李冬錦,鐘振娟,于耀清(西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,陜西 西安 70069;空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院疼痛生物醫(yī)學(xué)研究所,陜西 西安 70038)
趨化因子是分子量為8 000~12 000的小分泌肽,包括CXC、CC、XC、CX3C四個(gè)亞家族,對(duì)應(yīng)的受體分別為CXCR、CCR、XCR、CX3CR,受體均屬于G蛋白偶聯(lián)受體超家族。本文介紹了趨化因子及其受體的最新分類、結(jié)構(gòu)特征和主要細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路,總結(jié)了其中一個(gè)受體亞家族成員CXCR在外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的表達(dá)和功能,這些分子廣泛參與組織炎癥、損傷修復(fù),而且在軀體感覺(jué)、癲癇、多發(fā)性硬化癥等疾病中發(fā)揮重要作用,因此,趨化因子及其受體作用機(jī)制的解析將為藥物研發(fā)靶點(diǎn)和治療策略提供參考和依據(jù)。
趨化因子成員超過(guò)40種,早期是以生物學(xué)功能命名,一定程度上造成了命名多樣性。2000年后,國(guó)際藥理學(xué)聯(lián)合會(huì)對(duì)趨化因子進(jìn)行了系統(tǒng)性歸類,根據(jù)半胱氨酸的數(shù)量和間距分為CXC、CC、XC、CX3C四個(gè)亞家族。CXC亞型的前兩個(gè)半胱氨酸之間有一個(gè)氨基酸;CC亞型的前兩個(gè)半胱氨酸是相鄰的;XC亞型少第一個(gè)和第三個(gè)半胱氨酸;CX3C亞型的兩個(gè)半胱氨酸之間有三個(gè)氨基酸。上述趨化因子相應(yīng)的受體為CXCR、CCR、XCR、CX3CR亞家族,分別包括7個(gè)CXCR成員(CXCR1~CXCR7),10個(gè)CCR成員(CCR1~CCR10),XCR1和CX3CR1。此外,還存在4種非典型的趨化因子受體(ACKR1~ACKR4)[1-2]。
趨化因子含有70~125個(gè)氨基酸,富含堿性氨基酸殘基,具有四個(gè)保守的半胱氨酸,單體相結(jié)合形成低聚物(主要是二聚體)。在同一趨化因子亞家族中,各成員具有相同的二聚體結(jié)構(gòu)。CXCL8/IL-8是第一個(gè)被確定三級(jí)結(jié)構(gòu)的趨化因子,隨后陸續(xù)明確其他趨化因子三級(jí)結(jié)構(gòu)基本特征,主要包括:無(wú)序的N端結(jié)構(gòu)域連接一個(gè)由“N環(huán)”、三股β片層和C端螺旋組成的結(jié)構(gòu)化“核心域”。趨化因子受體屬于G蛋白偶聯(lián)受體超家族,含有七跨膜螺旋結(jié)構(gòu)域、細(xì)胞外N端、三個(gè)細(xì)胞外環(huán)、三個(gè)細(xì)胞內(nèi)環(huán)和C端。趨化因子通過(guò)兩步結(jié)合機(jī)制與受體作用:趨化因子C端結(jié)合受體N端及細(xì)胞外環(huán);N端靶向趨化因子識(shí)別位點(diǎn)2并將受體穩(wěn)定在活性構(gòu)象中,最終通過(guò)G蛋白實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)[3]。
趨化因子與受體相互作用受到細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路調(diào)節(jié)。在腫瘤和炎癥過(guò)程中,CXCL8激活CXCR1/2受體后,可以通過(guò)絲裂原激活蛋白激酶ERK、JNK激活轉(zhuǎn)錄因子AP-1促進(jìn)CXCL8表達(dá);也可以通過(guò)PI3K-AKT信號(hào)通路激活I(lǐng)KK、NF-kB增加CXCL8表達(dá);還可以通過(guò)p38 MAPK穩(wěn)定CXCL8 mRNA間接增加CXCL8水平[2]。與此相似,CXCL12、CXCL13能分別作用于CXCR4、CXCR5,進(jìn)而通過(guò)NF-κB通路促進(jìn)趨化因子表達(dá)。在痛覺(jué)傳遞過(guò)程中,CXCL1激活神經(jīng)元CXCR2后通過(guò)NF-κB、MAPK通路引起鈉鉀離子通道和NMDA受體表達(dá)變化,同時(shí)增加CXCR2表達(dá),引起正反饋效應(yīng)[4]。其他類型趨化因子和受體(如CX3CL1/CX3CR1)也能作用于NF-κB信號(hào)通路,產(chǎn)生正反饋?zhàn)饔茫瑓⑴c神經(jīng)系統(tǒng)老化過(guò)程。這些結(jié)果充分說(shuō)明,NF-κB信號(hào)通路在調(diào)節(jié)趨化因子與受體相互作用中的重要意義。
