并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)性反射。因此,通過研究傷害性感受器信息傳導(dǎo)的細(xì)胞及分子機(jī)制將可以更好地理解疼痛的產(chǎn)生及維持過程中所出現(xiàn)的一系列的行為變化。1997年克隆的辣椒素受體(vanilloidreceptorsubtype1,VR1)廣泛分布于這些傷害性感受器上,并證明它參與了急性炎癥痛敏的形成,且用基因敲除的方法也證明其是熱痛覺敏感產(chǎn)生所必需的。隨著對VR1的不斷深入地研究及其家族新成員的陸續(xù)發(fā)現(xiàn),越來越多的證據(jù)表明VR1參與了疼痛的發(fā)生機(jī)制。一、辣椒素受體的提出辣椒素是辣椒中的主要辛辣成分。在19世紀(jì)中葉Thresh首次將其從辣椒粉中分離并命名為capsaicin。在以后的很長一段時(shí)間里,都沒有人將辣椒素與疼痛聯(lián)系起來。直到1919年,Nelson報(bào)道了辣椒素的結(jié)構(gòu),是一種?；南悴菟嵬赐滴锔呦悴菟?homovanillicacid),這也是之所以把在以后發(fā)現(xiàn)的辣椒素受體命名為香草酸受體(vanilloidreceptor,VR)的原因。在20世紀(jì)50年代,Jancso提出了辣椒素參與了激活感知痛覺的神經(jīng)元的活動。從此以后,有關(guān)辣椒素在疼痛中的研究愈來愈多,人們發(fā)現(xiàn)辣椒素不僅可用于研究傷害性感受器初級傳入的神經(jīng)生物學(xué),而且通過辣椒素可以探討新的研究慢性痛的方法。二、香品種受體亞型辣椒素之所以用途如此之大,其原因在于它具有非常明顯的細(xì)胞特異性,即其可激活無髓鞘C纖維上的非特異性離子通道——辣椒素受體,從而產(chǎn)生生物學(xué)活性。該受體在1997年才被Julius及其同事運(yùn)用表達(dá)克隆策略的方法成功克隆,命名為香草酸受體亞型1(vanilloidreceptorsubtype1,VR1),并認(rèn)為可能存在著亞型。因此近幾年來,人們的注意力逐漸由辣椒素轉(zhuǎn)移到其受體上,對其進(jìn)行了多方面的研究。(一)親水性及羧基末的分析VR1是一個(gè)配體門控的非選擇性陽離子通道,當(dāng)其與配體結(jié)合后,通道開放,陽離子(尤其是鈉離子和鈣離子)從胞外進(jìn)入胞內(nèi),引發(fā)了一系列生物學(xué)效應(yīng)。通過VR1受體和電壓依賴的鈣離子通道引起的鈣離子內(nèi)流導(dǎo)致了神經(jīng)末梢釋放神經(jīng)肽類和興奮性氨基酸。親水性分析(hydrophilicityanalysis)顯示它有6個(gè)跨膜區(qū),其中在第5和第6個(gè)跨膜區(qū)之間有一個(gè)短的孔狀疏水結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)參與并調(diào)控了辣椒素激活VR1的過程,而與氫離子和溫度的關(guān)系不大。其氨基末端的親水區(qū)(432個(gè)氨基酸)包含了一個(gè)脯氨酸富集區(qū)(proline-richregion),其連接了三個(gè)鉤狀重復(fù)區(qū)域,據(jù)推測可能參與了受體蛋白之間的相互作用(圖1);羧基末端(154個(gè)氨基酸)包含了一些不可識別的基序(motif),其功能尚不清楚。VR1與瞬時(shí)感受器電位(transientreceptorpotential,TRP)家族的一些成員在氨基酸序列上有23%的同源性,TRP家族的相關(guān)分子的核心跨膜結(jié)構(gòu)類似于鉀離子門控或環(huán)核苷酸門控通道。(二)trka陽性神經(jīng)元和vr1表達(dá)VR1廣泛分布于背根神經(jīng)節(jié)(dorsalrootganglion,DRG)、三叉神經(jīng)節(jié)和迷走神經(jīng)節(jié)中的中等和小型神經(jīng)元上,而正是這些神經(jīng)元介導(dǎo)了傷害性信息的傳入。