神經元P2X7受體在疼痛調制中作用研究進展

李鵬濤 秦 穎 肖 智 劉俊光 張桂悅

疼痛往往是機體受到傷害性刺激引起的警戒信號，正常情況下的生理性疼痛對機體避免損傷有重要的意義，但有關痛覺調制機制的基礎研究對臨床鎮痛有重要的理論指導意義和臨床轉化價值。由于外周傷害性感受器受到刺激后出現反應或中樞神經元興奮性及突觸效能的改變，急性期如得不到及時處治會轉變為慢性疼痛(chronic pain)，導致患者生活質量下降，社會和醫療保健成本上升。諸多證據表明，嘌呤受體與疼痛調制存在緊密聯系。本文對神經元P2X7受體特性、神經元P2X7受體在神經元凋亡機制中作用及P2X7受體在疼痛調制中作用進行探討。

一、神經元P2X7受體結構特性

嘌呤受體分為兩種：離子通道型和G蛋白偶聯型(P2X和P2Y)受體。P2X受體目前在哺乳動物和其他脊椎動物中克隆出P2X1～7共7種亞型，其中，P2X7受體由于自身結構特點，使P2X7受體在炎癥性疼痛、慢性疼痛、神經性疾病中作為觸發劑或調節劑參與疼痛調制當中。P2X7受體是多聚體的配體門控陽離子通道，其基因編碼區位于染色體12q24。P2X7受體不同于其他6個P2X受體亞型，具有兩個跨膜結構域和一個胞外環。早期研究發現在外周系統中，P2X7受體表達于造血細胞中，如T淋巴細胞、樹突狀細胞、巨噬細胞等，后來隨著研究方法和檢測儀器的進步，發現腦、脊髓、骨骼、肺等組織中存在。其中研究發現P2X7受體在大腦中主要表達在小膠質細胞，是否在神經元上表達和發揮功能存在爭議[1]。近年來對于在神經元P2X7受體的表達研究呈現上升趨勢，根據研究表明，在大腦延髓、脊髓和結狀神經節的眾多神經元中發現大量P2X7受體的存在中樞神經系統的突觸前末梢，進一步研究證實P2X7受體激活促進突觸前末梢突觸囊泡的釋放神經遞質[2]。后來文獻陸續報道發現P2X7受體存在脊髓神經元、視網膜神經元、海馬腦片神經元、頸部交感神經節神經元，在受到刺激因子啟動激活機制后發揮重要的生物學作用。隨著藥理學、生物工具應用的發展，越來越多的證據表明，神經元中不僅存在P2X7受體，而且P2X7受體活化后在神經等多個領域起著主導作用，包括軸突的延伸、分支和神經遞質的釋放，也參與了神經元的病理改變，直接誘導影響神經元的存活或間接引發神經元死亡的炎性反應[3]。在神經系統中諸如創傷、缺血和炎癥等，都會造成細胞外核苷酸(ATP)濃度增加。

細胞外ATP在神經元和小膠質細胞通過刺激P2X7受體，活化后對神經系統功能起調節作用，并產生一系列生理或病理變化，包括中樞和外周神經系統突觸遞質釋放量等突觸傳遞效能的改變、平滑肌收縮、血小板聚集、巨噬細胞活化以及誘導細胞死亡等。目前研究表明P2X7受體表達于中樞小膠質細胞、星形膠質細胞和神經元。由于P2X7受體在分子結構和功能上存在顯著的自身特點使得P2X7受體在炎癥、慢性疼痛、神經系統疾病(神經精神性疾病、神經退行性疾病、神經炎癥性疾病)、腫瘤和細胞毒性的病理機制中有重要作用。

P2X7受體與其他P2X受體亞型不同，對ATP的親和力較低，同聚體激活需要較高濃度的ATP(>100μmol/L)，該濃度大約是ATP激活其他P2X受體亞型的10倍。P2X7受體激活后通過啟動胞內p38MAPK、ERK1/2以及NF-κB信號途徑促進IL-1β、IL-6、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等細胞因子和谷氨酸、一氧化氮(NO)、D-絲氨酸(D-serine)等神經遞質的釋放。根據組織、部位的不同，P2X7受體激活后產生的功能不同，例如，在小膠質細胞上P2X7受體活化，主要引起炎性因子和細胞因子的釋放；在星形膠質細胞，P2X7受體活化主要引起D-serine的釋放；在神經元，P2X7受體活化后通過與其它受體相互作用(P2Y1等)進而發揮作用。甚至在神經元不同部位的P2X7受體活化后產生不同的作用,小鼠小腦顆粒神經元突起P2X7受體活化促進谷氨酸的釋放而胞體P2X7受體活化產生對抗興奮性氨基酸毒性，促進顆粒細胞存活的作用[4]。根據已往研究發現，μ阿片受體和 NMDA受體在中樞神經系統多個區域有共表達。在vlPAG神經元胞體、樹突存在大量的NMDA受體和μ阿片受體共表達，激活NMDA受體可對抗阿片系統的功能，減弱嗎啡的鎮痛作用，促進嗎啡耐受的形成，而阻斷NMDA受體后則促進嗎啡的鎮痛作用[5，6]。

