過琛璐 謝 敏 熊 麗

湖北科技學(xué)院醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院,湖北省咸寧市 437100

病理性疼痛即慢性疼痛是一種很普遍的公共衛(wèi)生問題,給患者的生活和活動(dòng)能力造成了不良影響,同時(shí)產(chǎn)生很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。病理性疼痛分為三大類:可分為由組織疾病或損傷引起的傷害性炎癥性痛(如骨關(guān)節(jié)炎)、由軀體感覺系統(tǒng)疾病或損傷引起的神經(jīng)性疼痛和癌癥引起的癌痛三類[1]。病理性疼痛在臨床上會(huì)使患者伴有焦慮、抑郁等負(fù)面情緒。目前現(xiàn)有的藥物治療有加巴噴丁、普瑞巴林等,但藥物無法充分控制疼痛,并伴有各種副作用。對(duì)病理性疼痛的機(jī)制缺乏了解是易引起這些藥物副作用的主要原因,因此,闡明這些機(jī)制很重要[2]。

糖原合成酶激酶3β(Glycogen synthase kinase 3,GSK-3β)最初于1980年從兔骨骼肌中純化出來,其表征為一種激活三磷酸腺苷/鎂依賴性蛋白磷酸酶和磷酸化糖原合酶 (GS) 的酶。它在神經(jīng)退行性疾病、糖尿病、炎癥性疾病及癌癥中都有重要的意義。GSK-3作為蛋白激酶,正常條件下是有活性的,通過底物磷酸化來調(diào)節(jié)細(xì)胞生理活性。GSK-3β的Ser9位點(diǎn)磷酸化時(shí),GSK-3β 活性下調(diào),Tyr216 位點(diǎn)磷酸化時(shí) GSK-3β 被激活[3]。在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的研究顯示, GSK-3β活性上調(diào)后,對(duì)炎性細(xì)胞因子的表達(dá)具有促進(jìn)作用,對(duì)抗炎因子 IL-10 等的表達(dá)具有抑制作用。在大鼠皮質(zhì)膠質(zhì)細(xì)胞中,GSK-3β 在星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞中均有表達(dá),LPS誘導(dǎo)大鼠皮質(zhì)膠質(zhì)細(xì)胞后,促炎細(xì)胞因子增加,發(fā)現(xiàn)用小分子抑制劑 SB216763 或情緒穩(wěn)定劑氯化鋰抑制 GSK-3可減少促炎細(xì)胞因子(IL-1β和TNF-α)的產(chǎn)生,并增加體外抗炎細(xì)胞因子(IL-10)的產(chǎn)生[4]。上述結(jié)果證明GSK-3β可作為大腦中炎性細(xì)胞因子水平的調(diào)節(jié)劑,通過藥物抑制GSK-3β調(diào)節(jié)其活性并有助于從機(jī)制上了解以神經(jīng)炎癥為特征的神經(jīng)病理性疼痛。

1 GSK-3β的生物學(xué)特性

GSK-3是一種絲氨酸/蘇氨酸 (S/T) 蛋白激酶,它是絲裂原活化蛋白 (MAP) 激酶家族的一部分,在許多信號(hào)級(jí)聯(lián)中起關(guān)鍵作用。早期的研究表明GSK-3β在調(diào)節(jié)糖原代謝中發(fā)揮重要作用,是胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子之一。進(jìn)一步的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),GSK-3β在炎癥反應(yīng)、在氧化應(yīng)激以及癌癥中也起著關(guān)鍵作用。GSK-3β是GSK-3的兩個(gè)經(jīng)典的亞型之一,在結(jié)構(gòu)上高度保守。大多數(shù)關(guān)于GSK-3 的研究都集中在使用化學(xué)抑制劑的β異構(gòu)體上,化學(xué)抑制劑不區(qū)分 α 和 β 異構(gòu)體[5]。GSK-3β抑制劑已被證明對(duì)許多神經(jīng)炎癥疾病模型有益,包括阿爾茨海默病[6]、多發(fā)性硬化癥和AIDS癡呆癥等。鋰是臨床上用于治療雙相情感障礙的常用治療藥物,是一種 GSK-3β 抑制劑[7]。據(jù)報(bào)道,鋰是治療神經(jīng)性疼痛的有效藥物,例如,由部分坐骨神經(jīng)結(jié)扎或坐骨神經(jīng)慢性縮窄性損傷引起的熱痛覺過敏和機(jī)械異常性疼痛可通過全身施用鋰或鞘內(nèi)施用鋰來減輕病理性疼痛。Tideglusib是一種非ATP競(jìng)爭(zhēng)性GSK-3β抑制劑,已在人類膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的異種移植物和PDX鼠模型中進(jìn)行了測(cè)試[8]。在福爾馬林注射誘導(dǎo)的炎性疼痛模型中使用GSK-3β抑制劑NP031115使 GSK-3β 失活從而改善小鼠機(jī)械痛閾和冷痛閾[9]。GSK-3β抑制劑的研究及應(yīng)用,為疾病治療的靶點(diǎn)提供了可能。

