細胞外信號調節激酶1/2誘導痛覺過敏機制的研究進展

金 旭 ,石翊颯,楊園園

(1.蘭州大學第二臨床醫學院，蘭州 730000； 2.蘭州大學第二醫院麻醉科 蘭州 730030；3.臨沂市婦女兒童醫院麻醉科，山東 臨沂 276017)

機體對疼痛的感受是一種正常的防御反應，但劇烈或頑固的疼痛不僅會損傷患者的心理和軀體健康，還會給家庭和社會帶來負擔。炎癥或組織損傷等傷害性刺激的持續作用可升高初級感覺傳入纖維和脊髓的興奮性，增強機體對外界環境的反應性，由此引起的痛覺敏化加深并延長了機體對疼痛的感受[1-2]。對多種疼痛模型的研究發現，外周或中樞傷害性刺激可異常激活神經系統細胞內細胞外信號調節激酶1/2(extracellular signal-regulated kinase 1/2，ERK1/2)信號通路，而活化的ERK1/2在不同類型疼痛的形成和維持過程中發揮著關鍵作用[1,3]，其有可能成為治療疼痛的新靶點。目前國內外對ERK1/2在炎性痛、神經病理性痛等慢性疼痛中的作用研究的較為深入，而對于在急性組織損傷引起的急性疼痛中的作用研究相對有限，ERK1/2參與誘導急性痛覺過敏在分子水平的機制以及在不同類型疼痛中作用差異性的鑒別尚未完全明確。現就近年來ERK1/2在多種類型疼痛中作用及在不同組織水平參與痛覺過敏形成和維持的詳細機制和作用差異進行綜述，以期不斷充實對疼痛理論的認識，為更安全、有效的臨床鎮痛藥物的研發提供基礎理論依據。

1 ERK1/2的分布、表達及功能

ERK1/2是一類廣泛分布于哺乳動物細胞的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，其與p38激酶和c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)同屬于促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPKs)家族[4]。ERK1和ERK2的分子量分別為44 000和42 000，兩者序列的相似性高達83%，均由N端序列和C端序列柔性連接組成，其中激酶活化環包含能被雙磷酸化的蘇氨酸/酪氨酸基團[5]。ERK1/2在腦、骨骼肌、心臟以及胸腺中高表達，其中在腦和脊髓的表達量是正常組織的3～6倍[4,6]。

細胞膜表面的酪氨酸激酶受體、G蛋白偶聯受體、整聯蛋白、離子通道等在生長因子、分裂素、Ca2+、G蛋白偶聯受體配體、滲透壓的作用下，將刺激信號轉導至細胞內，而細胞內的Ras蛋白在生長因子受體結合蛋白和鳥苷酸交換因子的輔助下接收刺激信號并結合鳥苷三磷酸(guanosine triphosphate，GTP)，Ras-GTP能直接活化Raf家族，啟動激酶三級級聯活化，使細胞質內靜息態的ERK1/2磷酸化[7]。磷酸化的ERK1/2(phospho-ERK1/2，p-ERK1/2)主要以同源二聚體的形式在核定位序列介導下通過核孔復合體進入細胞核，同時有少量的p-ERK1/2滯留在細胞質[5]。亞細胞定位不同的p-ERK1/2能磷酸化不同底物Pro-Xxx-Ser/Thr-Pro序列的蘇氨酸/絲氨酸基團，通過轉錄或非轉錄方式調節細胞的生物功能[4-5]。此外，細胞內蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)等可通過MEK1/2(MAP/ERK kinase 1/2)活化ERK1/2，因此研究中常用PD98059、U0126(MEK1/2特異性抑制劑)作為ERK1/2信號通路的阻斷劑[1]。

ERK1/2在細胞周期中發揮正性調節作用，參與調控細胞的增殖、生長、存活[5]。研究證明，ERK1/2信號通路是慢性疼痛傳導的關鍵通路之一，不僅促進疼痛的形成，并且在急性疼痛向慢性疼痛的轉化及慢性疼痛的維持中發揮關鍵作用[1-2]。關于ERK1/2信號通路在急性疼痛中的作用國內外研究者尚未得出一致結論。此外，脊髓神經元內ERK1/2-JNK途徑的激活參與超低劑量嗎啡誘導的痛覺過敏[8]。