二、神經元P2X7受體介導病理狀態下神經細胞凋亡

在神經系統中，神經元的正常發育、神經功能的維持與神經細胞的增殖、分化、死亡有密切聯系。神經元在不同的生長階段通過細胞凋亡來進行新陳代謝，并促進、維持軸突與胞體發育成熟。神經元主要是通過信號通路，對上游和下游轉導的信號進行整合與處理。如這些信號或信號通路出現異常，細胞凋亡程序會啟動進行自我更新。細胞凋亡需要能量合成新的蛋白質，在ATP存在的情況下，P2X7受體在識別凋亡細胞的清除具有重要作用。疼痛是機體組織受到損傷或潛在組織損傷后引起局部產生傷害性信息，如ATP、H+、緩激肽等，膜發生去極化，這些信息通過傷害性感受器向上傳導，將信息延信號通路傳遞到大腦皮質(通過外周傷害性感受器傳導至中樞神經系統)進行信息整合。神經元P2X7受體激活后啟動胞內p38 MAPK、ERK1/2以及NF-κB多種信號途徑，促進細胞因子(IL-1β、IL-6、TNF-α等)和神經遞質(谷氨酸、NO等)釋放，誘導異常神經元發生凋亡。

神經元P2X7受體受到傷害性刺激誘導神經細胞死亡，主要通過細胞外ATP激活P2X7受體間接引發神經元死亡的炎性反應，進一步促進白細胞介素-1β釋放影響神經細胞死亡；軸索損傷后，P2X7受體信號參與神經元細胞凋亡。IL-1β是神經退行性病變、慢性炎性及慢性疼痛的重要介質。最新研究發現，運動神經元對P2X7受體活化高度敏感，通過運動神經元內的過氧亞硝酸鹽/細胞死亡通路(FAS/FAS-L)為切入點引起細胞凋亡。神經元凋亡在神經病理性疼痛、慢性疼痛和其他神經退行性病變起著重要的作用，已有研究證實，神經細胞凋亡與神經病理性疼痛之間有著密切的聯系。

三、神經元P2X7受體參與介導神經細胞凋亡途徑

神經元P2X7受體表達的變化通過Ca2+誘導細胞凋亡，機制是主要由于蛋白質參與Ca2+的保存與運輸，其中許多是在細胞內的細胞器中表達，包括內質網、線粒體和溶酶體。另外，線粒體、內質網也產生活性氧(ROS)。

1.內質網:內質網(endoplasmic reticulum, ER)的作用主要體現在整合和促進快速鈣離子信號的能力，能力大小決定它在細胞質中儲存、緩沖和釋放鈣離子的作用。組織損傷后細胞外ATP大量釋放，神經元P2X7受體被激活，造成大量的Na+和Ca2+從細胞外進入細胞內，胞質內Ca2+驟增，引起持續P2X7受體被激活，造成細胞內Ca2+超負荷進而被動導致神經元損傷，不僅Ca2+平衡被打破，而且平滑肌細胞內的鈣釋放通道(IP3R)持續釋放，鈣庫內存儲消耗明顯，內質網功能受損失去維持穩態的作用，出現內質網應激和下游信號通路的活化[7]。有研究發現P2X7受體拮抗劑通過抑制炎性反應和氧化應激減輕神經損傷，機制可能是內質網應激(ER stress,ERS)引起caspase-7和caspase-12被激活，造成信號通路異常，啟動神經元程序性死亡，說明多種疾病如神經病變、炎性疾病、腫瘤、神經病理性疼痛等[8,9]。持續內的質網應激可以引起多種疾病，內質網出現應激反應后通過調控相關疾病信號途徑包括p38MAPK、NF-κB、p53信號途徑等。

2.線粒體：線粒體的功用主要是細胞代謝中心、參與能量代謝、生成ATP等。在神經元凋亡中的作用包括釋放caspase激活因子，調節細胞內Ca2+濃度等。ATP可以通過多種途徑激活嘌呤受體。在脊髓背角神經元，ATP不僅可以誘導活性氧的產生，ATP還可以激活脊髓神經元P2X7受體釋放谷氨酸興奮性神經元，造成線粒體內Ca2+內流增加，線粒體膜受損，Ca2+通透性增加。由于活性氧失衡，活性氧可以通過脂質氧化造成線粒體DNA受損，線粒體呼吸鏈中斷，進一步加重膜損傷，ATP合成減少，周而復始，通過神經元P2X7受體的變化，誘導線粒體出現功能障礙，造成神經細胞凋亡。另一方面，有可能是與ATP誘導引起的神經元死亡、神經元P2X7受體表達水平有關[10]。

