張 麗 白占濤 王志紅 高永靜 劉 通
(1江蘇大學(xué)附屬昆山市第一人民醫(yī)院麻醉科,昆山215300;2延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,延安716000;3蘇州大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所,蘇州215123;4南通大學(xué)疼痛醫(yī)學(xué)研究院,特種醫(yī)學(xué)研究院,南通226019)
眾所周知,疼痛和瘙癢是機(jī)體兩種截然不同的主觀感覺,但兩者又彼此密切聯(lián)系。國(guó)際疼痛研究會(huì)將疼痛定義為“一種與實(shí)際或潛在的組織損傷相關(guān)的不愉快的主觀感覺和情感體驗(yàn)”[1]。目前,瘙癢的一般定義為“一種誘發(fā)抓撓欲望或反射的不愉快的軀體感覺”[2]。疼痛和瘙癢所誘發(fā)的均為軀體不愉快的主觀感覺體驗(yàn),但是疼痛引起的是退縮反射,而瘙癢引起的是抓撓反應(yīng)[3]。疼痛可以發(fā)生在機(jī)體除大腦以外的深部和淺表幾乎所有器官組織,而瘙癢僅發(fā)生在皮膚和粘膜等淺表組織處。在急性條件下,疼痛和瘙癢的感覺都可以作為警告信號(hào),保護(hù)機(jī)體免受可能的傷害性刺激造成的損傷。急性瘙癢可以通過抓撓[4]和疼痛刺激得到緩解;而嗎啡等止痛劑則常常引起機(jī)體的瘙癢感覺[5]。
在慢性疾病的條件下,不論是疼痛還是瘙癢的癥狀,都成為一種對(duì)機(jī)體無益且難以適應(yīng)性的疾病狀態(tài),嚴(yán)重影響病人的睡眠和生活質(zhì)量。有趣的是,在慢性疼痛的病理?xiàng)l件下,瘙癢刺激可以誘發(fā)疼痛感覺;而在慢性瘙癢的病理?xiàng)l件下,疼痛刺激也可以引起瘙癢感覺[6]。特別是在慢性病理?xiàng)l件下,瘙癢和疼痛的病理機(jī)制有著許多相似之處[6]。慢性疼痛和慢性瘙癢的臨床癥狀也有許多相似之處。對(duì)慢性疼痛來言,包括外周或中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷引起的神經(jīng)病理性疼痛、外周組織損傷或炎癥誘導(dǎo)的炎癥性疼痛、功能障礙性疼痛、以及腫瘤引起的癌癥痛等;其臨床表現(xiàn)為自發(fā)性疼痛、痛覺過敏(指對(duì)閾上疼痛刺激的反應(yīng)性增強(qiáng))、觸誘發(fā)痛(無害的輕觸刺激誘發(fā)疼痛)[1]。慢性瘙癢可以在多種疾病狀態(tài)下發(fā)生,包括如銀屑病等皮膚疾病、膽汁淤積等肝臟疾病、慢性腎病、糖尿病等代謝性疾病以及帶狀皰疹病毒感染等,其臨床表現(xiàn)為自發(fā)性瘙癢、癢覺過敏、觸誘發(fā)癢(無害的輕觸刺激誘發(fā)瘙癢)等[2]。
外周組織中瘙癢和疼痛的信號(hào)均可由初級(jí)感覺神經(jīng)元游離的外周神經(jīng)末梢(主要是Aδ和C類纖維)所探測(cè)。初級(jí)感覺神經(jīng)元屬于假單極神經(jīng)元,其胞體位于背根神經(jīng)節(jié)(DRG)和三叉神經(jīng)節(jié)(TG)[2]。初級(jí)感覺神經(jīng)元發(fā)出的中樞軸突末梢投射到脊髓(或延髓)背角區(qū)域,在這里進(jìn)行瘙癢和疼痛的信號(hào)的第一級(jí)中樞的加工處理。初級(jí)感覺神經(jīng)元中負(fù)責(zé)感受疼痛刺激的細(xì)胞亞群(即傷害性感受器;Nociceptor)中有一小部分專門負(fù)責(zé)感受瘙癢刺激,也稱為癢感受器(Pruriceptor)。初級(jí)感覺神經(jīng)元上表達(dá)多種類型的感受疼痛或瘙癢刺激的受體,包括G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)、瞬時(shí)感受器電位離子通道(TRP通道)、酸敏感通道(ASICs)、細(xì)胞因子受體(如白細(xì)胞介素1β受體等)以及機(jī)械敏感離子通道(如PIEZO通道等)。其中,有些受體只感受疼痛刺激,如某些GPCRs、細(xì)胞因子或趨化因子受體等。有些受體既能感受疼痛也感受瘙癢,如組胺受體、蛋白酶激活受體(PARs)、五羥色胺(5-HT)受體某些亞型和緩激肽受體等。還有一些受體僅能感受瘙癢刺激,包括G蛋白偶聯(lián)受體MrgprA3、5-HT7受體和胸腺基質(zhì)淋巴細(xì)胞生成素(TSLP)受體等[2]。此外,初級(jí)感覺神經(jīng)元進(jìn)行疼痛和瘙癢的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),也通常采用相互重疊的下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,如瞬時(shí)受體電位受體家族TRPV1、TRPV4和TRPA1通道等[7]。
位于脊髓的第二級(jí)投射神經(jīng)元通過上行傳導(dǎo)通路投射到腦干和丘腦,通過第三級(jí)神經(jīng)元進(jìn)一步投射到大腦皮層等相關(guān)區(qū)域,最終形成包含情緒、認(rèn)知等多維度的痛覺感知。從腦干到脊髓的下行投射的5-HT能和去甲腎上腺素能神經(jīng)纖維,通過激活脊髓局部環(huán)路的抑制性中間神經(jīng)元[如γ-氨基丁酸(GABA)和甘氨酸],從而抑制疼痛信號(hào)的傳導(dǎo)。關(guān)于癢覺的上行傳導(dǎo)通路研究不多,一般認(rèn)為跟痛覺的傳導(dǎo)通路大致重合。近來的研究發(fā)現(xiàn),臂旁核(parabrachial nucleus, PBN)是作為癢覺上行傳導(dǎo)通路上的重要的中繼核團(tuán)[8]。此外,在中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)(periaqueductal gray, PAG),GABA能神經(jīng)元的激活或谷氨酸能神經(jīng)元的抑制均對(duì)瘙癢產(chǎn)生下行抑制的作用,而GABA能神經(jīng)元還能編碼癢覺的厭惡情緒[9,10]。最近的研究表明,中腦腹側(cè)被蓋區(qū)(ventral tegmental area, VTA)中的多巴胺能神經(jīng)元的激活介導(dǎo)抓撓誘導(dǎo)的愉快感,而GABA能神經(jīng)元的激活則介導(dǎo)癢覺誘導(dǎo)的厭惡情緒[11]。
