（ 華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，武漢430030； 華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院，武漢4300）

張 可1李元亨1王隨曦1李 熳1向宏春2△

病理性疼痛嚴(yán)重影響病人的生活質(zhì)量，同時(shí)可伴發(fā)功能喪失、焦慮、抑郁、睡眠障礙和認(rèn)知障礙等，目前的臨床藥物只對(duì)不到50%的疼痛病人有顯著改善作用[1]，因此探索不同作用機(jī)制和不同藥理學(xué)作用的其他治療方案仍然是疼痛研究的重要方向。免疫系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)、血管調(diào)節(jié)、中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)組織損傷、病原體和刺激物的各種生物反應(yīng)及其復(fù)雜的相互作用介導(dǎo)了疼痛的發(fā)生，在炎癥過程中炎癥介質(zhì)直接激活痛覺感受器引起疼痛[2]。另外，鈣離子可調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、動(dòng)作電位的傳遞從而參與疼痛病理生理學(xué)過程，而線粒體是鈣離子緩沖的重要細(xì)胞器，因此線粒體功能狀態(tài)也顯著影響痛覺感受器的興奮性從而參與疼痛發(fā)生[3]。

腺苷酸活化蛋白激酶 (adenosine monophosphateactivated protein kinase, AMPK) 是一種在結(jié)構(gòu)和功能上高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。AMPK作為能量代謝的主要調(diào)節(jié)因子，可以促進(jìn)葡萄糖和脂類的分解產(chǎn)能，同時(shí)抑制大分子合成等能量消耗活動(dòng)，參與到神經(jīng)-體液-免疫網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)過程中。近年來，許多研究表明AMPK 可能是鎮(zhèn)痛的重要靶點(diǎn)，主要通過抑制炎癥介質(zhì)表達(dá)，調(diào)節(jié)初級(jí)傳入神經(jīng)元離子通道的興奮性，調(diào)控脊髓膠質(zhì)細(xì)胞的活性等發(fā)揮作用[4,5]。本文根據(jù)現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，梳理了AMPK 調(diào)控炎癥反應(yīng)和線粒體功能參與改善病理性疼痛的機(jī)制，為疼痛的研究和臨床治療提供思路。

一、AMPK 的結(jié)構(gòu)與功能

AMPK 是由三個(gè)亞基即α 催化亞基和β、γ 調(diào)節(jié)亞基組成的異三聚體蛋白。α 亞基的N 端構(gòu)成激酶結(jié)構(gòu)域，C 端同β 和γ 亞基結(jié)合并包含了一些重要的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域，包括自抑制結(jié)構(gòu)域 (auto-inhibitory domain)、α 連接子(α-linker) 和一個(gè)富含絲氨酸/蘇氨酸的結(jié)構(gòu)域，稱為“ST 環(huán)”(ST-loop)。AMPK 的完全激活依賴于激酶結(jié)構(gòu)域通過磷酸化激活ST 環(huán)中的保守蘇氨酸 (Thr172)。β 亞基包含兩個(gè)保守的結(jié)構(gòu)域：一個(gè)碳糖結(jié)合域 (carbohydrate-binding module) 用于檢測(cè)糖原 (Glycogen)，一個(gè)C 端結(jié)構(gòu)域用于結(jié)合α 和γ 亞基。γ 亞基由兩個(gè)Bateman 結(jié)構(gòu)域組成，可使AMPK 精確感知細(xì)胞能量狀態(tài)[6,7]。有三種AMPK 激酶可促進(jìn)Thr172 磷酸化：上游的腫瘤抑制因子LKB1 (liver kinase B1)、CaMKKβ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase β)和激酶TAK1 (transforming growth factor-β-activated kinase 1)[8]。

AMPK 可通過抑制mTOR (mechanistic target of rapamycin) 通路減少蛋白質(zhì)合成、促進(jìn)凋亡和自噬。TOR 通過與mTOR 復(fù)合物1 (mTOR complex 1, mTORC1)和mTOR 復(fù)合物2 (mTOR complex 2, mTORC2) 作用，催化多個(gè)靶標(biāo)的磷酸化[9]。AMPK 激活還可抑制eEF2K (eukaryotic elongation factor 2 kinase) 來限制蛋白延伸，許多被AMPK 調(diào)控的eEF2K 下游靶點(diǎn)也可被mTORC1 直接磷酸化，以拮抗AMPK 對(duì)eEF2K 磷 酸 化 調(diào) 節(jié)，AMPK 和mTOR 通 過 這 種方式來控制細(xì)胞的合成代謝和分解代謝[10～13]。此外，AMPK 磷酸化可抑制RNA 聚合酶轉(zhuǎn)錄因子IA(transcription initiation factor IA, TIF-IA)阻斷核糖體RNA 的合成，從而限制蛋白質(zhì)的合成[14]。