3.P2X7受體激動劑：研究發現P2X7受體在膠質細胞活化，是炎性疼痛和神經病理性疼痛的治療靶點，根據Munoz等[11]研究發現P2X7受體激動劑(BzATP)注射后引起了神經元P2X7受體的活化，具體表現為BzATP激活SCDH神經元P2X7受體，引起活性氧(ROS)增加，誘導脊髓神經元的氧化損傷，證實神經元P2X7受體激活誘導活性氧的產生。在神經元，BzATP效果僅僅是由于神經元P2X7受體直接激活[12]。根據相關研究發現，P2X7抑制劑BBG、oATP和KN-62阻止BzATP誘導的運動神經元死亡，在培養的神經祖細胞中P2X7受體控制神經元的凋亡與增殖，主要機制可能是由于導致ATP釋放增加和細胞過度增殖的病理狀態有關[13，14]。另外，研究顯示BzATP也可以誘導caspase-3活性增加，促進神經元凋亡，這一途徑是否與神經元P2X7受體表達有關，需進一步驗證。

四、神經元P2X7受體在神經系統作用研究

1.神經元P2X7受體在中樞神經系統的作用：根據Sperlagh等[15]研究表明，海馬腦片發現神經元P2X7受體的表達，主要位于CA1區和CA3區興奮性神經末梢，通過激活P2X7受體調控谷氨酸和GABA的釋放；ATP無法直接調節谷氨酸和GABA的釋放，而是由神經元P2X7受體激活后啟動胞內p38MAPK信號轉導途徑來調節的。根據Metzger等[16]的報道，通過對小鼠進行基因研究P2X7受體表達，證實在基本條件下，P2X7受體普遍表達在小膠質細胞等非神經元細胞外；發現在海馬CA3區谷氨酸神經元存在P2X7受體表達,具體定位于谷氨酸錐體神經元的胞體。Sncheznogueiro等[4]的研究表明，在小鼠小腦顆粒細胞神經元中也存在P2X7受體分布，可以在軸-樹突和體細胞進行功能性表達，小鼠小腦顆粒神經元突起P2X7受體活化促進谷氨酸的釋放，而胞體P2X7受體活化產生對抗興奮性氨基酸的毒性，促進顆粒細胞存活。有研究發現在中樞神經系統受損后，谷氨酸神經末梢的P2X7受體，可以通過引起鈣超載和谷氨酸的作用，控制大腦皮質中興奮性突觸的傳遞和神經元的進一步損傷。以上研究說明P2X7受體不僅在神經元表達，還發揮著重要的生物學功能。

2.神經元P2X7受體在外周神經系統的作用：根據Munoz等[16]研究表明在中樞神經系統P2X7受體信號通路中，神經元P2X7受體激活導致活性氧(ROS)產生和引起的一系列疼痛反應中起著重要作用，通過應用P2X7受體拮抗劑可以阻斷ATP誘導產生興奮性神經元，減輕神經性疼痛，說明脊髓背角P2X7受體不僅存在于免疫細胞中，也存在于非免疫細胞中，并對疼痛信號通路產生影響。脊髓損傷后造成神經元損傷，會引起不同程度的感覺、運動障礙。根據研究表明，脊髓運動神經元表達豐富的P2X7受體，脊髓運動神經元中P2X7受體的激活導致細胞內Ca2+濃度不可逆地增加，說明Ca2+濃度與神經元P2X7受體表達及發揮作用密切相關。

五、神經元P2X7受體與疼痛

1.神經元P2X7受體在神經病理性疼痛中的作用：目前對神經病理性疼痛具體分子機制還沒有研究明確，大部分是從各種信號通路轉導環節去研究，如炎性介質信號通路、活性氧信號通路等。神經病理性疼痛通過誘導活化神經元P2X7受體，導致活性氧增加，引起內質網應激，造成神經元凋亡。根據葛彥虎[17]對內質網應激脊髓片段進行辣椒素處理，發現脊髓背角淺層神經元的變化，說明內質網應激途徑可能參與了神經病病理性疼痛的發生、發展。另據研究表明，在神經病理性疼痛模型中，腹腔注射活性氧清除劑(PBN)，能顯著降低痛覺過敏和阻斷脊髓pNR1增強，活性氧(ROS)可以通過激活NMDA受體，這一步在中樞敏化過程中作用明顯，說明活性氧(ROS)在神經病理性疼痛中起著重要作用[18]。根據張莉研究鋅可以抑制脊髓神經元凋亡和興奮性肽表達，說明神經元凋亡參與、調節神經病理性疼痛。有實驗研究發現在慢性坐骨神經縮窄性損傷模型(CCI)中，脊髓背角中GRP78(內質網應激標志性蛋白)、caspase-12和caspase-3的表達增高，說明坐骨神經受損引起脊髓背角出現內質網應激，同時實驗觀察到脊髓背角中神經元凋亡染色陽性數目增多的現象，表明脊髓神經元P2X7受體在CCI模型中參與內質網應激，進一步說明內質網應激引起神經元凋亡在神經病理性疼痛中起著明顯作用[19]。證明神經元P2X7受體可能參與這一途徑。由于在海馬腦片CA1區興奮性神經末梢發現神經元P2X7受體的表達，結合SNL模型發現海馬CA1區錐體神經元樹突棘密度增高，說明海馬CA1區神經元P2X7受體在神經病理性疼痛發揮著一定作用。