背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元從體積上可粗略分為大(Φ≥50μm)、中(50>Φ27μm)和小(Ф≤27μm)三個(gè)細(xì)胞群。使用電生理方法發(fā)現(xiàn),大部分小直徑神經(jīng)元與細(xì)的有髓鞘的Aδ纖維或無髓鞘的C纖維相連,因而認(rèn)為其與痛覺傳遞關(guān)系密切。這些小直徑神經(jīng)元可通過免疫組織化學(xué)的方法分為肽能和非肽能兩個(gè)亞群,前者含神經(jīng)肽類物質(zhì),如P物質(zhì)(substanceP,SP)和降鈣素基因相關(guān)肽(calcitoningenerelatedpeptide,CGRP),表達(dá)trkA,它是神經(jīng)生長因子(nervegrowthfactor,NGF)的高親和力受體,構(gòu)成痛覺傳遞的肽能通路;后者的trkA在出生后三周消失,一般不含有神經(jīng)肽,此群神經(jīng)元可與一種植物凝集素IB4(isolectinB4)特異性結(jié)合。這兩種神經(jīng)元末梢位于脊髓的不同部位,trkA陽性神經(jīng)元的末梢主要終止于脊髓背角的淺層(Ⅰ層和Ⅱ?qū)油鈧?cè));IB4陽性神經(jīng)元的末梢則終止于Ⅱ?qū)觾?nèi)側(cè)中有高水平蛋白激酶Cγ(proteinkinaseCγ,PKCγ)表達(dá)的一條狹長地帶。利用膜片鉗技術(shù)可在IB4陰性神經(jīng)元上記錄到大量的傷害性熱刺激誘發(fā)的離子電流,提示此群神經(jīng)元是傷害性熱刺激的感受器。采用同源重組技術(shù)制成小鼠PKCγ基因缺陷模型可阻斷部分神經(jīng)切除引起的神經(jīng)病理性疼痛,實(shí)驗(yàn)性大鼠及小鼠的后爪炎癥則可引起trkA陽性神經(jīng)元表達(dá)高水平的SP,提示慢性炎癥痛主要由trkA陽性神經(jīng)元介導(dǎo);而外周神經(jīng)損傷所導(dǎo)致的神經(jīng)病理性痛則由IB4陽性神經(jīng)元介導(dǎo)。為了確定哪些感覺神經(jīng)元表達(dá)了VR1蛋白,研究者們運(yùn)用免疫組織化學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)80%的trkA和IB4陽性神經(jīng)元表達(dá)了VR1蛋白樣活性物質(zhì)。應(yīng)用原位雜交的方法檢測到VR1的mRNA在trkA陽性神經(jīng)元上有廣泛的分布,而在IB4陽性的神經(jīng)元上則有相對少些的分布。但在病理情況下VR1是如何變化的尚不清楚。最近用免疫組織化學(xué)的方法證實(shí)VR1在有髓鞘的Aδ纖維上也有表達(dá)。(三)vr1的內(nèi)源性研究Caterina等發(fā)現(xiàn)克隆的VR1可被多種傷害性刺激激活,目前研究最多的主要有三種:芳香草醛化合物(以辣椒素為代表)、熱刺激(>43℃)和氫離子(proton)(圖2)。這些刺激可在在體時(shí)共同調(diào)節(jié)VR1的活性,尤其在組織酸化和溫度升高的病理情況下。而且,Zygmunt等(1999)發(fā)現(xiàn)可能存在VR1的內(nèi)源性配體(如膜源性的脂類物質(zhì))參與了在體通道活性的調(diào)制。目前尚不清楚VR1是如何探測或整合這些不同的刺激,考慮到是因?yàn)槭荏w通道蛋白本身的內(nèi)在特性決定的。1.內(nèi)鏡條件激活辣椒素可以激活小直徑的感覺神經(jīng)元而引起痛覺,并呈劑量相關(guān)性地釋放SP和CGRP等神經(jīng)肽類物質(zhì)和興奮性氨基酸。辣椒素作用于其受體使SP釋放的可能機(jī)制是:辣椒素結(jié)合并激活初級感覺神經(jīng)元末梢的辣椒素受體,引起鈣離子內(nèi)流,胞質(zhì)內(nèi)的鈣離子濃度增高可促使SP的釋放。此過程同時(shí)也可能有cGMP和NO的參與。長期持續(xù)應(yīng)用辣椒素可引起感覺神經(jīng)元的失敏,目前認(rèn)為失敏的原因可能是源于鈣和鈣調(diào)蛋白依賴的去磷酸化,及電壓依賴的鈣離子通道的長時(shí)程阻斷。Nicholas等(1999)發(fā)現(xiàn)感覺神經(jīng)元的末梢對辣椒素的敏感性依賴于NGF的存在。