梁 楓 李少華 鞏 超
慢性疼痛是一種嚴(yán)重影響人類生活質(zhì)量的疾病,嚴(yán)重的慢性疼痛與多種疾病死亡率的升高有關(guān)[1]。關(guān)于慢性疼痛的發(fā)生機(jī)制眾說(shuō)紛紜。有學(xué)者認(rèn)為,持續(xù)性疼痛與中腦邊緣-前額葉環(huán)路的神經(jīng)發(fā)生可塑性改變有關(guān)[2];也有學(xué)者認(rèn)為,外周傷害性刺激通過(guò)改變感覺(jué)神經(jīng)元的DNA甲基化和組蛋白修飾而改變基因的表達(dá),從而參與慢性疼痛的發(fā)生[3];還有觀點(diǎn)認(rèn)為,慢性疼痛是一種復(fù)雜的生物心理社會(huì)經(jīng)歷,不一定存在病理學(xué)改變[4]。1995年的研究[5]結(jié)果證實(shí),炎癥反應(yīng)在慢性疼痛的發(fā)展中發(fā)揮重要作用,慢性疼痛模型中的多種促炎癥細(xì)胞因子(簡(jiǎn)稱促炎因子)和生長(zhǎng)因子水平升高。之后的研究結(jié)果表明,弗氏佐劑誘導(dǎo)的慢性炎癥性疼痛[5-6]和神經(jīng)損傷性疼痛[7-8]中IL-1β均呈高水平。此外,由于慢性疼痛長(zhǎng)期存在,高水平的IL-1β可能參與機(jī)體生理學(xué)的改變,造成認(rèn)知和情緒障礙,如短期記憶下降、抑郁的發(fā)生[7]。
IL-1β是一種相對(duì)分子質(zhì)量為17 500的促炎因子,是IL-1家族中早期被發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞因子之一,可由多種細(xì)胞產(chǎn)生,如單核細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、滑膜細(xì)胞、受損的內(nèi)皮細(xì)胞等[9]。由于未經(jīng)過(guò)高爾基體加工,IL-1β儲(chǔ)存在細(xì)胞質(zhì)中,在細(xì)胞受到外界刺激或死亡時(shí)釋放至細(xì)胞外[10]。釋放后的IL-1β通過(guò)與其特異性的受體結(jié)合,經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),發(fā)揮多種生物學(xué)效應(yīng),如調(diào)節(jié)免疫、促進(jìn)炎癥、對(duì)抗入侵的病菌等。近年來(lái),文獻(xiàn)[11-13]報(bào)道,IL-1β參與慢性疼痛的發(fā)生和發(fā)展。
目前慢性疼痛患者數(shù)量眾多,對(duì)鎮(zhèn)痛治療的需求較大。然而,現(xiàn)有的治療方法療效欠佳,亟需新的角度與切入點(diǎn)。IL-1β在由痛覺(jué)過(guò)敏等造成的慢性疼痛反應(yīng)中發(fā)揮重要作用,可作為慢性疼痛的治療靶點(diǎn)。
在慢性炎癥性疼痛和神經(jīng)病理性疼痛中,IL-1β主要來(lái)源于膠質(zhì)細(xì)胞,包括小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞[14]。20世紀(jì)90年代的研究[15]發(fā)現(xiàn),經(jīng)內(nèi)毒素處理后,大鼠大腦內(nèi)有廣泛的、短暫的IL-1β水平升高,經(jīng)免疫組織化學(xué)染色后可見(jiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞和升高的IL-1β存在共定位。Watkins等[16]在慢性炎癥性疼痛的大鼠模型中發(fā)現(xiàn)活化的膠質(zhì)細(xì)胞可分泌一些促炎因子,如IL-1β和神經(jīng)生長(zhǎng)因子(nerve growth factor, NGF)等。提示小膠質(zhì)細(xì)胞是疼痛狀態(tài)下IL-1β的主要來(lái)源之一。