2 GSK-3β參與病理性疼痛

病理性疼痛通常由非疼痛(異常性疼痛)或疼痛(過度反應(yīng))刺激引起,常伴有自發(fā)性疼痛、疼痛超敏及觸誘發(fā)痛。有研究認(rèn)為,該病通過神經(jīng)功能缺損導(dǎo)致初級(jí)感覺神經(jīng)元敏感,腦干、脊髓和大腦皮層的興奮性突觸傳遞增強(qiáng),從而導(dǎo)致慢性疼痛[10]。外周和中樞敏化是導(dǎo)致病理性疼痛的主要機(jī)制。在很多病理性疼痛模型中,損傷部位、背根神經(jīng)節(jié)和脊髓背角都有助于病理性疼痛的產(chǎn)生和維持。同時(shí)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在病理性疼痛中的作用也引起了人們的重視。外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中也有GSK-3β的表達(dá),在大腦中,GSK-3β主要定位于神經(jīng)元[11],但也被證明存在于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中[12]。膠質(zhì)細(xì)胞激活和隨后釋放的促炎細(xì)胞因子在病理性疼痛的發(fā)生和維持中起著至關(guān)重要的作用。在嗎啡誘導(dǎo)的大鼠模型中,GSK-3β 抑制改變了脊髓背側(cè)腰椎對(duì)嗎啡的耐受性。GSK-3β 抑制劑SB216763 以劑量依賴性方式降低對(duì)嗎啡的藥理學(xué)耐受性,同時(shí)發(fā)現(xiàn)嗎啡的耐受性與GSK-3β的活性有關(guān),當(dāng)持續(xù)性的鞘內(nèi)給藥會(huì)增加GSK-3β 的 Ser9 位點(diǎn)殘基的磷酸化從而降低嗎啡耐受性,阻止脊髓傷害性感受[13]。在乙酸誘導(dǎo)腹部收縮之前用GSK-3β 抑制劑(AR-A014418)進(jìn)行腹膜內(nèi)預(yù)處理可以減少扭體。在福爾馬林誘導(dǎo)的小鼠模型中通過腹膜內(nèi)、足底內(nèi)和鞘內(nèi)注射用GSK-3β 抑制劑,進(jìn)行預(yù)處理可降低福爾馬林誘導(dǎo)傷害感受后的舔舐頻率[9]。該研究表明 GSK-3β 的藥理學(xué)抑制可能在傷害感受和疼痛中起作用。在周圍神經(jīng)損傷引起的神經(jīng)性疼痛小鼠模型中腹腔內(nèi)給予 GSK-3β 抑制劑 (AR-A014418) 可產(chǎn)生抗痛覺過敏作用并降低脊髓腰部(L1～6)中的促炎細(xì)胞因子 IL-1β和TNF-α,隨著機(jī)械性痛覺過敏的發(fā)展,單次腹膜注射GSK-3β 抑制劑可減輕機(jī)械性和熱性痛覺過敏[14]。這些數(shù)據(jù)表明 GSK-3β 可能是開發(fā)用于治療神經(jīng)性疼痛的鎮(zhèn)痛劑的潛在靶標(biāo)。