另外,細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的蓄積也可導(dǎo)致一些鈣離子依賴的酶被激活并且同時(shí)削弱了線粒體的功能,從而增強(qiáng)了脫敏性。2.vr1與辣椒素激活的關(guān)系VR1受溫度控制,但只有當(dāng)溫度>43℃時(shí),該通道才會被激活,此溫度閾值與熱刺激在人和動物上誘發(fā)疼痛的閾值相似。用轉(zhuǎn)染VR1的HEK293細(xì)胞和卵母細(xì)胞來檢測VR1對辣椒素和熱刺激的活性,結(jié)果顯示VR1介導(dǎo)的熱刺激誘發(fā)電流的主要成分是鈣離子的大量內(nèi)流,這與辣椒素激活VR1后所產(chǎn)生的電流類似。說明它們之間確實(shí)存在顯著的相關(guān)性。而且,這兩種傷害性刺激激活VR1產(chǎn)生的電流可被辣椒素受體的拮抗劑capsazepine和rutheniumred所削弱。VR1的選擇性點(diǎn)突變可以明顯地改變其激活所需的辣椒素強(qiáng)度和熱刺激閾值。用電生理的方法在組織培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞上也證明了VR1可能組成了熱激活的離子通道。而且,基因型為VR1-/-的基因敲除小鼠對角叉菜膠(carrageenan)誘發(fā)的熱痛覺過敏反應(yīng)能力喪失。上述證據(jù)均表明VR1參與了熱痛覺過敏的產(chǎn)生。但是否降低溫度會抑制辣椒素誘發(fā)的電流呢?在體外培養(yǎng)的大鼠背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞上得出的研究結(jié)果表明,當(dāng)溫度降低時(shí)(從31℃下降到14℃),的確可以抑制辣椒素誘發(fā)的電流,此現(xiàn)象可以解釋當(dāng)大幅度降低體表溫度時(shí),可緩解和減輕炎性痛的原因。3.氫離子激動劑激活的必要性在感覺神經(jīng)元,由氫離子激發(fā)所產(chǎn)生的電流包含兩種成分:一種是迅速失活的、選擇性的鈉離子線性電流;另一種則是較為持久的、非選擇性陽離子介導(dǎo)的外向整合電流。Reeh等認(rèn)為后一種電流成分被認(rèn)為是組織酸化后引起疼痛時(shí)所產(chǎn)生的電流,而VR1則是其中的關(guān)鍵組成。在感覺神經(jīng)元中,VR1在一定的氫離子濃度范圍內(nèi)被激活,伴隨著持續(xù)激發(fā)的電流,氫離子可使神經(jīng)支配的組織和缺血及炎癥造成損傷的組織釋放神經(jīng)肽。盡管如此,至今仍舊不清楚VR1是否可以完全代表在生理狀態(tài)下氫離子激發(fā)的持續(xù)性疼痛?？紤]到在組織損傷后,VR1被激活所產(chǎn)生的效應(yīng)可能是氫離子及溫度的綜合效應(yīng)。在正常外界溫度或室溫的情況下,如果pH值明顯降低(如pH=5.4)也可激活VR1。這些相互作用使得在缺血或損傷的組織中,pH值的輕微改變就可以明顯加重疼痛并產(chǎn)生自主反射。其原因可能是組織損傷引起了組織的酸化,從而提高了組織對外界熱刺激和化學(xué)刺激的反應(yīng)性。事實(shí)上,氫離子加強(qiáng)VR1對熱傷害性刺激的反應(yīng)是炎癥后傷害性感受器對熱刺激敏感性增加的具體體現(xiàn)。這三種激動劑使VR1激活的機(jī)制是否存在著相互關(guān)系呢?實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),辣椒素和氫離子引起的受體失敏是鈣依賴性的,而熱刺激則為非鈣依賴性的。它們可能并不是通過一種簡單的模式,即作用于通道的同一位點(diǎn)而發(fā)揮作用。另一方面,VR1的競爭性拮抗劑capsazepine可以阻斷辣椒素、熱刺激和氫離子激活VR1產(chǎn)生的電流,提示這三種傷害性刺激在某種程度上又存在著相同的機(jī)制。另外,辣椒素與VR1結(jié)合后可影響正常生理?xiàng)l件下熱刺激和氫離子對離子通道的開放,此時(shí),辣椒素不是作為一種激動劑、而是調(diào)節(jié)劑來發(fā)揮作用,它降低了VR1對氫離子和熱刺激反應(yīng)的閾值。