眾多關(guān)于膠質(zhì)細(xì)胞分泌IL-1β調(diào)節(jié)機(jī)制的研究結(jié)論不盡相同。主流的觀點(diǎn)是膠質(zhì)細(xì)胞作為神經(jīng)系統(tǒng)的免疫細(xì)胞,在神經(jīng)受損時(shí)被激活,釋放包括IL-1β在內(nèi)的多種炎癥介質(zhì)[14]。此外,Wong等[17]的研究發(fā)現(xiàn),皮下注射前列腺抗原誘發(fā)的免疫反應(yīng)也可引起膠質(zhì)細(xì)胞活化,IL-1β水平升高,從而引起慢性疼痛。調(diào)控IL-1β的釋放機(jī)制涉及不同的受體。Zarpelon等[18]在坐骨神經(jīng)慢性縮窄性損傷(CCI)模型中發(fā)現(xiàn),少突膠質(zhì)細(xì)胞來(lái)源的IL-33通過(guò)作用于IL-33受體來(lái)促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞的增殖,并參與調(diào)節(jié)IL-1β在脊髓中的釋放。也有研究[19]結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)激動(dòng)劑或ATP的長(zhǎng)時(shí)間刺激,位于膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞膜表面且對(duì)ATP敏感的離子通道型P2X7受體,可引起細(xì)胞活化,導(dǎo)致鈣內(nèi)流,使細(xì)胞內(nèi)鈣濃度迅速升高,促進(jìn)IL-1β的釋放。
Berta等[20]在嗎啡誘導(dǎo)的急性抗傷害和痛覺(jué)過(guò)敏模型中發(fā)現(xiàn),嗎啡可導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的IL-1β水平升高,而IL-1β則可縮短嗎啡的鎮(zhèn)痛時(shí)長(zhǎng),起到調(diào)節(jié)作用;進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)嗎啡處理后,大鼠背根神經(jīng)節(jié)的星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)金屬基質(zhì)蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9, MMP9)表達(dá)上調(diào),消除或者抑制MMP9可減少星形膠質(zhì)細(xì)胞活化,從而使IL-1β水平下降。Grace等[21]的研究發(fā)現(xiàn),嗎啡通過(guò)誘導(dǎo)脊髓背角小膠質(zhì)細(xì)胞的NOD樣受體蛋白3,產(chǎn)生炎癥小體而參與IL-1β的釋放。這提示MMP9可能是IL-1β的上游刺激因子,作用于膠質(zhì)細(xì)胞,調(diào)節(jié)炎癥小體的產(chǎn)生,進(jìn)而調(diào)控IL-1β的生成。
痛覺(jué)過(guò)敏是慢性疼痛的主要表現(xiàn)之一,其發(fā)生機(jī)制與神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性有關(guān),包括一些受體、離子通道、突觸網(wǎng)絡(luò)連接的改變等[22]。IL-1β可以影響整個(gè)痛覺(jué)傳導(dǎo)通路,其由膠質(zhì)細(xì)胞分泌,與受體結(jié)合后作用于膠質(zhì)細(xì)胞本身,也可作用于外周神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元(如背根神經(jīng)的感覺(jué)神經(jīng)元),通過(guò)不同的信號(hào)通路,引起神經(jīng)元的敏感性改變和活性因子的釋放,參與痛覺(jué)過(guò)敏的發(fā)生過(guò)程。