2 ERK1/2誘導痛覺過敏分子水平的機制

2.1ERK1/2促進損傷組織微環境的改變 組織損傷后釋放組胺、緩激肽、一氧化氮等炎性因子，而免疫細胞聚集又進一步釋放炎性因子和神經細胞生長因子，這些細胞因子與神經纖維末梢釋放的P物質等內源性致痛物質共同促進組織損傷局部炎性微環境的形成，是刺激初級感覺傳入纖維敏化的前提條件。Shi等[9]發現，離體角質細胞表面存在P物質和降鈣素基因相關肽(calcitonin gene-related peptide，CGRP)受體，應用外源性P物質和CGRP能激活角質細胞內ERK1/2信號通路，并促進白細胞介素1β、白細胞介素6以及腫瘤壞死因子α表達，而應用PD98059能抑制ERK1/2活化，并減少上述炎性因子的表達，證明ERK1/2信號通路是角質細胞異常表達炎性因子的關鍵中介，即初級感覺傳入纖維外周端在病理狀態下釋放的P物質和CGRP可通過激活周圍組織的ERK1/2信號通路增強局部免疫反應，誘導組織損傷加重。Ding等[10]還發現，白細胞介素1β能誘導異位子宮內膜細胞釋放ATP，白細胞介素1β和ATP均能激活異位子宮內膜細胞內的ERK1/2信號通路，繼而通過活化環腺苷酸效應元件結合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)增加P2X3受體(ATP受體亞型)在細胞膜表面的表達，并且活化的P2X3受體對ATP的親和力進一步增加，從而形成惡性循環，促進局部微環境的進一步惡化，增加外周傷害性刺激的傳入。此外，損傷組織釋放的ATP還能直接作用于初級感覺傳入纖維外周端的P2X3受體，形成相同的惡性循環，參與促進初級感覺傳入纖維的敏化[10]。

2.2ERK1/2在外周神經促進細胞間信息交流 初級感覺傳入神經的胞體聚集形成神經節，參與外周刺激信號的傳導和調制，是外環境與中樞神經連接的樞紐。神經節細胞發生敏化后對外周刺激反應的閾值降低，致使傷害性信號的傳入增加，促進疼痛中樞敏化。曲玉娟[11]在大鼠背根神經節(dorsal root ganglion，DRG)慢性壓迫模型中發現，DRG內ERK1/2蛋白的表達及磷酸化水平均上調，鞘內注射U0126能抑制大、中直徑神經元的活化，并緩解因DRG壓迫引起的機械痛敏，證明ERK1/2信號通路在DRG慢性壓迫異常激活大、中直徑神經元的過程中起重要作用，并且ERK1/2誘導的神經元活化使DRG保持對機械刺激的持續高反應狀態。Mikuzuki等[12]也發現，三叉神經節內大直徑神經元在舌咽神經損傷3 d后顯著活化，其釋放的CGRP不僅能與自身受體結合增強神經元的興奮性，還能作用于圍繞神經元的星形膠質細胞，通過激活ERK1/2信號通路使星形膠質細胞活化，正是這種神經元與星形膠質細胞間的信息交流促進了神經節敏化，誘導了舌咽神經損傷引起的機械痛敏和熱痛敏。Liu等[13]發現，受壓迫的DRG內ERK1/2信號通路激活后能通過磷酸化核轉錄因子激活蛋白1，增加某些炎性因子在初級感覺傳入神經中樞端的釋放，繼而激活脊髓背角內星形膠質細胞，參與誘導疼痛的中樞敏化。與慢性神經損傷不同的是，雖然在急性組織損傷過程中同樣存在DRG內ERK1/2的持續異常活化，但其可能僅在疼痛早期階段發揮作用，詳細機制還有待進一步研究[14]。