慢性疼痛和慢性瘙癢的發(fā)病機(jī)制有許多相似之處,都包括外周初級(jí)感覺神經(jīng)元的敏感性增強(qiáng)(稱為外周敏化)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的適應(yīng)不良和敏感性增強(qiáng)(稱為中樞敏化)[12]。例如,觸誘發(fā)痛和觸誘發(fā)癢是慢性疼痛和慢性瘙癢下的兩種常見現(xiàn)象,而中樞敏化機(jī)制在其發(fā)病中均發(fā)揮重要作用[6]。在臨床上,加巴噴丁和普瑞巴林等藥物對(duì)慢性疼痛和慢性瘙癢均有較好的緩解作用[3]。最近的研究還發(fā)現(xiàn),前腦GABA能神經(jīng)元的脊髓移植對(duì)神經(jīng)病理性疼痛[13]和神經(jīng)病理性瘙癢產(chǎn)生了抑制作用[14],這一結(jié)果為脊髓抑制性突觸傳遞喪失(即去抑制作用)在慢性疼痛和慢性瘙癢中的關(guān)鍵作用提供了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
外周神經(jīng)系統(tǒng)(PNS)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)穩(wěn)態(tài)的維持需要神經(jīng)元和非神經(jīng)元的免疫細(xì)胞之間的雙向交流[15]。然而,這種神經(jīng)免疫的相互作用在病理?xiàng)l件下會(huì)發(fā)生功能障礙,參與許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理發(fā)生,包括中風(fēng)、多發(fā)性硬化癥(MS)、阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和慢性疼痛[15]。機(jī)體在發(fā)生感染或組織損傷后,位于外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的多種非神經(jīng)細(xì)胞類型,包括免疫細(xì)胞、角質(zhì)形成細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、上皮細(xì)胞、癌細(xì)胞和入侵的細(xì)菌等,釋放神經(jīng)活性物質(zhì)直接激活、敏化或沉默傷害性感受器或癢感受器,從而促進(jìn)或抑制疼痛或瘙癢信號(hào)的產(chǎn)生[16]。雖然疼痛或瘙癢信號(hào)產(chǎn)生的分子機(jī)制可能不同,這個(gè)通用模型可作為一個(gè)有用的范式來描述各種非神經(jīng)細(xì)胞類型以及疼痛或瘙癢介質(zhì)的生物學(xué)功能。
Toll樣受體(TLR)位于神經(jīng)免疫系統(tǒng)的界面,并且神經(jīng)元和非神經(jīng)元細(xì)胞的TLRs激活后,通過直接地激活初級(jí)感覺神經(jīng)元或促使非神經(jīng)元細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子或趨化因子,進(jìn)而調(diào)節(jié)疼痛和瘙癢的信號(hào)加工過程[17]。本文重點(diǎn)討論TLRs在調(diào)節(jié)疼痛和瘙癢信號(hào)中的新作用,并討論了靶向TLRs信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可能作為緩解慢性疼痛和慢性瘙癢的新策略。
第一個(gè)被確定的TLR家族成員是果蠅的Toll分子。Toll對(duì)果蠅胚胎發(fā)育過程中的背腹模式以及抗真菌先天免疫反應(yīng)至關(guān)重要[18]。哺乳動(dòng)物的Toll樣受體(TLR)隨后被克隆,并被證明屬于模式識(shí)別受體(PRRs),其通過直接識(shí)別病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)和危險(xiǎn)相關(guān)的分子模式(DAMPs)來啟動(dòng)先天免疫應(yīng)答反應(yīng)。免疫細(xì)胞中的TLRs參與會(huì)啟動(dòng)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)途徑,導(dǎo)致細(xì)胞因子和趨化因子的合成和釋放[18]。TLRs介導(dǎo)的先天免疫應(yīng)答也被認(rèn)為是產(chǎn)生適應(yīng)性免疫應(yīng)答的先決條件。
迄今,已在人類和嚙齒動(dòng)物中鑒定出13種功能性TLRs[18]。TLRs是進(jìn)化上保守的I型跨膜蛋白,并且包含介導(dǎo)配體識(shí)別的、富含亮氨酸重復(fù)序列的胞外結(jié)構(gòu)域、跨膜區(qū)和激活下游信號(hào)傳導(dǎo)的TIR結(jié)構(gòu)域。根據(jù)它們的亞細(xì)胞定位,TLRs可分為細(xì)胞膜TLR (TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6 和 TLR10)和內(nèi)體TLR (TLR3、TLR7、TLR8和TLR9)。然而,根據(jù)細(xì)胞類型不同,一些內(nèi)體TLRs(例如TLR7)也可以定位于細(xì)胞膜上(見表1)。 大多數(shù)類型的TLR在它們之間形成同源二聚體,而某些TLR則形成異二聚體,例如TLR1/TLR2和TLR2/TLR6。