3.1 IL-1β對(duì)外周傷害性感受器的影響 IL-1β可誘導(dǎo)外周傷害性感受器中降鈣素基因相關(guān)肽釋放,發(fā)生痛覺(jué)過(guò)敏。體外實(shí)驗(yàn)[23]結(jié)果表明,IL-1β刺激皮膚的傷害性感受器之后,可引起降鈣素基因相關(guān)肽的分泌增多,導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生熱痛覺(jué)過(guò)敏,且降鈣素基因相關(guān)肽增多程度與IL-1β劑量之間存在量效關(guān)系,提示IL-1β可能是一些炎癥和神經(jīng)病變熱痛覺(jué)過(guò)敏的重要始動(dòng)因素。實(shí)驗(yàn)[5]結(jié)果也表明,在弗氏佐劑誘導(dǎo)的慢性炎癥性疼痛動(dòng)物的背根神經(jīng)節(jié)中發(fā)現(xiàn)降鈣素基因相關(guān)肽表達(dá)上調(diào)。
此外,IL-1β可以使NGF水平增高,在炎癥性痛覺(jué)過(guò)敏中發(fā)揮重要作用。既往關(guān)于慢性疼痛模型的研究[5,16]已發(fā)現(xiàn),在大鼠足底注射IL-1β可以引起短時(shí)的熱痛覺(jué)過(guò)敏,且可測(cè)到皮下NGF水平增高。IL-1β受體拮抗劑可抵消IL-1β升高NGF水平的作用;抗NGF抗體可減少痛覺(jué)過(guò)敏發(fā)生,但并不影響在IL-1β刺激下NGF水平的增高。升高的NGF作用于感覺(jué)神經(jīng)末梢,通過(guò)與其表面的原肌球蛋白受體激酶和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子受體p75結(jié)合,引起下游信號(hào)傳導(dǎo),從而促進(jìn)軸突過(guò)度生長(zhǎng)而參與痛覺(jué)過(guò)敏的發(fā)生[24]。
3.2 IL-1β對(duì)感覺(jué)神經(jīng)元的影響 IL-1β可以與感覺(jué)神經(jīng)元相應(yīng)的受體結(jié)合參與痛覺(jué)過(guò)敏發(fā)生過(guò)程。IL-1β受體Ⅰ型(IL-1βr1)表達(dá)于感覺(jué)神經(jīng)元,參與疼痛的發(fā)生過(guò)程[25]。IL-1β與IL-1βr1受體結(jié)合,形成受體復(fù)合物,引起酪氨酸激酶聚集,進(jìn)而引起下游蛋白激酶C的激活,后者可引起辣椒素受體發(fā)生磷酸化,使神經(jīng)元對(duì)熱刺激的感受閾值降低,即局部對(duì)傷害性熱刺激敏感化。使用非特異性蛋白激酶抑制劑,如酪氨酸激酶抑制劑、蛋白激酶C抑制劑均可減少I(mǎi)L-1β引起的熱敏感反應(yīng)[25]。Yang等[26]通過(guò)對(duì)40%甲醛溶液誘導(dǎo)的炎癥性疼痛模型研究發(fā)現(xiàn),IL-1β刺激后可引起絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)途徑中的關(guān)鍵分子——細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)1/2和p38的磷酸化表達(dá)上調(diào),此兩者均可見(jiàn)于脊髓背角神經(jīng)元中,后者表達(dá)于小膠質(zhì)細(xì)胞中,增加機(jī)體對(duì)傷害感受的敏感性。通過(guò)采用小膠質(zhì)細(xì)胞抑制劑和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白激酶的激酶(MEK,ERK的上游分子)抑制劑,可減輕IL-1β誘導(dǎo)的疼痛過(guò)敏。MAPK途徑是IL-1激活后的經(jīng)典途徑,可能通過(guò)IL-1β受體(IL-1βr)在產(chǎn)生和維持痛覺(jué)過(guò)敏中發(fā)揮作用。
