MAPKs信號通路參與疼痛中樞敏感化的研究進展

逯素芬(綜述)，張宗旺(審校)

(1.徐州醫學院麻醉學院，江蘇徐州221000;2.山東省聊城市人民醫院麻醉科，山東聊城252000)

絲裂原活化蛋白激(mitogen-activated protein kinase，MMAPKs)是進化過程中比較保守的細胞內信號分子家族，主要包括細胞外信號調節激酶(extracellular signal regulated kinase，ERK)、p38和c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)。它們將廣泛的細胞外刺激通過轉錄和非轉錄方式轉變為不同的細胞內反應［1］。所有MAPKs家族由上游不同的MAPKs激酶激活。ERK是第一個確定的MAPKs家庭成員，它參與調節細胞分裂、增殖、分化和發育以及成人神經元可塑性的形成。

早期對MAPKs調節疼痛的研究主要集中在強烈傷害性刺激和炎癥的外周神經元機制。初級感覺神經元和脊髓背角(spinal dorsal horn，SDH)神經元的MAPKs激活在誘導和維持神經可塑性方面發揮著重要作用［2］。但是，神經或脊髓損傷也會持續激活脊髓神經膠質細胞MAPKs信號轉導通路。神經損傷后數天和數周可以分別激活小膠質細胞和星形膠質細胞的ERK通路。在膠質細胞中，MAPKs的激活對神經病理性疼痛發展和維持都非常重要。MAPKs是膠質細胞中與疼痛介質產生密切相關的重要信號分子。ERK5是MAPK家族的一個新成員，并由MEK5激活，而MEK5由MEKK2/3激活。神經損傷后，脊髓中的ERK5被激活;并且鞘內注射ERK5反義寡核苷酸可以抑制神經病理性疼痛［3］。

1 ERK與疼痛

ERK最初被認為是生長因子受體信號，是涉及Ras、Raf、MEK和ERK順序激活的級聯反應的信號分子。然而，ERK的級聯激活反應并不限于生長因子信號。它可以由持續的神經活動和病理刺激激活。研究表明ERK在神經元可塑性，如學習、記憶和疼痛過敏中具有重要作用［6］。

1.1 SCDH神經元中ERK的激活依賴于傷害性刺激 幼小動物非刺激條件下，SCDH中很少發現磷酸化細胞外信號調節激酶(phosphorylaze extracellular signal regulated kinase，pERK)陽性細胞存在。大鼠足底注射辣椒素可以誘發SCDH神經元中明顯的ERK磷酸化。C纖維激活后，pERK的誘導是非常迅速的，并且在SCDH中發現了大量的pERK免疫反應神經元。pERK由傷害性刺激誘導，如傷害性熱刺激和機械刺激。它的誘導具有強度依賴性，如熱刺激溫度從45℃升至55℃，pERK標記的神經元數目逐漸增加。刺激的持續時間也很重要，一次短暫刺激(＜10 s)可以引起SCDH神經元中c-Fos的表達，但不足激活ERK信號［4］。SCDH神經元中誘導pERK的刺激還包括足底注射甲醛、完全弗氏佐劑、蝎毒、踝關節炎、股骨骨折和膀胱內臟痛等［5-6］。盡管正常情況下，ERK只被高強度的刺激所激活，但神經損傷后，低強度的電刺激和觸覺刺激可導致SCDH神經元中ERK的活化。炎癥關節的運動也增加了SCDH神經元中pERK的數量。這些研究表明，在脊髓神經元可塑性的發展過程中，pERK奠定了觸誘發痛或運動引起疼痛發生的基礎。

1.2 感覺神經纖維傳遞和激活SCDH神經元中各種突觸后受體引起ERK的活化 外周炎癥或神經損傷不僅引起外周初級傳入敏感化，而且還引起SCDH神經元的中樞敏感化。大多數初級傳入在SCDH形成突觸聯系，傷害性刺激引起谷氨酸釋放。谷氨酸通過3種不同的受體引起脊髓神經元的除極。傷害性信息的傳遞還包括SP和CGRP等肽類遞質以及腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的共同釋放。

Karim等［7］首次報道了炎癥誘導SCDH神經元中pERK產生需要代謝型谷氨酸受體亞型(mGluR1和mGluR5)的參與。脊髓中mGluR5引起ERK的活化和ERK依賴性的淺層背角神經元興奮與傷害性信息的傳遞有關。與BDNF結合的原肌球蛋白受體激酶B(tropomysin receptor kinase B，TrkB)受體，在SCDH神經元廣泛表達。外周傷害性刺激或離體脊髓薄片應用辣椒素后，大約40%的TrkB受體參與SCDH中pERK的表達增多。此外，背根神經節(dorsal root ganglion，DRG)傷害性神經元BDNF的缺失可以導致DRG中pERK的明顯降低，這與甲醛實驗中的第二相行為學痛反應的減弱一致。足底注射辣椒素后STT投射神經元中的pERK染色增加。椎管內微量注射BDNF或內源性BDNF在STT內的TrkB-IR神經元中可激活ERK。