TLRs檢測(cè)來自微生物的不同PAMPs,包括病毒、細(xì)菌、分枝桿菌、真菌和寄生蟲等[18]。對(duì)于細(xì)胞膜表達(dá)的TLRs,TLR1、TLR2和TLR6能夠檢測(cè)脂蛋白,TLR4能夠檢測(cè)脂多糖(LPS),TLR5負(fù)責(zé)檢測(cè)鞭毛蛋白等。內(nèi)體TLRs負(fù)責(zé)感知核酸,例如TLR3感知雙鏈(ds) RNA,TLR7和TLR8感知單鏈(ss) RNA,TLR9感知CpG DNA。在病理?xiàng)l件下,TLRs可通過識(shí)別細(xì)胞壞死和組織損傷后釋放的內(nèi)源性DAMPs,來誘導(dǎo)無菌炎癥反應(yīng)[19]。TLRs的激活通過募集嗜中性粒細(xì)胞和激活巨噬細(xì)胞以及干擾素(IFN)刺激的基因表達(dá),來清除侵入體內(nèi)的病原體。此外,TLRs的激活還能導(dǎo)致樹突細(xì)胞(DC)的成熟,這對(duì)于適應(yīng)性免疫應(yīng)答至關(guān)重要。
轉(zhuǎn)接分子MyD88是大多數(shù)TLRs的下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)所必需,但TLR3信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)則不需要MyD88[18](見圖1)。TLR2和TLR4也通過轉(zhuǎn)接分子TIRAP轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)(見圖1)。TLRs識(shí)別配體后,MyD88募集IL-1R相關(guān)激酶(IRAK)。IRAK活化導(dǎo)致與腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6 (TRAF6)的相互作用,并導(dǎo)致NFκB (IκB)-激酶復(fù)合物(IKK復(fù)合物)的磷酸化。IκB的磷酸化導(dǎo)致IκB的降解,從而允許NFκB易位至細(xì)胞核并啟動(dòng)隨后的基因轉(zhuǎn)錄。同時(shí),TRAF6激活促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)通路,包括細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)、p38和c-Jun N末端激酶(JNK),并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄。TLRs信號(hào)通路的激活產(chǎn)生許多促炎細(xì)胞因子或趨化因子,包括TNF-α、IL-1、IL-6、IL-12、IL-8 和 MIP2 等,以及活性氧或活性氮(見圖1)。TLR3和TLR4利用轉(zhuǎn)接分子TRIF,最終激活NFκB和干擾素調(diào)節(jié)因子3 (IRF3)[18]。TRIF招募TRAF6用于NFκB的活化,類似于MyD88依賴性信號(hào)途徑。TRIF信號(hào)傳導(dǎo)導(dǎo)致IRF3的磷酸化及其核轉(zhuǎn)位。IRF3的激活又導(dǎo)致I型干擾素(IFN)的轉(zhuǎn)錄。
表1 Toll樣受體家族概況、亞細(xì)胞定位、配體、銜接蛋白與疼痛或瘙癢
越來越多的證據(jù)表明,TLRs介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥與慢性疼痛發(fā)病的外周敏化和中樞敏化機(jī)制有關(guān)。TLRs恰好位于神經(jīng)免疫系統(tǒng)的界面,并且在外周神經(jīng)系統(tǒng)(PNS)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)中的多種細(xì)胞類型中表達(dá)[20]。為人們所熟知的是,非神經(jīng)元細(xì)胞的TLRs的活化產(chǎn)生各種炎癥介質(zhì),包括細(xì)胞因子、趨化因子和蛋白酶。近來最新的研究表明,在初級(jí)感覺神經(jīng)元中,神經(jīng)元TLRs的激活通過開放離子通道,并啟動(dòng)動(dòng)作電位或使對(duì)致痛源和致癢源的神經(jīng)元反應(yīng)的敏感性增加。本部分綜述了各種不同的TLR家族成員的功能及其在疼痛中的重要作用。
TLR2通過形成TLR2-TLR1和TLR2-TLR6異二聚體來區(qū)分識(shí)別多種脂肽。有證據(jù)支持一些DAMPs,例如HMGB1、HSP60、雙糖鏈蛋白聚糖和透明質(zhì)酸等,也可以被TLR2識(shí)別,盡管這些DAMPs并非僅由TLR2識(shí)別[21]。TLR2激活后通過轉(zhuǎn)接分子MyD88依賴性途徑啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)。與腦中的其他細(xì)胞類型相比,TLR2的表達(dá)在小膠質(zhì)細(xì)胞中高度富集,表明中樞神經(jīng)系統(tǒng)中TLR2主要在小膠質(zhì)細(xì)胞上表達(dá)[22]。還有證據(jù)表明,在星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、施旺細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和初級(jí)感覺神經(jīng)元中,也檢測(cè)到TLR2的低水平表達(dá)。