二、AMPK 調(diào)控疼痛的作用及機(jī)制

1. AMPK 與炎癥介質(zhì)

促炎性細(xì)胞因子如白介素-6 (interleukin-6, IL-6)和腫瘤壞死因子-α (tumor necrosis factor-α, TNF-α)等激活I(lǐng)κβ 激酶使IκBα 磷酸化，啟動(dòng)蛋白酶體IκB的降解，介導(dǎo)核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB (nuclear factor κB)進(jìn)入細(xì)胞核，促進(jìn)炎癥靶基因表達(dá)，最終加劇炎癥反應(yīng)；激活A(yù)MPK 對(duì)NF-κB 信號(hào)通路具有抑制作用，AMPK 主要通過多種下游途徑如SIRT1 (sirtuin 1)、FOXO (forkhead box O)和PGC1α (proliferator-activated receptor gamma coactivator 1α) 等 間 接 抑 制NF-κB的活化，從而抑制炎癥因子的表達(dá)[15,16]。SIRT1 與AMPK 之間的相互作用可調(diào)節(jié)氧化代謝和炎癥，SIRT1 促進(jìn)LKB1 的去乙?；瘡亩|發(fā)AMPK 活化，反過來AMPK 增加細(xì)胞NAD+(nicotinamide adenine dinucleotide)水平，誘導(dǎo)SIRT1 激活促進(jìn)p65 的去乙?；?，直接抑制NF-κB 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[17～19]。AMPK/p53/NF-κB 和AMPK/FOXO/NF-κB 信號(hào)通路都參與抗炎作用，AMPK 可通過直接磷酸化激活p-53 和FOXO 等轉(zhuǎn)錄因子，抑制NF-κB 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)從而減輕炎癥反應(yīng)[20,21]。

有研究表明激活A(yù)MPK 對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥有明顯的改善作用。AMPK 激活可抑制STAT1 的表達(dá)，從而阻斷γ-干擾素 (interferon-γ, IFN-γ) 誘導(dǎo)原代星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的CCR2 (C-C chemokine receptor type 2)、TNF-α、CXCL10 (C-X-C motif chemokine ligand 10) 和iNOS (inducible nitric oxide synthase) 基因表達(dá)，表明AMPK 可通過抑制STAT1 信號(hào)緩解中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥[22]。在小鼠腦出血模型中，RO27-3225 通過激活黑素皮質(zhì)素受體4 (melanocortin receptor 4)促進(jìn)AMPK 磷酸化，從而抑制JNK/p38 MAPK (c-Jun N-terminal kinase/p38 mitogen-activated protein kinase) 通路，使得活化小膠質(zhì)細(xì)胞炎癥因子TNF-α 和IL-1β 等表達(dá)減少，最終改善腦水腫和行為功能[23]。小鼠創(chuàng)傷性腦損傷模型中，褪黑素可激活A(yù)MPK，抑制磷酸環(huán)磷腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(phospho-cAMP-response elementbinding, p-CREB)信號(hào)通路，減輕神經(jīng)炎癥和神經(jīng)退行性變[24]。在另一條通路中，磷酸二酯酶是環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)特異性水解酶，cAMP 依賴途徑激活A(yù)MPK 從而激活SIRT1 參與抗炎，因此磷酸二酯酶抑制劑可以有效改善腦水腫[25]。在脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)誘導(dǎo)BV2 小膠質(zhì)細(xì)胞激活的炎癥模型中，長(zhǎng)春新堿可增強(qiáng)AMPK 磷酸化從而抑制小膠質(zhì)細(xì)胞釋放炎癥因子并改善炎癥[26]。這些研究表明，AMPK 活化可能通過減輕中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用。

2. AMPK 與線粒體

線粒體參與了包括細(xì)胞能量、代謝、死亡和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在內(nèi)的多種生物學(xué)過程[27]，許多研究表明AMPK 對(duì)線粒體的形態(tài)、數(shù)目和功能有廣泛的調(diào)節(jié)作用，如運(yùn)動(dòng)可誘導(dǎo)肌細(xì)胞內(nèi)線粒體增殖[28]，但在肌肉中特異性敲除AMPK 上游激酶LKB1 的小鼠，運(yùn)動(dòng)不會(huì)誘導(dǎo)線粒體增殖，且在肌肉特異性敲除AMPKα 亞基會(huì)導(dǎo)致線粒體生物發(fā)生減少和功能缺陷[29]。在IFN-γ/TNF-α 誘導(dǎo)的炎癥性肌肉萎縮綜合征模型中，IFN-γ/TNF-α 損害肌管內(nèi)線粒體氧化呼吸，使代謝轉(zhuǎn)為有氧糖酵解，AMPK 的激動(dòng)劑5-氨基咪唑 4-氨甲酰核糖核苷 (5-aminoimidazole-4-carboxyamide ribonucleoside, AICAR) 可改善線粒體功能，部分地恢復(fù)其代謝功能[30]。