(四)capsazepere對辣椒素激活的作用Capsazepine是一種合成的辣椒素的類似物,可特異地抑制辣椒素的作用。辣椒素作用于不同的辣椒素敏感的神經(jīng)元標(biāo)本所產(chǎn)生的效應(yīng)均可被capsazepine阻斷或削弱,包括鈣離子的內(nèi)流、組織培養(yǎng)神經(jīng)元的全細(xì)胞電流、反射性的去極化和神經(jīng)肽的釋放。但當(dāng)其它激動劑作用于辣椒素敏感的神經(jīng)元時(shí),所產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)卻不可被capsazepine所拮抗。Oh等(1996)用組織培養(yǎng)的感覺細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),capsazepine可阻斷辣椒素激活的單通道電流,說明capsazepine是直接作用于辣椒素受體的。在體實(shí)驗(yàn)中也得出了capsazepine可阻斷辣椒素產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)。皮下給予capsazepine可抑制辣椒素引起的抗傷害性感受。但在體實(shí)驗(yàn)中capsazepine的有效劑量較離體實(shí)驗(yàn)大得多,皮下給予19～75mg/kg的capsazepine才可阻斷辣椒素產(chǎn)生的效應(yīng)。角叉菜膠誘發(fā)的痛覺過敏可被給予每只大鼠的單側(cè)后足>0.6mg的capsazepine劑量依賴性削弱。但是,Liu等(1997)胞外給予10μmol/L的capsazepine時(shí)不僅可以阻斷辣椒素所產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng),同時(shí)可逆性地減低激活其受體所產(chǎn)生的電流幅度,Santicioli等也指出當(dāng)capsazepine的濃度大于30μmol/L時(shí),其會產(chǎn)生非特異性的反應(yīng)。還有一點(diǎn)需要指出,在炎性痛中,capsazepine對炎性反應(yīng)無減輕作用。上述這些證據(jù)表明,capsazepine是一種辣椒素受體的特異性競爭性阻斷劑。(五)vr1在慢性痛覺異常及炎癥狀的作用VR1廣泛分布于介導(dǎo)傷害性信息傳入的初級感覺神經(jīng)元上。其特異性競爭性拮抗劑capsazepine可抑制角叉菜膠誘導(dǎo)的急性關(guān)節(jié)炎模型上出現(xiàn)的痛敏,且VR1基因敲除的小鼠對角叉菜膠誘發(fā)的熱痛覺過敏反應(yīng)能力喪失。但這種基因缺陷小鼠的其它一些疼痛的主要感覺沒有變化。它們對傷害性機(jī)械及冷刺激有正常的反應(yīng),表明VR1可能在外周局部參與炎癥性痛敏的形成;在中樞,VR1的mRNA在下丘腦分布特別豐富,腦室應(yīng)用它的拮抗劑capsazepine和rutheniumred則可對抗皮下注射辣椒素所造成的急性痛覺過敏,提示中樞的VR1可能也參與痛覺過敏的形成過程。這些事實(shí)說明,VR1及其內(nèi)源性配體可能從外周到中樞的多個(gè)水平上參與急性病理性疼痛的產(chǎn)生過程。至于VR1在急性炎癥(外周給予角叉菜膠誘發(fā)的炎癥)的過程中是如何變化的,Tohda及其同事得到了下面的結(jié)論:急性外周炎癥減少了背根神經(jīng)節(jié)中VR1的mRNA水平,增加了VR1mRNA經(jīng)軸突向周圍和中樞末梢的轉(zhuǎn)運(yùn)。急性炎癥引起了VR1在神經(jīng)末梢的表達(dá)上調(diào),至少是由于VR1的mRNA的軸漿運(yùn)輸增加實(shí)現(xiàn)的;且在急性炎癥中,背根神經(jīng)節(jié)的中樞端對辣椒素的敏感性增加。上述Tohda(2001)等得出的結(jié)果顯示VR1可能參與了初級傳入對辣椒素的高敏感性和炎性痛敏的產(chǎn)生。三、冷和薄荷醇