TLR2主要通過在傷害感受信號(hào)通路中誘發(fā)神經(jīng)炎癥從而參與慢性疼痛的發(fā)生發(fā)展。與正常小鼠相比,外周神經(jīng)損傷誘導(dǎo)的機(jī)械異常性疼痛和熱痛覺過敏以及伴隨的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞激活和脊髓炎癥基因的表達(dá),在TLR2基因缺陷小鼠中被抑制[23]。外周神經(jīng)損傷后,在受損部位或DRGs出現(xiàn)巨噬細(xì)胞浸潤(rùn),且TLR2的表達(dá)上調(diào),可能參與外周神經(jīng)炎癥反應(yīng),例如TLR2介導(dǎo)的單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1,也稱為CCL2)表達(dá)的上調(diào)[24]。在臨床研究中,與無痛病人相比,患有慢性疼痛的病人分離的外周血單核細(xì)胞對(duì)TLR2、TLR4和TLR7激動(dòng)劑的反應(yīng)有所增強(qiáng)[25]。近來,蛋白聚糖(aggrecan)的32個(gè)氨基酸殘基的片段能直接激活背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元產(chǎn)生MCP-1,參與骨性關(guān)節(jié)炎疼痛的發(fā)病過程[26]。這個(gè)結(jié)果提示,背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元上表達(dá)的TLR2也參與外周神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)炎癥過程(見圖2)。
圖1 哺乳動(dòng)物免疫細(xì)胞中經(jīng)典的TLRs信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖
TLR3識(shí)別雙鏈RNA并通過TRIF途徑啟動(dòng)信號(hào),導(dǎo)致通過IRF3釋放I型干擾素和通過NF-κB釋放炎性細(xì)胞因子。關(guān)于TLR3與疼痛機(jī)制的研究相對(duì)較少。有研究表明,脊髓中TLR3的表達(dá)隨著神經(jīng)損傷后的小膠質(zhì)細(xì)胞的活化或施加TLR3激動(dòng)劑而表達(dá)升高[27]。通過鞘內(nèi)注射反義寡核苷酸選擇性敲低TLR3表達(dá),能夠減輕慢性胰腺炎后的機(jī)械性異常性疼痛[28]。TLR3基因缺陷小鼠也顯示神經(jīng)損傷誘導(dǎo)的異常性疼痛的緩解。然而,由TLR3所識(shí)別的內(nèi)源性DAMPs,目前仍不清楚。
越來越多的證據(jù)表明,TLR4可能是促進(jìn)與慢性疼痛發(fā)病機(jī)制相關(guān)的神經(jīng)炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵受體之一[29]。先前發(fā)現(xiàn),TLR4廣泛表達(dá)在小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和外周初級(jí)感覺神經(jīng)元上。就神經(jīng)元表達(dá)的TLR4而言,其主要在DRG和TG中的初級(jí)感覺神經(jīng)元表達(dá),可參與初級(jí)感覺神經(jīng)元的激活或敏化,并直接促成疼痛信號(hào)傳導(dǎo)的發(fā)生。TLR4在辣椒素敏感的小直徑神經(jīng)元上表達(dá),與瞬時(shí)受體電位香草酸1 (TRPV1)和ATP門控嘌呤能受體P2X3共表達(dá)[30]。TLR4激動(dòng)劑脂多糖(LPS)能夠增強(qiáng)TRPV1+的感覺神經(jīng)元的放電頻率[30],因此通過TLR4依賴性機(jī)制直接影響初級(jí)感覺神經(jīng)元的超興奮性。有實(shí)驗(yàn)表明,初級(jí)感覺神經(jīng)元的TRPA1也可能是LPS作用的另一個(gè)分子靶點(diǎn)[31]。由DRG的初級(jí)感覺神經(jīng)元表達(dá)的神經(jīng)元TLR4也通過使表達(dá)TRPV1的神經(jīng)元敏感增強(qiáng)而參與紫杉醇誘導(dǎo)的外周神經(jīng)病變及疼痛(見圖2)[32]。
免疫細(xì)胞中TLR4的激活可以導(dǎo)致神經(jīng)炎癥,間接增強(qiáng)初級(jí)感覺神經(jīng)元的興奮性[29]。外周神經(jīng)損傷或炎性后,脊髓中的TLR4的表達(dá)增加[33]。鞘內(nèi)注射幾種結(jié)構(gòu)不同的TLR4拮抗劑LPS-RS(來自Rhodobacter sphaeroides的LPS)、(+)- 納洛酮和(+)-納曲酮(它們不結(jié)合于阿片受體),能夠抑制神經(jīng)損傷引起的機(jī)械疼痛超敏反應(yīng)[21]。鞘內(nèi)注射針對(duì)TLR4的siRNA或反義寡核苷酸以敲低TLR4的表達(dá),可以減弱由外周神經(jīng)損傷、骨癌和脊髓損傷誘導(dǎo)的痛覺超敏反應(yīng)[21]。有趣的是,鞘內(nèi)注射TLR4激動(dòng)劑LPS在雄性小鼠中產(chǎn)生疼痛,而不是雌性小鼠中,表明TLR4參與神經(jīng)性疼痛存在性別差異[34]。TLR4基因缺陷小鼠表現(xiàn)出由外周神經(jīng)損傷、關(guān)節(jié)炎或自身免疫性神經(jīng)病引起的痛覺超敏反應(yīng)的顯著降低[29]。有證據(jù)表明,神經(jīng)膠質(zhì)表達(dá)TLR4有助于嗎啡誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥進(jìn)而參與嗎啡鎮(zhèn)痛耐受的發(fā)生[35]。嗎啡與MD-2的疏水核心結(jié)合(類似于LPS的脂質(zhì)A的部分)并誘導(dǎo)TLR4寡聚化,導(dǎo)致NFκB介導(dǎo)的促炎性介質(zhì)如IL-1β、TNF和一氧化氮的釋放[36]。阿片類藥物誘導(dǎo)的痛覺過敏(OIH)意味著阿片類藥物暴露后導(dǎo)致機(jī)體對(duì)疼痛的敏感性增加。其中也涉及到小膠質(zhì)細(xì)胞中的TLR4及其下游信號(hào)NLRP3炎性小體的參與[37]?;熕幬镎T導(dǎo)的外周神經(jīng)病變(CIPN)及疼痛是與化療藥物(如紫杉醇)的細(xì)胞毒性作用相關(guān)的嚴(yán)重不良后果,其特征是神經(jīng)性疼痛可在化療藥物停止治療后持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。研究表明,紫杉醇與MD2結(jié)合并誘導(dǎo)TLR4寡聚化,導(dǎo)致促炎反應(yīng)[32]。因此,盡管需要更好地了解哪些條件對(duì)藥理學(xué)靶向TLR4的反應(yīng)最佳,但是TLR4受體拮抗劑可能有益于多種慢性疼痛疾病,包括神經(jīng)性疼痛、炎性疼痛、OIH和CIPN。