1.3 SCDH神經元中ERK激活整合多種信號通路

一般認為ERK是由生長因子及其受體如TrkB激活。但是，SCDH神經元中蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)對于ERK的活化具有重要的作用。研究顯示，ERK和PKA、PKC信號共同調制A型K+通道和神經興奮性［8］。由福斯高林(Forskolin)激活PKA或對甲氧苯丙胺激活PKC都能引起ERK的激活。同時證實，兩種Ca2+依賴性腺苷酸環化酶AC1與AC8，是谷氨酸和辣椒素誘導pERK激活所必需的，從而支持cAMP/PKA信號通路是ERK激活的必由之路。BDNF和Ca2+可激活磷酸肌醇3激酶，也將導致SCDH神經元ERK的活化［9］。不過，Ca2+-鈣調蛋白依賴性激酶Ⅱ對ERK的激活影響不大。總之，多種信號通路對ERK激活的共同作用表明SCDH神經元中ERK在信號轉導中的關鍵作用。

1.4 SCDH神經元中ERK活化參與中樞敏感化和炎癥疼痛 SCDH神經元中ERK的活化與傷害性感受纖維激活以及細胞內變化有關，從而表現為行為學和細胞水平的中樞敏感化。ERK蛋白的功能研究主要基于兩個特異性的MEK抑制劑PD98059和U0126。一般認為，大鼠足底注射甲醛引起的第二相痛反應是中樞敏感化的結果。鞘內注射PD98059可以阻斷該反應。足底注射辣椒素可以引起初級和次級痛覺過敏，而次級痛覺過敏也可導致中樞敏感化，U0126可以阻滯辣椒素引起的次級觸誘發痛。

NMDA受體在中樞敏感化的誘導方面發揮著重要的作用，傷害性刺激引起的NR1亞基的磷酸化需要ERK。在Ⅱ層脊髓神經元中，ERK對于緩激肽引起的NMDA受體電流的增強有至關重要的作用［10］。

1.5 ERK對脊髓中Kv4.2K+通道的調控 ERK激活可以導致SCDH淺層神經元興奮性增加。興奮性的增加是由神經元中K+電流外流減少介導的，這些電流的變化主要是由Kv4.2K+通道完成的。因此，Kv4.2基因剔除的小鼠脊髓中，不會出現ERK依賴性K+電流的抑制和SCDH神經元的興奮性的增加［11］。所以ERK活化和下游Kv4.2K+通道的磷酸化參與了中樞敏感化的調制。

1.6 脊髓神經膠質細胞中ERK的激活和神經病理性疼痛 研究表明，pERK在傷害性刺激和組織炎癥后主要在SCDH神經元中表達，并對炎性痛覺過敏的誘導和維持有重要作用。神經膠質細胞可能在疼痛調制中發揮重要作用。部分坐骨神經結扎后3周可以在脊髓星形膠質細胞中誘導ERK的激活。Zhao等［12］研究脊神經結扎(spinal nerve ligation，SNL)后在不同時間點脊髓ERK的激活，并在這些時間點上研究鞘內注射MEK的抑制劑PD98059后的神經病理性疼痛行為。得出的結果提示，小膠質細胞和星形膠質細胞中ERK的順序激活分別對于神經性疼痛的誘導和維持是很重要的。

2 p38和疼痛

p38有4種異構體:p38α、p38β、p38γ和p38δ。其中p38α和p38β是成熟神經系統的兩種主要異構體。p38α主要分布在DRG和脊髓中。p38由細胞應激和炎性因子激活，在炎性反應中起關鍵作用。全身或鞘內注射p38抑制劑能夠有效減輕炎癥和關節炎。p38的上游激酶是促分裂原活化蛋白激酶-激酶3/6(MKK3/6)，活化的p38移位到細胞核并在核內使轉錄因子磷酸化。腫瘤壞死因子α、白細胞介素1β以及其他許多炎性介質合成都是p38上調的。

脊髓中 pERK免疫反應的基礎水平非常低，p-p38免疫反應為中等水平。然而SNL能在脊髓中誘導p-p38于12 h開始增加，3 d達高峰，3周內維持在較高水平［13］。另外，SNL、橈神經損傷、部分坐骨神經結扎等能引起脊髓小膠質細胞內p-p38增加。神經損傷后脊髓小膠質細胞中多種疼痛介質與其受體結合后激活p38。進而通過轉錄調控增加環氧合酶2、白細胞介素1β和誘導型一氧化氮合酶等的合成。p38的活化也可通過翻譯后調控引起脊髓小膠質細胞中白細胞介素1β迅速釋放［14］。白細胞介素1β通過增強興奮性突觸傳遞、抑制抑制性突觸傳遞和誘導SCDH神經元中環磷腺苷效應元件結合蛋白(CREB)磷酸化對中樞敏感性發揮重要作用。