趨化因子在背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglion,DRG)、脊髓和大腦中廣泛表達(dá),趨化因子受體主要由神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生。神經(jīng)系統(tǒng)炎癥可以促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)趨化因子和受體。損傷或疾病引起的趨化因子及受體表達(dá)異常參與癲癇、多發(fā)性硬化癥、腦損傷修復(fù)等過(guò)程。此外,趨化因子可以通過(guò)受體作用直接激活初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元和免疫細(xì)胞,誘導(dǎo)炎癥介質(zhì)釋放,從而參與瘙癢和疼痛調(diào)節(jié)。本文總結(jié)了趨化因子受體亞型CXCR1~CXCR7在外周神經(jīng)系統(tǒng)[DRG、三叉神經(jīng)節(jié)(trigeminal ganglion,TG)]和中樞神經(jīng)系統(tǒng)(大腦皮層、海馬等)的表達(dá)和功能。
CXCR1在周圍神經(jīng)系統(tǒng)DRG和TG中的表達(dá)和功能未見(jiàn)明確報(bào)道,在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中有廣泛研究。在大鼠脊髓損傷模型中,CXCR1和CXCR2拮抗劑Reparixin可減小病變面積,增加神經(jīng)元數(shù)量。抑制CXCR1和CXCR2可以減輕急性炎癥,緩解脊髓損傷后的神經(jīng)功能障礙[5]。甲基苯丙胺處理可以增加小鼠大腦和神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞CXCR1的表達(dá),參與神經(jīng)元凋亡過(guò)程[6]。CXCR1和IL-8促進(jìn)小鼠神經(jīng)干細(xì)胞的趨化性,參與腦損傷修復(fù)。多發(fā)性硬化癥患者中CXCL8及其受體CXCR1和CXCR2基因表達(dá)下降,因此,CXCL8可能與多發(fā)性硬化癥有關(guān)[7]。少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞系CG-4表達(dá)CXCR1和CXCR2,對(duì)多發(fā)性硬化癥等疾病產(chǎn)生影響。CXCR1參與小鼠急、慢性癲癇,抑制劑Reparxin可用于癲癇治療[8]。此外,CXCR1在視網(wǎng)膜神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞中均有表達(dá)。目前已知的CXCR1拮抗劑包括Navarixin、Reparixin、SX-682、AZD5069等。
在外周神經(jīng)系統(tǒng)初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元中,CXCL1和CXCR2可以通過(guò)自分泌或旁分泌方式調(diào)節(jié)和維持炎癥性疼痛。外周神經(jīng)損傷或組織炎癥能引起脊髓CXCL1和CXCR2表達(dá)上調(diào)。報(bào)道顯示CXCL1和CXCR2分別在脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中表達(dá),其相互作用參與炎性痛和神經(jīng)病理性痛的發(fā)生[9]。進(jìn)一步研究表明CXCL1在脊髓背角的星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中表達(dá),而CXCR2在少突膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中表達(dá),并且通過(guò)PKC參與調(diào)節(jié)外周和中樞神經(jīng)元敏感化和神經(jīng)病理性痛[10],這些結(jié)果表明CXCR2可能成為新型鎮(zhèn)痛藥的靶點(diǎn)。
CXCR2在大腦不同區(qū)域的神經(jīng)元亞群高表達(dá),并且在淀粉樣蛋白沉積物斑塊的神經(jīng)炎癥組織區(qū)域表達(dá),與神經(jīng)元發(fā)育、變性壞死和退行性疾病有關(guān)。小鼠海馬齒狀回中的研究發(fā)現(xiàn)黃芪甲苷顯著上調(diào)CXCL1和CXCR2基因及蛋白的表達(dá),提示該信號(hào)通路可能是海馬神經(jīng)元發(fā)育成熟的原因[11]。然而,也有報(bào)道顯示CXCL1激活CXCR2可以引起原代培養(yǎng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元變性死亡。研究提出CXCR2具有雙重作用,參與創(chuàng)傷性腦損傷后傷害性敏化過(guò)程, CXCR2表達(dá)下調(diào)會(huì)使神經(jīng)元更容易受到損傷[12]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中,CXCR2主要由高增殖性腦室下區(qū)的少突膠質(zhì)祖細(xì)胞和活化的小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá),并且CXCR2對(duì)少突膠質(zhì)細(xì)胞的信號(hào)傳導(dǎo)產(chǎn)生影響,從而影響髓鞘再生過(guò)程[13]。有研究證實(shí),肌萎縮性側(cè)索硬化癥患者大腦皮層CXCR2顯著增加,主要局限于皮質(zhì)神經(jīng)元的細(xì)胞體和軸突[14]。上述結(jié)果表明CXCR2在神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮作用。目前已知的CXCR2拮抗劑包括SB225002、SB265610、AZD5069、Danirxin等。