圖2 哺乳動(dòng)物神經(jīng)元中非經(jīng)典的TLRs信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖
TLR4識(shí)別的內(nèi)源性DAMPs可能是TLR4介導(dǎo)的疼痛的罪魁禍?zhǔn)祝M管尚不清楚哪個(gè)DAMPs在此過程中是必需的。涉及哪些DAMPs可能取決于組織器官的不同。TLR4識(shí)別的幾種可能的內(nèi)源性DAMPs包括HSP60、HSP90、分泌到細(xì)胞外的HMGB1、生腱蛋白-C(屬于細(xì)胞外基質(zhì)糖蛋白)和半乳糖凝集素-3等[29]。有趣的是,最近的報(bào)道表明腸道微生物群也可能是TLRs配體的體內(nèi)重要來源。早期研究發(fā)現(xiàn),在缺乏腸道微生物群的無菌小鼠中,由炎性疼痛引起的機(jī)械疼痛超敏反應(yīng)減少[38]。最近,在清除腸道微生物群后,化療藥物奧沙利鉑誘導(dǎo)的機(jī)械痛覺過敏顯著性降低,并且這些作用依賴于循環(huán)造血細(xì)胞上表達(dá)的TLR4[39]。近來發(fā)現(xiàn),腦中內(nèi)皮細(xì)胞上的TLR4識(shí)別腸道中革蘭氏陰性細(xì)菌的LPS并導(dǎo)致腦海綿狀血管畸形,而這種TLR4介導(dǎo)的病理可通過干預(yù)腸道微生物組來預(yù)防[40]。因此,推測(cè)靶向干預(yù)腸道微生物群,也能調(diào)節(jié)TLR信號(hào)傳導(dǎo)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。
細(xì)胞膜TLR5識(shí)別細(xì)菌的鞭毛蛋白(flagellin),它是革蘭氏陰性和革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的結(jié)構(gòu)蛋白。如圖1所示,TLR5的二聚化導(dǎo)致轉(zhuǎn)接分子MyD88依賴性的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活。近來研究發(fā)現(xiàn),TLR5在初級(jí)感覺神經(jīng)元、小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)。原位雜交和免疫組織化學(xué)分析顯示,TLR5主要表達(dá)在小鼠DRGs的中大型有髓鞘Aβ纖維上,它支配后爪無毛的皮膚并延伸到脊髓背角的深層[41]。TLR5也表達(dá)在人的DRG神經(jīng)元中。L5脊神經(jīng)結(jié)扎導(dǎo)致的機(jī)械痛敏在TLR5基因敲除小鼠中有所減弱。鞭毛蛋白激活神經(jīng)元TLR5后,QX-314(一種膜不可滲透的利多卡因的衍生物)通過未知的一種通道進(jìn)入神經(jīng)元,導(dǎo)致鈉電流的阻斷,這主要發(fā)生在小鼠DRG的大直徑Aβ纖維神經(jīng)元中。鞭毛蛋白和QX-314的共同施加能夠抑制化療、神經(jīng)損傷和糖尿病神經(jīng)病變后的機(jī)械痛覺過敏。結(jié)果表明,TLR5介導(dǎo)的Aβ纖維沉默有望治療神經(jīng)性疼痛。近來的研究發(fā)現(xiàn)HMGB1可能作為TLR5的內(nèi)源性配體候選者[42]。HMGB1在體外引發(fā)TLR5介導(dǎo)的MyD88信號(hào)級(jí)聯(lián),包括NFκB依賴性炎癥介質(zhì)的轉(zhuǎn)錄,例如TNF、IL-8和iNOS[42]。將鞭毛蛋白或HMGB1直接注射到大鼠的后爪中產(chǎn)生急性疼痛,其可被TLR5拮抗劑所抑制。因此,結(jié)果表明TLR5對(duì)細(xì)胞外內(nèi)源性的HMGB1的識(shí)別,可能誘發(fā)痛覺過敏[42]。最近,過表達(dá)miR-150可以抑制TLR5介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥反應(yīng),包括大鼠周圍神經(jīng)損傷后的COX-2、白細(xì)胞介素IL-6和TNF-α的表達(dá),從而大大減輕了神經(jīng)性疼痛[43]??傊?,TLR5介導(dǎo)的神經(jīng)免疫信號(hào)通過產(chǎn)生促炎介質(zhì)而導(dǎo)致慢性疼痛。另一方面,初級(jí)感覺神經(jīng)元中的神經(jīng)元TLR5的激活也可能參與神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生。
表達(dá)在內(nèi)體上的TLRs通過感知核酸而促進(jìn)先天免疫應(yīng)答。這些內(nèi)體中存在的TLRs被認(rèn)為不同程度的表達(dá)在小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、施旺細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和初級(jí)感覺神經(jīng)元上。研究表明,培養(yǎng)的DRG神經(jīng)元上表達(dá)TLR3、TLR7和TLR9,給予它們的特異性激動(dòng)劑可增加TRPV1表達(dá)以及DRG感覺神經(jīng)元的活性,并且能增加前列腺素E2的釋放[44]。提示內(nèi)體TLRs在DRG的初級(jí)感覺神經(jīng)元中功能性表達(dá)。