3 JNK和疼痛

JNK有3種異構體:JNK1、JNK2和JNK3。JNK3主要存在于大腦中，對缺血性細胞凋亡具有重要作用。脊髓中表達JNK1和JNK2。pJNK1是脊髓中的主要活化形式，神經損傷后，脊髓pJNK1水平增加。

pJNK-IR的增加主要在脊髓星形膠質細胞中觀察到:①SNL后，脊髓星形膠質細胞的pJNK表達持續增加;②JNK1主要在脊髓星形膠質細胞表達;③c-Jun、JNK下游的主要轉錄因子也在脊髓星形膠質細胞激活;④轉化生長因子激活激酶1由脊髓星形膠質細胞誘導，而且需要SNL后JNK1的激活［15］。因此，脊髓星形膠質細胞中，JNK途徑被優先激活。

成纖維細胞生長因子2能夠在DRG神經元和星形膠質細胞中上調，它可以引起脊髓星形膠質細胞中JNK的持續活化。相反，腫瘤壞死因子α只在星形膠質細胞中誘導JNK短暫的活化。星形膠質細胞中由腫瘤壞死因子α引起的JNK激活導致幾個單核細胞趨化因子的上調，如細胞趨化蛋白1。越來越多的證據表明，細胞趨化蛋白1可能通過趨化因子受體2受體在疼痛敏感化方面發揮重要的作用［16］。因此，JNK通過細胞趨化蛋白1的上調可能促進神經病理性疼痛。

慢性疼痛已成為影響人們健康的主要問題。慢性疼痛由神經可塑性引起，表現為外周和中樞敏感化。神經膠質細胞的活化將增強神經可塑性。在神經病理性疼痛和炎性疼痛條件下，神經元和神經膠質細胞中MAPK通路的激活是不同的，MAPK抑制劑是否有益于不同疼痛患者的治療還有待于證實。

［1］ Johnson GL，Lapadat R.Mitogen-activated protein kinase pathways mediated by ERK，JNK，and p38 protein kinases［J］.Science，2002，298(5600):1911-1912.

［2］ Obata K，Noguchi K.MAPK activation in nociceptive neurons and pain hypersensitivity［J］.Life Sci，2004，74(21):2643-2653.

［3］ Obata K，Katsura H，Mizushima T，et al.Roles of extracellular signal-regulated protein kinases 5 in spinal microglia and primary sensory neurons for neuropathic pain［J］.J Neurochem，2007，102 (5):1569-1584.

［4］ Wei F，Vadakkan KI，Toyoda H，et al.Calcium calmodulin-stimulated adenylyl cyclases contribute to activation of extracellular signalregulated kinase in spinal dorsal horn neurons in adult rats and mice［J］.J Neurosci，2006，26(3):851-861.

［5］ Jimenez-Andrade JM，Martin CD，Koewler NJ，et al.Nerve growth factor sequestering therapy attenuates non-malignant skeletal pain following fracture［J］.Pain，2007，133(1/3):183-196.

［6］ Corrow KA，Vizzard MA.Phosphorylation of extracellular signal-regulated kinases in bladder afferent pathways with cyclophosphamideinduced cystitis［J］.Neuroscience，2009，163(4):1353-1362.

［7］ Karim F，Wang CC，Gereau RW.Metabotropic glutamate receptor subtypes 1 and 5 are activators of extracellular signal-regulated kinase signaling required for inflammatory pain in mice［J］.J Neurosci，2001，21(11):3771-3779.

［8］ Yanagidate F，Strichartz GR.Bupivacaine inhibits activation of neuronal spinal extracellular receptor activated kinase through selective effects on ionotropic receptors［J］.Anesthesiology，2006，104(4):805-814.

［9］ Pezet S，Marchand F，D'Mello R，et al.Phosphatidylinositol 3-kinase is a key mediator of central sensitization in painful inflammatory conditions［J］.J Neurosci，2008，28(16):4261-4270.

［10］ Kohno T，Wang H，Amaya F，et al.Bradykinin enhances AMPA and NMDA receptor activity in spinal cord dorsal horn neurons by activating multiple kinases to produce pain hypersensitivity［J］.J Neurosci，2008，28(17):4533-4540.

［11］ Hu HJ，Carrasquillo Y，Karim F，et al.The kv4.2 potassium channel subunit is required for pain plasticity［J］.Neuron，2006，50 (1):89-100.

［12］ Zhao P，Waxman SG，Hains BC.Extracellular signal-regulated kinase-regulated microglia-neuron signaling by prostaglandin E2 contributes to pain after spinal cord injury［J］.J Neurosci，2007，27 (9):2357-2368.

［13］ Jin SX，Zhuang ZY，Woolf CJ，et al.p38 mitogen-activated protein kinase is activated after a spinal nerve ligation in spinal cord microglia and dorsal root ganglion neurons and contributes to the generation of neuropathic pain［J］.J Neurosci，2003，23(10):4017-4022.

［14］ Clark AK，D'Aquisto F，Gentry C，et al.Rapid co-release of interleukin 1beta and caspase 1 in spinal cord inflammation［J］.J Neurochem，2006，99(3):868-880.

［15］ Katsura H，Obata K，Miyoshi K，et al.Transforming growth factoractivated kinase 1 induced in spinal astrocytes contributes to mechanical hypersensitivity after nerve injury［J］.Glia，2008，56(7): 723-733.

［16］ White FA，Jung H，Miller RJ.Chemokines and the pathophysiology of neuropathic pain［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2007，104 (51):20151-20158.