GCH1基因、BH4對疼痛的作用機制研究進展*

王星，楊峻嶺，樊秀娟，郝在軍

（內蒙古鄂爾多斯市中心醫院 麻醉科，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

疼痛是一種由組織損傷產生的令人不愉快的感覺和情緒體驗[1-2]。藥物治療疼痛，存在長期服藥、療效有限及副作用大等問題[3]。研究表明，疼痛是遺傳和環境因素相互作用的結果，疼痛反應具有遺傳學特征和復雜性[4-5]。疼痛敏感性增加和慢性疼痛患病率下降由部分基因調控[6-8]。其中，四氫生物蝶呤（tetrahydrobiopterin, BH4）合成中起關鍵酶作用的GTP環氫化酶1（GTP Cyclohydrolase 1,GCH1）基因在疼痛進程中發揮重要作用[9-10]。本文對GCH1基因及BH4與疼痛的關系進行綜述。

1 疼痛發病機制

疼痛是由痛覺感受器、神經纖維及痛覺中樞共同參與的防御性機制。當機體受到疼痛刺激或受到傷害時，局部組織會直接釋放一些物質（如組胺、緩激肽及鉀離子等物質），使疼痛閾值下降。疼痛進一步經分布在皮膚、關節、內臟、神經及肌肉等的感受器通過神經纖維傳導（主要是Aδ纖維和C纖維）至疼痛中樞，產生痛覺[11-12]。疼痛感覺敏感區主要集中在突出后膜、樹突及樹突棘等神經元細胞中，神經元細胞通過離子通道（主要是鈣離子通道）調節疼痛和疼痛感知。當鈣離子內流時，引起一氧化氮合酶（nitric oxide synthase, NOS）數量增加，從而使一氧化氮NO數量隨之增加，介導神經細胞的凋亡[13]。炎性疼痛或損傷性疼痛時，疼痛經感受器傳入神經傳導，使機體神經細胞產生谷氨酸。谷氨酸可激活相關受體，使鈉離子的通透性增加，鈉離子內流發生細胞的除極化；除極化達到一定水平，又會增加鈣離子的內流。當機體受到直接損傷時，會直接釋放鈣離子[14-15]。

2 BH4及GCH1基因概述

2.1 BH4

BH4屬于吡啉嘧啶和吡嗪環組成的一類低分子量（241.25 Da）的非蛋白質有機化合物。BH4是芳香氨基酸羥基酶、苯丙氨酸羥化酶、烷基甘油單氧合酶、酪氨酸羥化酶及色氨酸羥化酶的重要輔助因子，還是多種NOS的活性維持劑。因此，苯丙氨酸代謝和5-羥色胺、多巴胺、腎上腺素、去甲腎上腺素及NO的合成都需要BH4[16-17]。此外，BH4的活化或抑制與疼痛、抑郁、焦慮及神經系統疾病密切相關[18]。相關研究證實，BH4可通過將血紅素氧中間體耦合到L-精氨酸氧化，從而調節NO的生成含量[19]。當BH4含量下降時，通過對NOS的解偶聯作用，調節氧化物的生成。人體在發生血管疾病時，BH4的生物利用度因氧化受損而下降，合成和回收減少[20]。

2.2 GCH1基因

GCH1基因是BH4合成中的關鍵酶。體內BH4含量是動態平衡的，這主要歸功于合成BH4的3個合成途徑，即從頭合成途徑、循環途徑及補救途徑。從頭合成途徑即為GCH1將GTP轉化為7，8-二氫蝶呤三磷酸，再通過6-丙酮酰四氫生物蝶呤合成酶（6-pyruvyl tetrahydrogenated biopterin synthase, PTS）和Sepiapterin還原酶（sepiapterin reductase, SPR）催化合成BH4。基礎條件情況下，合成路徑的神經元活性較低，BH4主要是通過循環途徑和補救途徑產生[21]。循環途徑即是當機體SPR缺乏時候，GCH1將GTP轉化為7，8-二氫蝶呤三磷酸，再通過PTS在醛糖還原酶和羰基還原酶催化反應下形成BH2，然后通過二氫葉酸還原酶將其轉化為BH4。補救途徑即是指醌類-二氫生物喋呤在醌類-二氫生物蝶呤還原酶的作用下，最終將其轉化為BH4。同時，BH4作為羥化酶輔助因子參與氨基酸的羥基化時，BH4主要作為電子供體，產生4α-羥基-四氫生物蝶呤的反應。然后通過蝶呤-4α-甲醇胺脫水酶1將該化合物轉化為醌類二氫生物蝶呤。此外，BH4作為NOS的輔助因子，其具有穩定結構和氧化還原功能，即當與NOS結合時，BH4促進NOS二聚化和穩定化，并形成一個電子的瞬態轉移質子三氫生物蝶呤自由基陽離子。