TLR7識(shí)別單鏈RNA并啟動(dòng)MyD88依賴性途徑,以釋放NF-κB介導(dǎo)的炎性細(xì)胞因子或IRF7介導(dǎo)的I型IFN的轉(zhuǎn)錄(見圖1)。盡管在小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞中有低水平TLR7的表達(dá),但是TLR7在DRG初級(jí)感覺神經(jīng)元,特別是表達(dá)TRPV1的神經(jīng)元上有表達(dá)[45]。最近的研究結(jié)果揭示了細(xì)胞外miRNA通過TLR7-TRPA1快速激發(fā)傷害感受神經(jīng)元的新穎作用[46]。值得注意的是,miRNA let-7b與TLR7結(jié)合并激活TRPA誘導(dǎo)DRG神經(jīng)元中快速內(nèi)向電流和動(dòng)作電位。這些電生理效應(yīng)需要Let-7b的GUUGUGU基序[46]。足底內(nèi)注射let-7b引起快速自發(fā)性疼痛,這些反應(yīng)依賴于TLR7和TRPA1的表達(dá)[46]。因此,細(xì)胞外miRNAs可能作為內(nèi)源性DAMPs,通過激活TLR7和TRPA1從而引發(fā)疼痛。
最近的研究發(fā)現(xiàn),DRG上初級(jí)感覺神經(jīng)元中的TLR8及其內(nèi)源性配體miR-21共同導(dǎo)致小鼠的神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生[47]。TLR8主要在中小型IB4+非肽能神經(jīng)元中表達(dá),并且在小鼠神經(jīng)病理性疼痛的維持期間,TLR8陽(yáng)性神經(jīng)元的百分比有所增加。在Tlr8-/-小鼠中,神經(jīng)損傷引起的機(jī)械痛敏和脊神經(jīng)結(jié)扎(SNL)或紫杉醇(PTX)誘導(dǎo)的熱痛敏顯著降低。在Tlr8-/-小鼠中,SNL后脊髓中星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的活化減少與神經(jīng)病理性疼痛行為的減少相一致。有趣的是,TLR8激動(dòng)劑(VTX-2337)未激活DRG中的NF-κB。在鞘內(nèi)注射VTX-2337后,p-ERK表達(dá)顯著增加,而不是p38和JNK。在野生型(WT)和MyD88-/-小鼠中鞘內(nèi)注射TLR8激動(dòng)劑劑量依賴性地誘導(dǎo)機(jī)械痛敏,表明TLR8激動(dòng)劑誘導(dǎo)的機(jī)械痛敏和ERK活化并不依賴于MyD88。
TLR8可識(shí)別單鏈RNA (ssRNA)和microRNA,并導(dǎo)致免疫細(xì)胞中促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生。Zhang等發(fā)現(xiàn),miR-21的表達(dá)在神經(jīng)病理性疼痛的條件下顯著增加[47]。鞘內(nèi)注射miR-21 可降低WT小鼠(而不是Tlr8-/-小鼠)的縮足閾值以及p-ERK 表達(dá)的增加,誘導(dǎo)DRG中TNF-α、IL-1β、IL-6、CCL2和CXCL1的表達(dá)增加。miR-21顯著增加WT小鼠的DRG神經(jīng)元中的動(dòng)作電位的發(fā)放,但不增加Tlr8-/-小鼠的動(dòng)作電位的發(fā)放。因此,miR-21在DRG中調(diào)節(jié)疼痛、激活ERK、產(chǎn)生炎癥介質(zhì)和增強(qiáng)神經(jīng)元興奮性的作用需要TLR8的介導(dǎo)(見圖2)。
TLR9定位于內(nèi)體中被DNA與未甲基化的CpG二核苷酸激活,并啟動(dòng)MyD88依賴性信號(hào)傳導(dǎo)以激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB,從而產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子和激活I(lǐng)RF7以產(chǎn)生IFNs。通過全身應(yīng)用CpG ODN 2088阻斷TLR9信號(hào)傳導(dǎo)減少炎癥信號(hào)傳導(dǎo)并改善腫瘤誘導(dǎo)的熱痛敏[44]和脊髓損傷誘導(dǎo)的熱痛敏反應(yīng)[48]。并且,TLR9拮抗劑或TLR9基因缺陷小鼠中,紫杉醇誘發(fā)的機(jī)械痛敏減弱[49]。紫杉醇導(dǎo)致巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)到背根神經(jīng)節(jié)(DRG),并且這種浸潤(rùn)不受TLR9基因缺陷的影響。紫杉醇處理巨噬細(xì)胞和DRG組織使TNF和CXCL1的表達(dá)上調(diào)。足底內(nèi)注射紫杉醇激活的巨噬細(xì)胞引起機(jī)械痛敏。有趣的是,TLR9突變或用TLR9抑制劑僅在雄性動(dòng)物中發(fā)揮作用。最終,TLR9的拮抗劑減少了雌性裸鼠(具有T細(xì)胞和B細(xì)胞缺陷的表型)中紫杉醇誘導(dǎo)的機(jī)械性痛覺過敏??傊?,小鼠巨噬細(xì)胞中TLR9信號(hào)傳導(dǎo)在化療藥物誘導(dǎo)的神經(jīng)性疼痛的發(fā)病中,具有明顯的性別差異[49]。但是,在慢性疼痛下,哪種內(nèi)源性配體激活TLR9途徑參與疼痛,仍不清楚。
新的證據(jù)表明,TLR的輔助蛋白和轉(zhuǎn)接分子也參與慢性疼痛的發(fā)病過程。輔助蛋白CD14顯著增強(qiáng)TLR4對(duì)LPS的識(shí)別,并促進(jìn)TLR2-TLR6異二聚體的免疫應(yīng)答。與野生型小鼠相比,CD14基因缺陷小鼠的神經(jīng)損傷誘導(dǎo)的機(jī)械痛敏和熱痛敏的反應(yīng)顯著降低。在CD14基因缺陷小鼠中,在中樞施用TLR4激動(dòng)劑纖連蛋白、CNS創(chuàng)傷和缺血性中風(fēng)后,小膠質(zhì)細(xì)胞激活和單核細(xì)胞的募集有所減弱[21]。因此,CD14介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)可能參與TLRs對(duì)DAMP的識(shí)別以及組織損傷誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。