線粒體裂變因子(mitochondrial fission factor, MFF)是線粒體外膜上類動(dòng)力蛋白(dynamin-like protein,DRP1)的主要受體，是線粒體裂變途徑的核心組分，在線粒體斷裂過程中介導(dǎo)線粒體的收縮[31,32]。AMPK 通過磷酸化MFF 來促進(jìn)DRP1 在線粒體膜的增加，介導(dǎo)能量應(yīng)激發(fā)生后對(duì)線粒體網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控[33]。在LPS 刺激的巨噬細(xì)胞中，麥盧卡蜂蜜 (Manuka honey) 通過激活A(yù)MPK、SIRT1 和PGC1α 等信號(hào)分子，發(fā)揮改善線粒體呼吸，提升糖酵解活性，增強(qiáng)能量代謝的作用[34]。同時(shí)，LPS 誘導(dǎo)的促炎型巨噬細(xì)胞中，草莓提取物(strawberry extract)處理可通過激活A(yù)MPK 來抑制NF-κB 從而減少炎癥因子的表達(dá)，同時(shí)通過降低ROS 水平來顯著減輕氧化應(yīng)激，改善線粒體功能[35]。在肌筋膜疼痛綜合征大鼠模型中，與對(duì)照組相比，模型大鼠腓腸肌中線粒體增殖、氧化磷酸化和能量生產(chǎn)顯著下降，同時(shí)AMPK 磷酸化水平顯著降低[36]。這些研究表明AMPK 可通過調(diào)控線粒體形態(tài)、數(shù)目以及功能、降低ROS 水平從而減輕炎癥來改善疼痛。

3. AMPK 在疼痛模型中的作用

傷害性感受器通常是電靜默的，生理狀態(tài)下只有充分的傷害性刺激才能刺激產(chǎn)生并傳輸全部動(dòng)作電位[37]。外周組織或外周神經(jīng)的損傷誘導(dǎo)多種炎癥因子可介導(dǎo)傷害性感受器的快速敏感[38,39]。興奮性的即時(shí)變化通常是由于G 蛋白偶聯(lián)受體α 亞基介導(dǎo)的短期信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)或酪氨酸激酶受體下游激酶的激活，長(zhǎng)時(shí)間的刺激會(huì)導(dǎo)致傷害性感受器功能或表型的變化，從而使疼痛敏感性發(fā)生半永久性改變，形成病理性疼痛[38,40]。創(chuàng)傷、代謝性疾病和化療藥物等都能通過誘導(dǎo)外周神經(jīng)系統(tǒng)損傷引起神經(jīng)病理性疼痛。如細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β 和IL-6 是介導(dǎo)炎癥細(xì)胞募集和激活的重要分子，可導(dǎo)致炎癥反應(yīng)中局部組織損傷同時(shí)誘發(fā)疼痛[41]。目前，已知多種AMPK 激動(dòng)劑可通過抑制炎癥因子、離子通道等改善傷害性感受器的痛敏感性，從而發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用（見表1）。

表1 激活A(yù)MPK 的激動(dòng)劑及其在疼痛模型中的應(yīng)用

在角叉菜膠誘導(dǎo)的大鼠顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎模型中，炎癥局部產(chǎn)生大量的IL-β 和iNOS，介導(dǎo)炎癥和疼痛的發(fā)生，激活A(yù)MPK 可恢復(fù)關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，并減輕炎癥性疼痛[42]。在福爾馬林皮下誘導(dǎo)的炎性痛小鼠模型中，通過激活內(nèi)源性大麻素受體可活化AMPK 從而介導(dǎo)鎮(zhèn)痛效應(yīng)，給予AMPK 的激動(dòng)劑AICAR 可增強(qiáng)這種鎮(zhèn)痛效應(yīng)[43]。在坐骨神經(jīng)慢性壓迫 (chronic constriction injury, CCI) 大鼠疼痛模型中，槲皮素可以通過激活A(yù)MPK 來抑制與疼痛密切相關(guān)的各種離子通道（如Kv4.2、Cav2.2 和Nav1.7），從而發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用[44]。在糖尿病誘導(dǎo)的神經(jīng)病理性疼痛大鼠模型，二甲雙胍可通過激活腰段背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglion, DRG)的AMPK來抑制NF-κB 活化，從而顯著改善大鼠的痛行為[45]。在眼眶下神經(jīng)慢性壓迫損傷誘導(dǎo)的三叉神經(jīng)痛模型中，激活A(yù)MPK 可抑制三叉神經(jīng)脊束核降鈣素基因相關(guān)肽 (calcitonin gene-related peptide, CGRP)、一種傷害性感受C 纖維的主要神經(jīng)遞質(zhì)和炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)，同時(shí)抑制膠質(zhì)細(xì)胞活化，從而緩解三叉神經(jīng)痛[46]。