在炎癥性疼痛模型的脊髓雙側(cè)神經(jīng)元中均可以檢測(cè)到環(huán)氧合酶2(cyclooxygenase, Cox-2)mRNA的表達(dá)量增高。通過(guò)在鞘內(nèi)注射IL-1β或IL-1β阻滯劑,可分別使Cox-2 mRNA表達(dá)量增高或降低,提示IL-1β可促進(jìn)脊髓神經(jīng)元的Cox-2生成,導(dǎo)致腦脊液中前列腺素E2(prostaglandin E2, PGE2)水平升高,造成痛覺(jué)過(guò)敏。抑制IL-1β誘導(dǎo)的Cox-2生成,或者直接抑制中樞的Cox-2活性,可減輕炎癥性疼痛的痛覺(jué)過(guò)敏[27]。Lopshire等[28]的研究結(jié)果顯示,PGE2可作用于感覺(jué)神經(jīng)元,通過(guò)環(huán)磷酸腺苷(cAMP)傳導(dǎo)通路提高辣椒素誘導(dǎo)的離子電流,從而參與痛覺(jué)過(guò)敏的發(fā)生。關(guān)于IL-1β引起Cox-2水平升高的機(jī)制研究眾多,如Narita等[29]的研究結(jié)果表明,在炎癥性疼痛模型的同側(cè)脊髓神經(jīng)元中,IL-1β可提高細(xì)胞內(nèi)NF-κB的水平,即依賴NF-κB的轉(zhuǎn)錄途徑,誘導(dǎo)Cox-2生成,引起熱痛覺(jué)過(guò)敏;也有研究[30]結(jié)果表明,IL-1β可引起轉(zhuǎn)錄因子cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白磷酸化增多,從而促進(jìn)Cox-2的生成。
有研究結(jié)果顯示,除了上述的炎癥因子外,神經(jīng)元中趨化因子的表達(dá)也有改變。在抗癌藥奧沙利鉑引起的慢性疼痛反應(yīng)中,IL-1β可能通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3途徑引起背根神經(jīng)節(jié)的C-X-C基序趨化因子12(C-X-C motif chemokine 12, CXCL12)水平升高,進(jìn)而引起痛覺(jué)過(guò)敏[31]。在瑞芬太尼引起的痛覺(jué)過(guò)敏模型的脊髓背角神經(jīng)元中也可檢測(cè)到的CXCL12水平升高。研究[32]結(jié)果表明,CXCL12可通過(guò)作用在脊髓背根神經(jīng)元的C-X-C基序趨化因子受體4,引起N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate, NMDA)受體的NR2B亞基磷酸化,從而參與痛覺(jué)過(guò)敏的發(fā)生過(guò)程。
綜上,IL-1β可活化多種神經(jīng)元內(nèi)信號(hào)通路,但不同信號(hào)通路之間是否存在交叉關(guān)聯(lián),以及通過(guò)何種分子表達(dá)而影響痛覺(jué)過(guò)敏等,鮮見(jiàn)相關(guān)研究。
3.3 IL-1β促進(jìn)中樞敏化 長(zhǎng)期慢性疼痛可以引起中樞敏化,提高神經(jīng)元的敏感性,在產(chǎn)生和維持痛覺(jué)過(guò)敏中發(fā)揮重要作用。中樞敏化由興奮性突觸傳遞增加和(或)抑制性突觸傳遞減少引起。Kawasaki等[30]在大鼠模型的脊髓神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn),IL-1β可提高興奮性突觸傳遞的頻率和幅度,減少抑制性突觸傳遞的頻率和幅度。IL-1β可通過(guò)IL-1受體(IL-1R),增加位于大鼠脊髓背角神經(jīng)元中α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸和NMDA誘導(dǎo)的電流強(qiáng)度,從而促進(jìn)神經(jīng)元的中樞敏化[33],且IL-1β導(dǎo)致的突觸后NMDA誘導(dǎo)增強(qiáng)作用可持續(xù)存在。這種神經(jīng)元的可塑性改變參與持續(xù)性疼痛的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。此外,CXCL12引起的痛覺(jué)過(guò)敏也與中樞敏化有關(guān)。