轉(zhuǎn)接分子MyD88是幾乎所有TLR介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)所必需的(除TLR3外),也參與慢性疼痛的發(fā)病機(jī)制。外周神經(jīng)損傷誘導(dǎo)傷害性途徑中的MyD88表達(dá),包括DRG和脊髓中磷酸化的NFκB,磷酸化的細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)和IL-1水平升高[50]。鞘內(nèi)注射MyD88同源二聚化抑制肽能夠減弱機(jī)械痛敏和熱痛敏。盡管在表達(dá)Nav1.8的初級(jí)感覺神經(jīng)元中條件性敲除Myd88的小鼠中,基礎(chǔ)痛閾和急性炎性疼痛未受影響,但在這些小鼠的慢性神經(jīng)病和炎性疼痛顯著減弱[50]。
雖然其他TLRs在慢性疼痛中的作用仍然未知,但我們推測(cè),在多種病理?xiàng)l件下,不同的TLR的激活可能導(dǎo)致不同的持續(xù)性疼痛狀態(tài)??傊?,越來越多的證據(jù)表明,神經(jīng)元和非神經(jīng)細(xì)胞中的TLRs及其相關(guān)的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)參與慢性疼痛的發(fā)生發(fā)展。靶向TLR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路有可能成為緩解慢性疼痛的新策略。
新的研究表明,TLRs對(duì)于瘙癢的發(fā)生發(fā)展也是至關(guān)重要的。TLRs激活產(chǎn)生疼痛或瘙癢,可能取決于入侵的外源性PAMPs和內(nèi)源性DAMPs的性質(zhì)。
研究發(fā)現(xiàn),TLR3可能是介導(dǎo)小鼠慢性瘙癢的突觸傳遞和中樞敏化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[51]。TLR3表達(dá)在TRPV1+以及GRP+的DRG的小直徑初級(jí)感覺神經(jīng)元中,而且還被轉(zhuǎn)運(yùn)至投射到脊髓背角的中樞軸突末端。TLR3激動(dòng)劑可以誘導(dǎo)DRG神經(jīng)元產(chǎn)生內(nèi)向電流和動(dòng)作電位。TLR3激動(dòng)劑在WT小鼠中引發(fā)抓撓,但不引起TLR3基因敲除小鼠的抓撓行為。此外,脊髓背角II層神經(jīng)元的興奮性突觸傳遞和脊髓的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)現(xiàn)象在TLR3基因敲除小鼠中受損[51]。此外,在TLR3基因敲除小鼠中,組胺依賴性和非依賴性急性瘙癢和皮膚干燥誘發(fā)的慢性瘙癢顯著降低。因此,TLR3可通過增加外周初級(jí)感覺神經(jīng)元的興奮性和增強(qiáng)脊髓中的脊髓突觸傳遞來調(diào)節(jié)瘙癢的中樞敏化過程。但參與瘙癢的TLR3的內(nèi)源性配體尚不清楚。
越來越多的證據(jù)表明,神經(jīng)元和非神經(jīng)元中TLR4對(duì)急性和慢性瘙癢也有重要作用。盡管TLR4表達(dá)在TRPV1+的DRG感覺神經(jīng)元上,但DRG神經(jīng)元中LPS對(duì)TLR4的激活不會(huì)引發(fā)內(nèi)向電流和動(dòng)作電位[52]。皮內(nèi)注射TLR4激動(dòng)劑LPS也不能誘導(dǎo)小鼠的急性瘙癢。在TLR4基因敲除小鼠中,組胺誘導(dǎo)的急性瘙癢減少,并且組胺誘導(dǎo)的感覺神經(jīng)元中的細(xì)胞內(nèi)鈣信號(hào)和內(nèi)向電流在TLR4基因缺陷的小鼠也顯著減少[53]。在TLR4基因缺陷的DRG神經(jīng)元中,組胺的敏感性降低可能是由于TRPV1活性降低所致[53]。因此,初級(jí)感覺神經(jīng)元表達(dá)的TLR4通過增強(qiáng)TRPV1活性可增強(qiáng)組胺誘導(dǎo)的瘙癢信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),但它不足以誘導(dǎo)急性瘙癢。
近來的研究發(fā)現(xiàn),由星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的TLR4被認(rèn)為在慢性瘙癢中起關(guān)鍵作用,但不參與急性瘙癢[52]。干皮病、接觸性皮炎和過敏性接觸性皮炎相關(guān)的慢性瘙癢,在TLR4基因敲除小鼠顯著減少[52]。鞘內(nèi)注射TLR4拮抗劑LPS-RS不影響急性瘙癢,但抑制干皮病誘導(dǎo)的慢性瘙癢。干皮病能使TLR4的表達(dá)持續(xù)上調(diào),并且能誘導(dǎo)脊髓背角中表達(dá)GFAP的星形膠質(zhì)細(xì)胞中TLR4的表達(dá)增加。有趣的是,慢性瘙癢引起的抓撓在脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞增生中起著重要作用[52]。另一項(xiàng)研究表明,由信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3 (STAT3)信號(hào)傳導(dǎo)可以介導(dǎo)慢性瘙癢誘導(dǎo)的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖[54,55]。Lipocalin-2 (LCN2)同時(shí)被鑒定為星形膠質(zhì)細(xì)胞STAT3依賴性的免疫因子,對(duì)慢性瘙癢的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要[55]。這些發(fā)現(xiàn)表明,由TLR4和STAT3信號(hào)傳導(dǎo)介導(dǎo)的脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活,對(duì)于慢性瘙癢的發(fā)展起關(guān)鍵作用。