在CCI 誘導(dǎo)的神經(jīng)病理痛模型中，肉桂酸甲酯(methyl cinnamate) 通過激活A(yù)MPK 抑制脊髓AMPA(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole- propionicacid receptor) 受體的表達(dá)從而緩解疼痛，而這一鎮(zhèn)痛作用可被AMPK 的拮抗劑Compound C 逆轉(zhuǎn)[47]。在大鼠骨癌痛模型中（腫瘤細(xì)胞植入），白藜蘆醇可激活脊髓的AMPK 來抑制大鼠脊髓小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化及其炎癥因子的產(chǎn)生，從而發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用[48]。

奧沙利鉑與細(xì)胞核和線粒體DNA（分別為nDNA和mtDNA）結(jié)合形成鉑DNA (platinum-DNA) 復(fù)合物，鉑DNA 損傷神經(jīng)元中的DNA 并使自由基蓄積，進(jìn)而誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡[49,50]，同時(shí)奧沙利鉑還可激活脊髓內(nèi)膠質(zhì)細(xì)胞活化，上調(diào)促炎細(xì)胞因子表達(dá)，增強(qiáng)脊髓背角神經(jīng)元的自發(fā)興奮性突觸后電流，介導(dǎo)神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生[51]。在纖維肌痛病人的成纖維細(xì)胞中，AMPK 磷酸化水平低，且與線粒體生物生成降低、耗氧量降低、抗氧化酶表達(dá)水平降低和線粒體功能障礙相關(guān)，二甲雙胍處理可激活A(yù)MPK，從而改善成纖維細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)和線粒體代謝[52]。Wang 等[53]采用骨關(guān)節(jié)炎大鼠模型，葛根素通過激活軟骨組織中AMPK 來增加線粒體發(fā)生、逆轉(zhuǎn)線粒體功能障礙和保持關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的完整性，最終發(fā)揮保護(hù)骨關(guān)節(jié)和改善疼痛的作用。這些研究表明激活A(yù)MPK 對(duì)病理性疼痛和炎癥性疼痛有改善作用，且激活A(yù)MPK 通過抑制炎癥因子對(duì)改善疼痛可能有廣泛的適用性。

三、小結(jié)

本文主要從AMPK 調(diào)控炎癥介質(zhì)和線粒體角度，闡述了AMPK 調(diào)控疼痛的作用機(jī)制，以及AMPK 上游分子及其調(diào)控下游信號(hào)通路參與病理性疼痛的病理生理過程（見圖1）。AMPK 激活后能通過改善線粒體功能，從而緩解炎癥反應(yīng)及其誘導(dǎo)的疼痛；同時(shí)，AMPK 活化又能通過多種下游信號(hào)來抑制NF-κB 等信號(hào)通路，下調(diào)炎癥介質(zhì)表達(dá)，從而改善病理性疼痛。另外，AMPK 激活還可抑制外周感覺神經(jīng)的離子通道、神經(jīng)肽等從而發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用。AMPK 調(diào)控疼痛的途徑在多種疼痛模型中均得到了證實(shí)，包括AMPK 活化對(duì)炎癥性疼痛和神經(jīng)病理性疼痛的改善作用，說明激活A(yù)MPK 對(duì)改善疼痛可能有廣泛的適用性。AMPK 被認(rèn)為是鎮(zhèn)痛極具潛力的作用靶點(diǎn)，仍需進(jìn)一步的研究來明確。最后，AMPK 的激動(dòng)劑主要用于鎮(zhèn)痛機(jī)制的基礎(chǔ)研究，離臨床應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的距離，特別是在臨床研究階段需要評(píng)估AMPK 激動(dòng)劑治療病理性疼痛的療效和安全性。

圖1 激活A(yù)MPK 緩解疼痛的信號(hào)通路示意圖

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。