趨化因子CXCL9、CXCL10和CXCL11屬于同一趨化因子亞家族,與CXCR3結(jié)合后發(fā)揮作用[15]。在炎癥或神經(jīng)病理性痛條件下,DRG神經(jīng)元中CXCL10/CXCR3信號(hào)表達(dá)上調(diào)并參與慢性疼痛的維持過(guò)程。坐骨神經(jīng)結(jié)扎可以提高CXCL9、CXCL10和CXCL11的基因表達(dá)水平,增加DRG神經(jīng)元中CXCR3表達(dá),引起p38和ERK信號(hào)通路激活,增強(qiáng)神經(jīng)元興奮性,產(chǎn)生病理性疼痛[16]。進(jìn)一步研究表明CXCR3的DNA去甲基化過(guò)程可以導(dǎo)致CXCL10的激活作用增加,促進(jìn)興奮性突觸傳遞,參與CXCR3依賴性痛敏反應(yīng)[17]。CXCL10還能通過(guò)CXCR3直接激活初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元導(dǎo)致過(guò)敏性皮炎瘙癢,研究顯示CXCL10使DRG神經(jīng)元產(chǎn)生Cl-電流,進(jìn)而介導(dǎo)神經(jīng)元興奮性改變和瘙癢行為[18]。慢性瘙癢(如特應(yīng)性皮炎)患者的中性粒細(xì)胞產(chǎn)生CXCL10,激活感覺(jué)神經(jīng)元CXCR3引起瘙癢[19]。小鼠干燥皮膚模型結(jié)果顯示脊髓中CXCR3表達(dá)顯著增加,拮抗劑Paeonol顯著抑制特應(yīng)性皮炎和牛皮蘚等慢性瘙癢和脊髓星形細(xì)胞激活[20]。此外,CXCR3和CXCL10在TG中表達(dá),可以激活ERK和AKT信號(hào)通路,增加神經(jīng)炎癥,進(jìn)一步影響TG神經(jīng)元興奮性,參與頭面部三叉神經(jīng)痛的發(fā)生[21]。
CXCL10/CXCR3信號(hào)通路在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷和疾病中也發(fā)揮重要作用。海馬和皮層表達(dá)的CXCL10通過(guò)CXCR3介導(dǎo)病毒感染誘發(fā)大腦過(guò)度興奮[22]。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)受損區(qū)域表達(dá)CXCR3,而周圍的神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)CXCL10,提示CXCL10/CXCR3信號(hào)通路在致病性T淋巴細(xì)胞相關(guān)腦炎中起作用。在癲癇持續(xù)狀態(tài)急性發(fā)作期間,中樞神經(jīng)系統(tǒng)海馬樹(shù)突棘和小膠質(zhì)細(xì)胞高表達(dá)CXCR3[23]。此外,在創(chuàng)傷性視神經(jīng)病變過(guò)程中,CXCL10和CXCR3顯著升高,降低CXCR3可顯著減少白細(xì)胞募集,結(jié)果提示CXCL10/CXCR3在招募白細(xì)胞和誘導(dǎo)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞死亡方面起著關(guān)鍵作用[24]。AMG487抑制CXCR3的表達(dá)和功能,可以作為CXCR3抑制劑。
趨化因子CXCL12激活CXCR4,參與神經(jīng)病理性痛發(fā)生和調(diào)節(jié)。電鏡結(jié)果顯示CXCR4定位于脊髓背角突觸前成分中,因此,CXCR4是通過(guò)初級(jí)傳入神經(jīng)元軸漿運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)到終末并發(fā)揮功能的。DRG神經(jīng)元表達(dá)電壓門控性Na+和K+通道,可能是CXCL12/CXCR4信號(hào)通路調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性和病理性痛的分子基礎(chǔ)。在大鼠坐骨神經(jīng)損傷疼痛模型中,CXCL12和CXCR4表達(dá)水平上調(diào),并調(diào)節(jié)DRG神經(jīng)元的興奮性和放電模式,也可以通過(guò)調(diào)節(jié)ERK信號(hào)通路上調(diào)Nav1.8,參與疼痛慢性化和持續(xù)性改變[25]。