3.4 IL-1β促進(jìn)炎癥和調(diào)控其他炎癥因子的表達(dá) 慢性疼痛所致的痛覺(jué)過(guò)敏發(fā)生機(jī)制涉及眾多促炎因子(包括IL-1β、IL-6、TNF-α等)水平的改變,這些促炎因子作為重要的炎癥介質(zhì),參與膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)神經(jīng)元的影響,進(jìn)而引起痛覺(jué)過(guò)敏[34]。IL-1β在其中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用,其可作用于膠質(zhì)細(xì)胞,釋放炎癥因子,也可以調(diào)控NGF、Cox-2、PGE2等因子的表達(dá),促進(jìn)炎癥發(fā)生。此外,IL-1β作為早期炎癥因子,作用于星形膠質(zhì)細(xì)胞的MAPK/p38和NF-κB通路,促進(jìn)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)的表達(dá)和NO的釋放[35],引起痛覺(jué)過(guò)敏。Kuboyama等[36]研究發(fā)現(xiàn),一氧化氮合酶(NOS)基因敲除小鼠的疼痛模型的痛覺(jué)反應(yīng)明顯減弱,小膠質(zhì)細(xì)胞的活化水平也有所降低。進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn),NO可上調(diào)炎癥因子(如IL-6)和一些受體(如P2X受體)的表達(dá)。提示在慢性疼痛中,高表達(dá)的IL-1β可通過(guò)iNOS/NO途徑,調(diào)控其他促炎因子并作用于其受體,參與痛覺(jué)過(guò)敏發(fā)生過(guò)程。
4.1 IL-1β可作為臨床上慢性疼痛的輔助診斷指標(biāo) Bowles等[37]對(duì)骨關(guān)節(jié)炎小鼠模型的慢性疼痛進(jìn)行研究,通過(guò)測(cè)定血清IL-1β水平和小鼠痛閾,發(fā)現(xiàn)血清IL-1β水平與疼痛敏感性有很強(qiáng)的相關(guān)性。Koch等[38]通過(guò)比較慢性疼痛患者與正常人血清中炎癥因子水平,發(fā)現(xiàn)血清中IL-1β水平與疼痛的程度相關(guān)。同時(shí),發(fā)現(xiàn)慢性疼痛患者血清NO水平也顯著升高。提示可以通過(guò)測(cè)定血清中IL-1β水平或IL-1β下游的活性分子來(lái)評(píng)估疼痛的嚴(yán)重程度,為選擇治療方案提供量化指標(biāo)。此外,由于慢性疼痛存在中樞敏化和膠質(zhì)細(xì)胞活化,腦脊液中的IL-1β水平的變化也可能與疼痛程度相關(guān),但目前缺乏相關(guān)研究。
4.2 IL-1β在慢性疼痛中的治療應(yīng)用 針對(duì)IL-1β參與痛覺(jué)過(guò)敏發(fā)生的機(jī)制,有很多研究通過(guò)阻斷信號(hào)傳導(dǎo)或者阻滯活性分子來(lái)減輕疼痛。Wu等[39]通過(guò)在大鼠模型中采用糖蛋白120誘導(dǎo)免疫缺陷相關(guān)的痛覺(jué)過(guò)敏,經(jīng)白藜蘆醇治療后發(fā)現(xiàn)痛覺(jué)過(guò)敏發(fā)生顯著減少,其機(jī)制可能涉及抑制P2X7受體表達(dá),減少膠質(zhì)細(xì)胞的活化和IL-1β的產(chǎn)生,降低ERK1/2的磷酸化水平,以及促進(jìn)IL-10的釋放等多個(gè)方面。也有研究以硝?;w作用于CCI模型后發(fā)現(xiàn),其在急性期可以通過(guò)環(huán)磷酸鳥(niǎo)苷/蛋白激酶G/ATP敏感的鉀通道信號(hào)通路來(lái)抑制脊髓小膠質(zhì)細(xì)胞的活化和IL-1β的釋放,在慢性期可以通過(guò)抑制小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞活化,降低IL-1β水平來(lái)減少痛覺(jué)過(guò)敏的發(fā)生[40]。