當機體受到損傷或炎癥侵害時，受GCH1基因編碼的GCH1數量在神經元中上調，隨后GCH1蛋白和BH4的合成也上調[22]。體外細胞實驗顯示，不同細胞培養條件下，使用促炎癥因子，脂多糖等因子作用于細胞可使GCH1基因上調；實驗中發現一種GCH1單倍體，這種單倍體可有效降低人對疼痛的敏感性，使痛覺下降[23]。這可能是因為GCH1單倍體使GCH1轉錄減少，從而使GCH1數量降低BH4合成減少[24]。雖然該實驗證實GCH1與疼痛呈正相關，但其他研究者卻未能復制此實驗[23]。這樣的結果可能是由多種因素導致，因為疼痛的多因素性，也可能是由于實驗所研究的疼痛類型不同所導致。GCH1對疼痛的保護作用：神經痛＞炎性疼痛＞急性損傷性疼痛[25]。GCH1基因不僅可影響疼痛，而且與帕金森綜合征的發病率相關[26]。GCH1還可通過GTP環水解酶I（GTP cyclolytic enzyme I,GTPCH1）基因過表達或藥物補充增加內皮細胞BH4水平，恢復動脈粥樣硬化等血管疾病狀態下，內皮NOS功能，降低動脈粥樣硬化斑塊進展[27]。

3 GCH1基因及BH4在疼痛中的作用

研究BH4相關作用發現，阻斷各種合成BH4所必須的酶可起到一定的鎮痛作用[28]。KIM等[29]在前瞻性研究中證明，GCH1基因單倍體具有降低疼痛的作用。其可能的機制為GCH1單倍體的非編碼多態性與GTPCH1編碼的非編碼多態性之間有相關性，這導致細胞系統中BH4的合成減少，并使實驗對象對實驗性和臨床性疼痛的感知以及對熱和缺血性疼痛敏感性降低[29-30]。GCH1單倍體與腰痛患者術后疼痛減輕存在相關性。同樣在動物身上進行的實驗也證實，GCH1與神經性疼痛的密切聯系[31]。感覺神經特異性敲除GCH1的小鼠與野生型小鼠相比，熱痛閾或辣椒素疼痛反應無差異，但周圍神經損傷后機械敏感性降低[15]。此外還觀察到，反義敲除GCH1對大鼠坐骨神經的影響，可有效緩解大鼠神經痛[32]。NASSER等[10]研究結果顯示，降低BH4濃度不足以改變持續的疼痛敏感性或引起的疼痛反應。此外研究還發現，疼痛與13項生化指標的高低變化無相關性，與左旋多巴增多也無相關性[10]。疼痛可受年齡和性別影響。女性對辣椒素和寒冷疼痛的敏感性比男性更為強烈，且敏感性隨著年齡的增加而降低[33]。在傷口愈合過程中，GCH1的表達增加，可能是由于傷口部位的炎癥細胞因子增加導致[34]。

對于BH4的合成抑制治療疼痛癥臨床前實驗過程中，目前還沒有應用于臨床實驗。一些基因導致疼痛感知，GCH1對疼痛調節的影響仍未完全了解。通過阻斷GCH1基因，降低GCH1酶可以減輕疼痛，但應該注意GCH1對血管性疾病的不良作用。因此在今后用于臨床時要求制劑發揮局部作用，防治對其他器官的損傷[35]。

4 總結與展望

疼痛是一種多因素導致的疾病，現在公認的疼痛基因主要有GCH1、SCN10A、IL6及COMT等[36]。這些因素通過相關機制對疼痛起正性或負性的調節作用，但是其產生疼痛的相關機制還不完全明確。研究和了解慢性疼痛和疼痛敏感的相關調節基因及其基因變異，不僅可解慢性疼痛發展的危險因素，而且有助于提出更為個性化的疼痛治療方案和為新的鎮痛藥研發提供新靶點。通過以上論述筆者認為，研究GCH1基因以及其相應機制很有潛力，進一步研究是有根據的闡明這種遺傳變異的確切作用及其臨床意義。通過一些臨床前的研究及動物實驗證實，BH4抑制GCH1基因表達對大鼠有鎮痛作用。下一步研究可能要以GCH1基因及其所介導的酶抑制作為方向，開發新的更有靶向性的鎮痛藥物，這對慢性疼痛及神經性疼痛未來的治療非常有意義。同時了解BH4通路在病理性疼痛中的機制也有重要意義。未來的研究應該以探索BH4及GCH1基因在周圍神經和中樞神經系統的確切作用為目標。