CXCL12和CXCR4在TG小直徑神經(jīng)元中表達(dá),阻斷CXCL12/CXCR4信號(hào)通路可以緩解過(guò)敏性接觸性皮炎引發(fā)的瘙癢和疼痛。有研究顯示CXCL12和CXCR4與神經(jīng)肽CGRP共表達(dá),CXCL12可能通過(guò)自分泌或旁分泌的方式激活CXCR4[26]。MicroRNA分子miR-185-5p表達(dá)上調(diào)顯著抑制CXCR4在小膠質(zhì)細(xì)胞中的表達(dá),拮抗劑AMD3100可發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用并恢復(fù)抑制性神經(jīng)傳遞[27]。研究證明,CXCL12/CXCR4參與骨癌痛調(diào)節(jié),CXCR4激活脊髓神經(jīng)元中的RhoA/ROCK2通路,引起神經(jīng)元敏化以及星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞激活[28]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng),CXCL12/CXCR4信號(hào)通路通過(guò)膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元相互作用參與中樞性卒中后疼痛及單核細(xì)胞遷移腦血管周圍導(dǎo)致的神經(jīng)炎癥和病理性疼痛[29]。
CXCR4參與神經(jīng)組織中的神經(jīng)和微血管再生修復(fù)過(guò)程。CXCR4可促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞遷移,活化星形膠質(zhì)細(xì)胞,參與神經(jīng)再生,修復(fù)受損的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[30]。CXCR4具有神經(jīng)保護(hù)作用,抑制細(xì)胞凋亡,減輕蛛網(wǎng)膜下腔出血引起的腦損傷[31]。CXCL12和CXCR4在軸突損傷部位表達(dá),促進(jìn)軸突再生和功能恢復(fù);在脫髓鞘病變中表達(dá),促進(jìn)少突膠質(zhì)細(xì)胞分化,對(duì)髓鞘再生產(chǎn)生影響[32]。在神經(jīng)退行性疾病帕金森病中黑質(zhì)紋狀體系統(tǒng)CXCR4高表達(dá),引起神經(jīng)元凋亡。此外,CXCL12/CXCR4信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)于皮層神經(jīng)元遷移至關(guān)重要。研究表明CXCR4調(diào)節(jié)中間神經(jīng)元亞型的特異性分布,影響皮質(zhì)生長(zhǎng)抑素、鈣視黃素和神經(jīng)肽Y的表達(dá),參與調(diào)節(jié)癲癇發(fā)作[33]。CXCL12/CXCR4信號(hào)傳導(dǎo)影響神經(jīng)元細(xì)胞骨架系統(tǒng),參與神經(jīng)元和神經(jīng)祖細(xì)胞遷移和發(fā)育成熟[34]。CXCL12/CXCR4信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程影響斑馬魚腦中面部運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的遷移,參與A9~A10多巴胺能神經(jīng)元的遷移及SDF-1 mRNA,也可以通過(guò)ERK和轉(zhuǎn)錄因子Egr1誘導(dǎo)谷氨酸脫羧酶GAD67表達(dá)影響海馬神經(jīng)元發(fā)育。CXCR4和CXCL12之間相互作用可以上調(diào)Pax6基因轉(zhuǎn)染的光感受器NFκB活性,促進(jìn)光感受器分化[35],促進(jìn)嗅覺(jué)上皮祖細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)樾律嵊X(jué)感覺(jué)神經(jīng)元,影響神經(jīng)元遷移[36]。
目前,人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種CXCR4拮抗劑,如Plerixafor (AMD3100) 8HCl、Plerixafor (AMD3100)、WZ811、Motixafortide (BL-8040)、MSX-122、LY2510924、Balixafortide (POL6326)、MSX-130、MSX-127、Tannic acid和AMD3465 hexahydrobromide等。