最近的研究表明,抗菌肽人源β-防御素2 (hBD2)在銀屑病病人中的表達(dá)大幅增加[56]。在小鼠中,hBD2誘導(dǎo)了瘙癢反應(yīng),并且與野生型小鼠相比,hBD2在TLR4敲除小鼠中誘導(dǎo)的瘙癢顯著減少[56]。此外,皮膚的免疫細(xì)胞(而非DRG神經(jīng)元表達(dá)的)TLR4介導(dǎo)小鼠中hBD2誘導(dǎo)的瘙癢[56]。因此,該結(jié)果表明,皮膚細(xì)胞表達(dá)的TLR4(可能是巨噬細(xì)胞),可能在慢性瘙癢中起關(guān)鍵作用。
TLR7被證明由DRG初級(jí)感覺神經(jīng)元表達(dá),其與TRPV1、胃泌素釋放肽(gastrin releasing peptide, GRP)、TRPA1和 MrgprA3共表達(dá)[45]。皮內(nèi)注射TLR7的配體咪喹莫特或洛索立賓,劑量依賴性誘導(dǎo)小鼠抓撓行為。在急性分離的小鼠DRG神經(jīng)元中,TLR7配體咪喹莫特和洛索立賓引發(fā)快速內(nèi)向電流和動(dòng)作電位,表明TLR7配體可直接激活DRG神經(jīng)元。與野生型小鼠相比,TLR7基因敲除小鼠表現(xiàn)出正常的熱和機(jī)械疼痛,并且炎癥和神經(jīng)性疼痛的行為也未改變[45]。值得注意的是,TLR7基因敲除小鼠顯示出對(duì)組胺非依賴性瘙癢的顯著減少,包括氯喹、內(nèi)皮素-1和SLIGRL-NH2等。因此,TLR7對(duì)于組胺依賴性瘙癢是必需的,但對(duì)于急性疼痛的發(fā)生可能并不必要。
值得注意的是,動(dòng)物行為、膜片鉗記錄和鈣成像的研究揭示了令人驚訝的結(jié)果,咪喹莫特誘導(dǎo)的DRG神經(jīng)元的活化與TLR7無關(guān)[57]。最近的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),咪喹莫特是一種直接的但較弱的TRPA1激動(dòng)劑,可激活一部分表達(dá)TRPA1的神經(jīng)元,TRPA1是咪喹莫特誘導(dǎo)的DRG神經(jīng)元激活所必需的,也是咪喹莫特誘導(dǎo)瘙癢行為的原因[58],這些數(shù)據(jù)表明,初級(jí)感覺神經(jīng)元表達(dá)的TLR7可能并不是咪喹莫特誘導(dǎo)的小鼠瘙癢所必需的。最近發(fā)現(xiàn),分泌的細(xì)胞外miRNA (let-7b)作為一種新的疼痛介質(zhì),可通過激活傷害感受神經(jīng)元中的TLR7和TRPA1起作用[46]。鑒于疼痛刺激可以在慢性瘙癢條件下轉(zhuǎn)變?yōu)轲W,miRNA let-7b也可能作為TLR7的新型內(nèi)源性配體參與慢性瘙癢??傊?,病理?xiàng)l件下釋放的內(nèi)源性配體可能通過激活神經(jīng)元或非神經(jīng)元TLR7受體,進(jìn)而參與瘙癢信號(hào)的產(chǎn)生。
盡管大量的結(jié)果表明,神經(jīng)元和非神經(jīng)元中TLRs介導(dǎo)疼痛和瘙癢信號(hào)的產(chǎn)生,提示TLRs可能代表一種緩解慢性疼痛和慢性瘙癢的新型治療靶點(diǎn)。但是,我們?nèi)孕枰紤]以下幾個(gè)關(guān)鍵問題。首先,大多數(shù)研究使用的是全身性TLRs基因敲除的動(dòng)物,導(dǎo)致TLRs在所有細(xì)胞類型中缺乏,因此很難將行為學(xué)表型歸因于特定細(xì)胞類型,例如免疫細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)或神經(jīng)元。不同類型的細(xì)胞中TLRs在疼痛和瘙癢中的確切作用,需要應(yīng)用條件性TLR基因敲除動(dòng)物。其次,相同的TLR在不同類型的細(xì)胞上具有不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。例如,神經(jīng)元TLRs的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與非神經(jīng)元TLR的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)就明顯不同。再次,鑒于TLRs廣泛表達(dá)并且具有正常生理功能,包括啟動(dòng)先天免疫應(yīng)答發(fā)應(yīng),故TLRs拮抗劑可能會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)。選擇性靶向TLRs可能比廣泛抑制更具有優(yōu)勢(shì),以避免一些潛在的不良反應(yīng)。最后,在組織或神經(jīng)損傷或皮膚損傷后釋放的TLRs的內(nèi)源性配體是什么?這些內(nèi)源性TLR配體在不同的病理性疼痛和瘙癢癥狀下,作用于神經(jīng)元或非神經(jīng)元細(xì)胞的具體機(jī)制是什么?TLRs識(shí)別內(nèi)源性配體的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的闡明,最終可通過改進(jìn)的藥物設(shè)計(jì)產(chǎn)生更好的藥物治療效果。
包括炎性疼痛和神經(jīng)性疼痛在內(nèi)的各種慢性疼痛,影響全世界大約15億人。慢性瘙癢也是與皮膚病、全身性疾病和代謝紊亂相關(guān)的常見臨床問題。慢性疼痛和瘙癢大大降低了人們的生活質(zhì)量,而臨床的治療效果不盡如人意。本文中綜述了Toll樣受體介導(dǎo)疼痛和瘙癢信號(hào)的分子機(jī)制。闡明TLRs介導(dǎo)疼痛和瘙癢信號(hào)的分子機(jī)制,將為治療疼痛和瘙癢提供潛在的治療新靶點(diǎn)。