2.1 GSK-3β與炎癥的關(guān)系 許多研究表明,病理性疼痛與炎癥系統(tǒng)的激活和免疫系統(tǒng)的改變有密切聯(lián)系。組織中的炎癥介質(zhì)作用于傷害性神經(jīng)末梢,來降低神經(jīng)元興奮閾值并提高傳入放電頻率,從而分別導(dǎo)致異常性疼痛和痛覺過敏的產(chǎn)生。而臨床研究也表明,關(guān)節(jié)炎患者血液中含有大量的炎性因子,比如,腫瘤壞死因子(TNF)和白細(xì)胞介素6(IL-6)等在內(nèi)的促炎細(xì)胞因子大量產(chǎn)生,會(huì)導(dǎo)致NF-κB和 MAP的快速激活,從而控制聚集蛋白聚糖酶的生物利用度和神經(jīng)生長(zhǎng)因子(NGF)的調(diào)節(jié),進(jìn)而引起疼痛[15]。在神經(jīng)炎癥中神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞(包括星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞)大量激活是抵御入侵病原體或損傷相關(guān)產(chǎn)物的第一道防線。在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中的研究發(fā)現(xiàn), GSK-3β 活性上調(diào)后,激活的膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)釋放大量的神經(jīng)活性物質(zhì)和促炎細(xì)胞因子。然而這些炎癥物質(zhì)會(huì)作用于突觸末梢,使傷害性神經(jīng)遞質(zhì)(如SP、EAAs、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、趨化因子等) 大量釋放,作用于痛覺神經(jīng)元,使其敏感性和反應(yīng)性增強(qiáng),產(chǎn)生并維持病理性疼痛。由LPS刺激的小膠質(zhì)細(xì)胞的神經(jīng)炎癥中,虎杖苷的治療就是通過激活BV-2細(xì)胞中的AKT/GSK3β-Nrf2 信號(hào)軸發(fā)揮抗炎作用。GSK-3β作為炎癥信號(hào)的調(diào)節(jié)劑,在多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥中已被廣泛研究。也可以說,GSK-3β是炎癥的有效驅(qū)動(dòng)因子,它的增加能夠影響病理性疼痛,具有酶活性的GSK-3β是可以促進(jìn)促炎細(xì)胞因子以及其他促炎介質(zhì)的釋放。然而,GSK-3β也會(huì)導(dǎo)致炎癥的表達(dá)量減少,與抗炎作用有關(guān)。GSK-3活性的負(fù)調(diào)節(jié)似乎可以控制炎癥消退的調(diào)節(jié),即當(dāng)Ser9 磷酸化使得GSK-3β失活或者使用抑制劑的方式能夠緩解炎癥因子的釋放。從大量研究中確定,GSK-3β中 Tyr216和Ser9 位點(diǎn)之間的激活決定了其活性,磷酸化N端Ser9殘基導(dǎo)致 GSK-3β的自動(dòng)抑制[16]。Ser9 的磷酸化阻止 GSK-3β與其底物結(jié)合,從而抑制GSK-3β的活化。有數(shù)據(jù)表明,ghrelin 可以通過抑制CCI大鼠脊髓中β-catenin 的表達(dá),通過抑制GSK-3β活化來顯著減輕神經(jīng)性疼痛[17]。GSK-3α敲除(KO)小鼠存活正常、表現(xiàn)出代謝性表型、異常神經(jīng)元發(fā)育和加速衰老而在GSK-3βKO小鼠在胚胎發(fā)生晚期或出生時(shí)死亡[18]。但在組織特異性GSK-3βKO 模型中也對(duì)炎癥過程產(chǎn)生了影響。在缺血再灌注小鼠模型中,一種骨髓特異性 GSK-3β(KO)菌株,已經(jīng)研究證實(shí) GSK-3β在小鼠肝臟的促炎免疫反應(yīng)減少, 但抗炎免疫反應(yīng)增強(qiáng)[19]。