周圍神經(jīng)系統(tǒng)炎癥或損傷后,初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)節(jié)中CXCR5的配體CXCL13表達(dá)增加,激活p38絲裂原激活蛋白酶,與鈉通道Nav1.8共同促進(jìn)炎性疼痛。部分眶下神經(jīng)結(jié)扎誘導(dǎo)小鼠三叉神經(jīng)痛模型顯示:CXCL13/CXCR5信號(hào)通路激活引起頭面部痛敏[37]。進(jìn)一步研究表明,該信號(hào)通路激活可以增加TG中TNF-α和IL-1β,誘導(dǎo)ERK激活,增強(qiáng)神經(jīng)炎癥反應(yīng)[38]。CXCR5在脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá),介導(dǎo)神經(jīng)病理性痛中神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞相互作用[39]。坐骨神經(jīng)結(jié)扎損傷能上調(diào)脊髓神經(jīng)元CXCL13表達(dá),通過(guò)受體CXCR5誘導(dǎo)脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞激活,促進(jìn)神經(jīng)病理性痛[38-39]。此外,在大鼠骨癌疼痛模型中,脊髓CXCL13、CXCR5、p-p38、p-ERK和p-AKT表達(dá)均顯著上調(diào)[40]。
CXCR5參與多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生。將CXCR5 shRNA注射到前扣帶皮層中,減少SNL引起的谷氨酸突觸傳遞增加,發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用[41]。在癲癇患者腦組織和大鼠模型中發(fā)現(xiàn)CXCL13和CXCR5的基因與蛋白水平顯著上調(diào)并參與炎癥反應(yīng),可能是癲癇患者腦部炎癥的新生物標(biāo)志物[42]。在敗血癥相關(guān)腦病小鼠模型中,CXCR5敲低能降低未成熟和成熟神經(jīng)元數(shù)量以及海馬中IL-1β和IL-6表達(dá),提高海馬齒狀回細(xì)胞增殖能力,減輕認(rèn)知功能缺陷[43]。進(jìn)一步研究表明,腺苷A2A受體激動(dòng)劑顯著降低自閉癥小鼠腦組織中的CXCR5表達(dá)[44]。此外,CXCR5與年齡相關(guān)黃斑變性有關(guān),隨著年齡的增長(zhǎng)CXCR5表達(dá)增加,參與視網(wǎng)膜色素上皮和視網(wǎng)膜細(xì)胞衰老過(guò)程[45]。有研究發(fā)現(xiàn),在大腦衰老過(guò)程中CXCL13表達(dá)不斷增加,而CXCR5缺失使腦室管膜下區(qū)神經(jīng)母細(xì)胞增殖能力增強(qiáng),并在喙側(cè)遷移流和嗅球內(nèi)聚集,因此,CXCR5/CXCL13信號(hào)可能是影響老齡化大腦神經(jīng)再生的重要因素[46]。目前缺少CXCR5特異性拮抗劑。
CXCR6在神經(jīng)系統(tǒng)的表達(dá)和功能研究十分有限。在自身免疫性腦脊髓炎期間,遷移到大腦的Th17細(xì)胞和中性粒細(xì)胞表達(dá)CXCR6,提示該受體可能是中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)重要的炎癥介質(zhì)。在人類和小鼠中,腦膜γδT細(xì)胞是循環(huán)T細(xì)胞的一部分,表達(dá)較高水平的CXCR6,參與IL-17a的釋放和焦慮行為[47]。目前缺少CXCR6特異性拮抗劑。
CXCR7基因在早期胚胎發(fā)育階段廣泛表達(dá)在大腦皮層,出生后顯著降低,主要分布在皮層、海馬、丘腦、下丘腦、小腦等部位,在神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、前體細(xì)胞等中表達(dá)。CXCL12是CXCR7的主要配體,可以同時(shí)激活CXCR4,因此,CXCR7功能與CXCR4非常相似,參與中樞神經(jīng)損傷和修復(fù)[48]。此外,CXCR4/CXCR7通過(guò)調(diào)節(jié)突觸前神經(jīng)遞質(zhì)GABA釋放,與GABA能系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同作用,參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)信息傳遞和免疫炎癥等過(guò)程[49]。目前缺少CXCR7特異性拮抗劑。
趨化因子及其受體在外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛表達(dá),是組織炎癥、神經(jīng)損傷修復(fù)和多種疾病的關(guān)鍵介質(zhì),這些分子極有可能成為相關(guān)疾病的生物標(biāo)志物和干預(yù)靶點(diǎn)??傮w上,CXCR1-6在外周神經(jīng)系統(tǒng)(如DRG和TG)的研究較少,并非各種亞型均有表達(dá),其生物學(xué)意義,特別是在疼痛和瘙癢中的作用機(jī)制尚未完全闡明。作為新的潛在治療靶點(diǎn),趨化因子及其受體在神經(jīng)系統(tǒng)中的功能和分子機(jī)制還需要不斷探索。
空軍軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)2023年2期