2.神經元P2X7受體在炎性疼痛中的作用：在神經系統中，由于機體組織在病理狀態下受到刺激，引起炎性反應，大多數研究只關注神經膠質細胞對炎性反應的作用，而忽視神經元自身的防御機制。Lim等[20]研究表明，神經元P2X7受體激活與神經元受到張力牽拉的刺激，導致pannexin通道打開，釋放ATP，進一步使P2X7受體激活，引起一系列炎性反應。應用P2X7受體阻斷劑進行的實驗表明，P2X7受體與pannexin通道之間存在一定關聯。雖然，目前未明確在神經節細胞P2X7受體阻斷劑，以何種信號通路促使pannexin通道打開釋放ATP，激活神經細胞P2X7受體，但嘌呤受體自分泌學說的提出，有可能為以后在疼痛有關研究中提供指導[21]。

3.神經元P2X7受體在癌性疼痛中的作用：癌性疼痛不僅包含組織、神經的損傷，而且腫瘤細胞和癌周組織可釋放、分泌特殊的致痛因子——既包含炎性疼痛成分，也有神經病理性疼痛成分。近年來，在腫瘤和癌性疼痛的機制研究中發現，在腫瘤微環境中，腫瘤細胞可以主動釋放ATP或瘤細胞壞死后釋放ATP，形成一個局部高濃度的ATP環境，進而激活P2X受體。研究結果提示ATP和P2X受體激活介入了腫瘤生長、轉移以及腫瘤血管生成機制。有文獻報道，使用P2X7受體基因敲除小鼠或對小鼠皮下注射P2X7受體拮抗劑A-438079均不能緩解小鼠骨癌痛；同時該研究還發現P2X7受體基因敲除小鼠其骨癌痛出現時間反而較野生型小鼠早，疼痛癥狀更嚴重[22]。目前，神經元P2X7受體介導癌性疼痛存在一定爭議，本課題組成功建立骨癌痛模型，進一步研究神經元P2X7受體是否參與癌性疼痛的調節控制。

六、展 望

通常在組織損傷后，經過神經細胞之間信息交流刺激信號傳到大腦。神經細胞之間的連接被稱作“神經突觸”。突觸接收到信號后造成離子通道的開放，特別是鈣離子通道，進而引起離子內流，將信號進行傳遞。電信號與化學信號轉換瞬間完成，神經遞質釋放，作用于目標靶點。近來，Prakriya等揭示了鈣離子通道蛋白CARC通道的開放與關閉過程，詳細闡述其細節，并鑒定出了離子通道在靜止狀態與開放過程中的分子結構[23]。科研人員進一步研究發現，在離子通道中存在一定間隙，中間有水分填充。這為藥物研究提供新的思路：關閉空隙時可以利用親脂性的化學基團組織水分子及離子的浸入，而通道打開時，疏水性的基團挪開保證水分子及離子進入。P2X7受體屬于門控性離子通道，是否可以應用以上方法減少神經元P2X7受體的激活降低痛閾，值得我們進行深入研究。

Fernandes等[24]研究發現，神經元發育協調需要通過神經膠質細胞群體作用實現，神經膠質細胞將來自視網膜的信號傳到大腦皮質中，并將大腦中的細胞變成神經元。通過傳遞信號的轉導變化，說明神經膠質細胞對神經元可以進行精準調制。而在神經元上發現的P2X7受體表達是否是由小膠質細胞P2X7受體轉化而來，還需要進一步研究探討。

綜上所述，對神經元P2X7受體的生物學功能研究尚處于初級階段，本文介紹了神經元P2X7受體的存在性及經過內質網應激等途徑造成神經細胞凋亡，通過兩者之間的信息轉化及傳遞在疼痛調制方面的作用，并簡要指出離子通道及腦內P2X7受體表達。目前，對于神經元P2X7受體具體機制還不清楚。如能將上述機制闡明，將有助于解決疼痛調制機制、藥物靶點鎮痛機制、離子通道阻斷機制，為臨床用藥及藥物研發提供新的潛在思路。