在大鼠足底注射蜂毒后DRG內神經元發生敏化，并且星形膠質細胞釋放CXC趨化因子配體12(C-X-C motif chemokine ligand 12,CXCL12)，而CXCL12與神經元表面的CXC趨化因子受體4(C-X-C motif chemokine receptor 4，CXCR4)結合后激活ERK1/2信號通路，鞘內或足底注射U0126均能抑制ERK1/2的活化并減少Nav1.8的表達，同時緩解由蜂毒引起的持續性疼痛，提示星形膠質細胞通過CXCL12-CXCR4-ERK1/2途徑上調神經元Nav1.8鈉離子通道的表達，升高DRG的興奮性，促進蜂毒引起的痛覺過敏[15]。Bi等[16]在顳下頜關節炎模型大鼠的三叉神經節內檢測到衛星膠質細胞內ERK1/2的顯著增加及神經元內Nav1.7、Nav1.8以及Nav1.9表達上調，其中Nav1.7在基因和蛋白水平上調得較為明顯，而顯微注射U0126抑制了神經元對Nav1.7表達的上調，提示衛星膠質細胞內ERK1/2信號通路的激活可能是三叉神經節內神經元表面Nav1.7表達上調的重要前提，參與誘導完全弗氏佐劑引起的痛覺過敏。對以上炎性痛模型的研究表明，外周神經ERK1/2信號通路是神經元與膠質細胞間信息交流的關鍵中介，可通過上調離子通道的表達來升高神經元的興奮性，增加外周傷害性信號的傳入。此外，對蜂毒注射和選擇性神經損傷模型的研究發現，DRG內CXCL12-CXCR4-ERK1/2途徑在急性疼痛向慢性疼痛轉化的過程中起重要作用[17]。

2.4ERK1/2調節脊髓對痛覺信號的應答 脊髓背角內ERK1/2活化后能通過轉錄或非轉錄的方式調節突觸的可塑性，改變脊髓對痛覺信號的反應性。p-ERK1/2能以非轉錄方式直接磷酸化突觸后膜上的NMDA受體和AMPA受體，并募集AMPA受體的GluR1亞單位插入到突觸后膜，增強突觸的轉運功能[2]。鞘內注射細胞周期蛋白依賴性激酶5(cyclin-dependent kinase 5，CDK5)抑制劑或U0126均能緩解完全弗氏佐劑誘導的熱痛覺過敏，其中U0126能同時抑制ERK1/2和CDK5的活化，而CDK5抑制劑不影響ERK1/2的活化，證明ERK1/2是CDK5的上游調節激酶，在外周炎癥刺激下促進CDK5的活化[23]。其可能機制是p-ERK1/2通過磷酸化細胞核內早期生長反應因子1上調p35的表達，而p35與CDK5結合激發了CDK5的酶活性，活化的CDK5調節脊髓背角神經元Kv4.2鉀離子通道的表達，抑制A型鉀離子外向電流，降低神經元的興奮閾值，改變突觸可塑性[1,24]。研究證明，脊髓背角神經元內ERK1/2被完全弗氏佐劑激活后不僅能促進環加氧酶2的表達，還能通過ERK1/2-CREB途徑促進神經激肽1受體的表達，兩種途徑均可改變突觸的可塑性，但表達的高峰時間并不同，提示ERK1/2在不同時間促進中樞敏化的機制存在一定差異[25]。Tochiki等[26]發現，在大鼠足底注射辣椒素或福爾馬林均能使同側脊髓背角神經元內ERK1/2、絲裂原和應激激活蛋白激酶1(mitogen and stress-activated protein kinase 1，MSK1)及組蛋白H3的活化增加，鞘內注射ERK1/2信號通路抑制劑或MSK1抑制劑均能減少p-MSK1和p-H3S10(磷酸化的H3)的表達，并且MSK1抑制劑還能顯著緩解福爾馬林誘導的第二時相痛敏反應，證明ERK1/2是MSK1和H3的上游調節激酶，可通過磷酸化MSK1促進H3活化。活化的H3通過促進核染色質松弛使DNA更容易轉錄，并與CREB共同促進AMPA受體GluR1亞單位的表達，引起Ca2+內流增加，神經元興奮性升高。以上研究表明，脊髓背角神經元內ERK1/2異常激活后通過磷酸化多種轉錄因子調控DNA的轉錄，繼而促進多種激酶受體、離子通道受體或炎性因子的表達，使神經元興奮性升高或興奮閾值降低，突觸可塑性改變，是ERK1/2調節脊髓對痛覺信號應答的中樞機制。