2.2 GSK-3β與神經(jīng)性疼痛的關(guān)系 由病變或疾病引起的神經(jīng)性疼痛,比如中樞神經(jīng)性疼痛中的脊髓損傷、多發(fā)性硬化癥、周圍神經(jīng)性疼痛中帶狀皰疹后神經(jīng)痛、糖尿病、三叉神經(jīng)痛等。GSK-3β在神經(jīng)保護(hù)中起主要作用。研究表明,在糖尿病狀況期間,GSK-3β水平顯著降低,并且用氯化鋰治療后顯示神經(jīng)元中GSK-3α/β 中的磷酸化Ser21/9水平增加據(jù)報(bào)道,糖原合成酶激酶 3 (GSK3) 的特異性抑制劑 AR-A014418可減少神經(jīng)性疼痛[14]。丙戊酸鹽(VPA)是治療癲癇和躁狂癥的藥物,在大鼠坐骨神經(jīng)慢性縮窄損傷(Sciatic nerve chronic constriction injury, CCI)模型的術(shù)后3d和14d會(huì)使坐骨神經(jīng)(SN)、背根神經(jīng)節(jié)(DRG)和脊髓(SC)中pAkt 和pGSK-3β/GSK-3β蛋白表達(dá)持續(xù)增加,且在第7天達(dá)到最高,當(dāng)從術(shù)后第1天到第14天腹膜內(nèi)注射 VPA[300mg/(kg·d)],VPA 顯著降低其表達(dá)。因此,認(rèn)為pAKT/pGSK-3β 可能在神經(jīng)性疼痛發(fā)展和維持的病理生理學(xué)中有重要作用。簡(jiǎn)而言之,GSK-3通過調(diào)節(jié)GSK-3β的Ser9磷酸化,可使 GSK-3β 失活在神經(jīng)保護(hù)中起主要作用。雖然GSK-3β在調(diào)節(jié)炎癥因子的表達(dá)中有重要的作用,但是也有很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),GSK-3β通過調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激 (Endoplasmic reticulum stress, ERS) 參與了神經(jīng)病理性疼痛的形成。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在神經(jīng)元細(xì)胞功能障礙和凋亡有重要調(diào)節(jié)作用,其主要有三個(gè)傳感器:肌醇依賴的跨膜激酶1(IRE1)、蛋白激酶RNA樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)和活性轉(zhuǎn)錄因子6(ATF6)。由這三種應(yīng)激受體介導(dǎo)的未折疊蛋白反應(yīng)(Unfolded protein response, UPR),在炎癥、缺氧、糖代謝異常等刺激時(shí)會(huì)啟動(dòng)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生初始階段,異常蛋白優(yōu)先競(jìng)爭(zhēng)性地與免疫球蛋白BIP合,所以BIP 的轉(zhuǎn)錄激活已被廣泛用作 UPR 啟動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。在L5脊神經(jīng)結(jié)扎(SNL)誘導(dǎo)的大鼠神經(jīng)性疼痛模型中,使用脊髓背角中的特異性抗體通過免疫組織化學(xué)分析檢測(cè) L5SNL誘導(dǎo)同側(cè)腰背角淺層BIP上調(diào),以及后腰背角BIP mRNA表達(dá)和XBP1剪接增加等,表明在SNL模型中ER應(yīng)激和未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)激活。當(dāng)注射ATF6 siRNA瞬時(shí)沉默UPR信號(hào)通路的功能,發(fā)現(xiàn)在ATF6 siRNA注射后3、5、9d,與對(duì)側(cè)爪相比,同側(cè)爪的站立期持續(xù)時(shí)間從40.54%恢復(fù)到26.56%,ATF6 siRNA的鞘內(nèi)注射減輕了機(jī)械超敏反應(yīng)。因此,ER應(yīng)激損傷在SNL模型中神經(jīng)性疼痛發(fā)展中有重要作用, 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可能與神經(jīng)性疼痛的誘導(dǎo)和維持有關(guān)。

2.3 GSK-3β與癌性痛的關(guān)系 癌癥是全球第二大死因,由于人口老齡化和不健康生活方式的出現(xiàn),癌癥發(fā)病率迅速上升。疼痛是癌癥中最常見和最嚴(yán)重的癥狀之一,會(huì)干擾患者生活的各個(gè)方面,包括日?；顒?dòng)、社交功能、睡眠質(zhì)量和認(rèn)知功能。癌性疼痛常見原因包括癌腫本身和其轉(zhuǎn)移到骨骼、內(nèi)臟或神經(jīng)所產(chǎn)生的疼痛,以及抗癌藥物引起的組織或神經(jīng)損傷有關(guān)的疼痛。AKT/GSK-3β通路是腫瘤細(xì)胞賴以生存的關(guān)鍵通路,在直腸癌SW620細(xì)胞中給予藥物楊梅素可降低P-AKT和P-GSK-β的表達(dá),遏止AKT/GSK-3β通路導(dǎo)致直腸癌SW620細(xì)胞凋亡[20]。骨轉(zhuǎn)移所致疼痛是癌性疼痛常見的疼痛,是一種復(fù)雜的疼痛狀態(tài),通常是持續(xù)的、突然的、自發(fā)的,且常伴有痛覺過敏。為了研究癌性疼痛的機(jī)制,最常用的動(dòng)物模型是骨癌痛模型。在骨癌疼痛模型中,kenpaullone(KP)是一種GSK-3/cyclin-依賴性激酶(CDK)抑制劑,在腹腔注射30mg/kg KP時(shí)觀察到在10d和14d時(shí)骨癌痛顯著減輕,其背后的機(jī)制可能是通過 δ-catenin抑制 GSK-3β 和隨后增強(qiáng)Kcc2基因表達(dá),從而降低神經(jīng)元內(nèi)的氯化物水平并重建正常的 GABA 能抑制功能,使得破壞的抑制性神經(jīng)傳遞重新正?；?從而減少了骨癌小鼠模型中的病理性疼痛樣行為,為癌性痛的研究提供了重要的研究方向。

綜上所述,在病理性疼痛機(jī)制中,GSK-3β通過底物磷酸化等各種復(fù)雜的相互作用,調(diào)控相關(guān)基因蛋白,使得在病理性疼痛模型中緩解其疼痛,為病理性疼痛的治療提供重要的靶點(diǎn)。但GSK-3β在病理性疼痛的研究在臨床上還未得到廣泛的應(yīng)用,對(duì)其在分子機(jī)制的闡述有助于該疾病在今后得到更好的治療和控制。