除了減少I(mǎi)L-1β的來(lái)源,也可以通過(guò)阻斷IL-1β與下游分子之間的聯(lián)系而減少痛覺(jué)過(guò)敏發(fā)生。刺囊酸可以通過(guò)阻斷IL-1β引起下游活性分子的生成,如Cox-2、PGE2、iNOS、NO等,減輕IL-1β引起的炎癥反應(yīng),從而緩解疼痛[41]。IL-1β受體阻滯劑用于動(dòng)物模型有一定的效果,但其存在的不良反應(yīng),使其臨床研究受限。
另外,一些植物提取物也具有鎮(zhèn)痛效果。Wang等[42]發(fā)現(xiàn),在慢性炎癥性疼痛和神經(jīng)損傷性疼痛模型中,通過(guò)應(yīng)用蘿卜硫素,可以明顯減輕小鼠的疼痛反應(yīng),且存在一定的量效關(guān)系。其作用機(jī)制是可以減少促炎因子(如IL-1β)釋放,增加抗炎癥細(xì)胞因子釋放,且能拮抗Cox-2和NOS的致痛作用。巴西一種植物的葉子提取物可減輕弗氏佐劑誘導(dǎo)的急、慢性疼痛反應(yīng),也可促使炎癥部位的IL-1β水平下降[6]。
IL-1β還可能通過(guò)其他機(jī)制參與慢性疼痛的痛覺(jué)過(guò)敏的發(fā)生過(guò)程。將脂肪來(lái)源的干細(xì)胞注入慢性神經(jīng)病理性疼痛模型后發(fā)現(xiàn),小鼠的疼痛反應(yīng)明顯減輕,原因可能是脂肪來(lái)源的干細(xì)胞降低了炎癥因子IL-1β的水平,提高了抑炎因子IL-10的水平,促進(jìn)了NOS的表達(dá),從而緩解疼痛[43]。此外,高壓氧艙治療慢性神經(jīng)病理性疼痛有一定的療效,Zhao等[44]通過(guò)大鼠模型研究發(fā)現(xiàn),高壓氧艙治療可以抑制黏著斑蛋白kindlin-1的表達(dá)。kindlin-1增高可引起膠質(zhì)細(xì)胞的激活和IL-1β水平升高,進(jìn)而拮抗高壓氧艙的治療作用,提示抑制kindlin-1后可減輕神經(jīng)病理性疼痛中的炎癥反應(yīng)而緩解疼痛。也有研究[45]將納米材料用于慢性疼痛的治療,將有機(jī)硒化合物放入納米膠囊中,可提高藥物靶向性,抑制IL-1β水平的升高,從而明顯減少痛覺(jué)過(guò)敏的發(fā)生。
慢性疼痛是一種慢性炎癥反應(yīng),IL-1β在其發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中起重要作用。IL-1β可來(lái)源于多種細(xì)胞,在慢性疼痛中其主要來(lái)自于膠質(zhì)細(xì)胞,并受不同細(xì)胞因子調(diào)節(jié)。IL-1β可作用于痛覺(jué)傳導(dǎo)通路中的外周感受器、感覺(jué)神經(jīng)元、中樞神經(jīng)元等部位,導(dǎo)致其敏感化;并作為膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元之間的重要介質(zhì),參與痛覺(jué)過(guò)敏的發(fā)生。然而,尚無(wú)關(guān)于IL-1β在痛覺(jué)調(diào)節(jié)通路上通過(guò)減弱抑制效應(yīng)來(lái)參與痛覺(jué)過(guò)敏發(fā)生過(guò)程的研究。
目前,針對(duì)IL-1β來(lái)源或者其作用機(jī)制來(lái)治療慢性疼痛的研究較多,可達(dá)到減少痛覺(jué)過(guò)敏發(fā)生的作用。一些藥物的有效性提示了存在未被發(fā)現(xiàn)的痛覺(jué)過(guò)敏發(fā)生機(jī)制。臨床上可針對(duì)IL-1β進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究,從而改善患者的生活質(zhì)量。