Berta等[27]發現，抑制脊髓星形膠質細胞內p-ERK1/2的表達能減少白細胞介素1β的釋放，并緩解由組織纖溶酶原激活物引起的機械痛敏。Song等[28]發現，骨癌能異常激活脊髓背角小膠質細胞內ERK1/2信號通路，通過磷酸化信號轉導及轉錄激活因子1上調主要組織相容性復合體Ⅱ的表達，促進不良的神經免疫反應，加重神經細胞損傷。提示膠質細胞內ERK1/2信號通路激活后同樣促進脊髓敏化。目前對于急性疼痛過程中膠質細胞內ERK1/2信號通路是否參與促進痛覺過敏尚未見報道。Liu等[29]在急性組織損傷后6 h即觀察到脊髓星形膠質顯著活化；而Masaki等[30]證實，小膠質細胞對急性組織損傷引起的早期痛閾降低作用有限，提示在急性疼痛的早期階段星形膠質細胞的作用更為重要。關于膠質細胞內ERK1/2信號通路在急性痛覺過敏中的作用還需要進一步探索。

3 ERK1與ERK2在不同疼痛模型中作用的鑒別

ERK1和ERK2的序列相似性高，參與雙磷酸化的基團相同，且通常同時被激活，所以一般當作一個整體進行研究[4]。現有的關于ERK1/2在疼痛領域的研究大都不能區分兩者作用的差異。Alter等[31]應用基因敲除技術完全抑制小鼠體內ERK1的轉錄表達，并對ERK1和ERK2在多種疼痛模型中的作用進行了比較，結果顯示：①ERK1的缺失對福爾馬林引起的自發痛行為、完全弗氏佐劑引起的熱痛敏和機械痛敏、選擇性神經損傷引起的機械痛敏并無影響。②ERK1的缺失能推遲福爾馬林引起的慢性熱痛敏，但不影響機械痛敏。由此可知，ERK1和ERK2在不同疼痛進程中作用的差異是實際存在的，并且ERK2的作用在上述多個疼痛模型中顯得更為重要。此外，ERK1的缺失雖然上調了p-ERK2的基礎水平，但是未能進一步使傷害性刺激誘導的p-ERK2水平升高，提示p-ERK2基礎水平的提高主要源于非感覺細胞的表達。關于ERK1和ERK2作用的差異仍需在更多的疼痛模型中鑒別。

4 小 結

在損傷組織，ERK1/2促進損傷部位微環境的進一步惡化；在外周神經，ERK1/2促進神經元與膠質細胞間的信息交流，誘導初級感覺傳入纖維敏化，使傷害性信號傳入增加；在脊髓背角神經元，ERK1/2能以多種轉錄或非轉錄的方式上調神經元興奮性或降低興奮閾值，改變突觸可塑性。ERK1/2在不同時間誘導痛覺過敏的機制可能存在差異，而ERK1和ERK2的作用在不同類型疼痛中存在差異，其中ERK2的作用更為重要。新型藥物的研發需要深入探索疼痛相關機制，尋找新的抑痛靶點。ERK1/2在痛覺過敏形成和維持過程中的關鍵作用是肯定的，有望成為鎮痛藥物研發的新靶點。ERK1/2在不同時間、不同細胞內誘導痛覺敏化的詳細機制，以及在不同類型疼痛中作用差異應成為今后研究的重點。