張瑋麗 唐 倩 鄧 鎮(zhèn) 趙元淑 鐘 祎
(廣州醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,廣州 511436)
腰椎間盤突出癥 (lumbar disc herniation, LDH) 是臨床常見疾病,也是神經(jīng)根性疼痛的主要病因。主要表現(xiàn)為單側(cè)下肢的痛覺過敏,痛覺超敏和自發(fā)性疼痛,以及腿麻無力、腰部僵硬和活動受限,嚴(yán)重者引起馬尾神經(jīng)受壓、大小便失禁[1]。長期的慢性疼痛不僅損害病人的身心健康,也帶來沉重的社會和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),深入研究神經(jīng)根性疼痛的發(fā)病機(jī)制,具有重要臨床意義。
外周敏化是指背根神經(jīng)節(jié) (dorsal root ganglia, DRG)神經(jīng)元上離子通道表達(dá)和功能的改變,進(jìn)而引起神經(jīng)元興奮性增加,導(dǎo)致異常放電并產(chǎn)生過多的痛覺信號[2],外周敏化是神經(jīng)根性疼痛發(fā)生的重要病理生理學(xué)機(jī)制。同行的研究及我們的預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)自體髓核(nucleus pulposus, NP)移植大鼠DRG 上電壓門控性鈉通道Nav1.7 表達(dá)增加[3],并且在神經(jīng)損傷或者高血糖引起的慢性疼痛中,均發(fā)現(xiàn)DRG 中致炎細(xì)胞因子TNF-α 上調(diào)是電壓門控性鈉通道表達(dá)及功能上調(diào)的重要原因[4,5]。因此我們推斷抑制DRG 組織的炎癥反應(yīng)可以通過降低外周敏化治療神經(jīng)根性疼痛。目前臨床治療LDH 的主要手段是通過外科手術(shù)摘除病變椎間盤,但是手術(shù)費(fèi)用較高并存在一定風(fēng)險。本研究以神經(jīng)炎癥反應(yīng)為切入點(diǎn),探究對神經(jīng)炎癥和外周敏化均有抑制作用的新藥物,以期為治療LDH 提供新的實驗室依據(jù)。
葛根素 (puerarin, PU) 是植物葛根中提取的一種藥物,廣泛應(yīng)用于高血壓、冠心病、心梗等心血管疾病。近年來的研究發(fā)現(xiàn)葛根素對神經(jīng)損傷和糖尿病引起的慢性疼痛有治療作用[6~8],本課題組既往報道了腹腔注射葛根素明顯降低NP 移植大鼠脊髓Toll-like receptor 4 (TLR4) 的表達(dá),抑制脊髓小膠質(zhì)細(xì)胞的活化和致炎細(xì)胞因子的表達(dá)[9,10],這表明葛根素可通過抑制脊髓水平的神經(jīng)炎癥反應(yīng)治療神經(jīng)根性疼痛,葛根素是否可以通過抑制DRG 水平的神經(jīng)炎癥反應(yīng)降低外周敏化,還值得深入研究。本研究采用自體髓核移植的方法構(gòu)建大鼠LDH 模型,從外周神經(jīng)炎癥及外周敏化的角度,探究葛根素緩解LDH 誘導(dǎo)神經(jīng)根性疼痛的發(fā)生機(jī)制。
成年雄性SD 大鼠,體重200~250 g,購于廣東省實驗動物中心(合格證號:No.44002100020691;No.44002100021111;No.44005800010307),統(tǒng)一規(guī)范飼養(yǎng)在廣州醫(yī)科大學(xué)實驗動物中心。所有動物實驗依據(jù)國際疼痛學(xué)會的指導(dǎo)方針[11],并獲得廣州醫(yī)科大學(xué)動物倫理委員會的批準(zhǔn)(倫理批號GD2019-143)。實驗一:取20 只大鼠用完全隨機(jī)化分組法分成假手術(shù)組 (sham,n= 4) 和NP 組 (n= 16),其中NP 組大鼠分別在術(shù)后3 天、5 天、7 天、14天(n= 4)取出同側(cè)L4和L5DRG 和腦脊液,L4DRG用于檢測鈉通道表達(dá),L5DRG 和腦脊液用于檢測TNF-α 含量。實驗二:取40 只大鼠用完全隨機(jī)化分組法分為五組 (n= 8):①sham 組;②NP 移植組;③NP + PU 組;④NP + Veh 組;⑤NP + PU +TNF-α 組,在 術(shù) 后0 天、3 天、5 天、7 天、14 天進(jìn)行痛行為學(xué)檢測,第14 天行為檢測結(jié)束后,每組取4 只大鼠DRG 檢測TNF-α 和p-p65 含量,另外4 只大鼠取DRG 檢測鈉通道表達(dá)。
葛根素注射液(麥克林生化科技有限公司,貨號P816258,中國)經(jīng)腹腔注射100 mg(kg·d),連續(xù)7 天。大鼠重組TNF-α(貨號510-RT)購于R&D Systems 公司(美國),多聚甲醛(PFA,貨號16005)和Triton X-100(貨號X100)購于Sigma-Aldrich 公司(美國)。大鼠TNF-α ELISA 試劑盒(貨號EK0526)購于博士德生物技術(shù)有限公司(中國)。本實驗用的一抗如下:兔抗TNF-α 抗體(ab6671,Abcam,美國),兔抗p-p65 抗體(#3033,Cell Signaling Technology,美國),兔抗GAPDH抗體(BA1054,博士德,中國),兔抗Nav1.7 抗體(SCN9A,Alomone Labs,以色列)。本實驗用的二抗如下:HRP 偶聯(lián)IgG(BA1054,博士德,中國),Cy3 偶聯(lián)IgG(BA1031,博士德,中國)。
(1)腰椎間盤突出癥模型
實驗一和二均采用大鼠自體髓核 (neucleus pulposus, NP) 移植方法復(fù)制腰椎間盤突出癥模型[12,13]。戊巴比妥鈉麻醉后,從L4~L5節(jié)段行半椎板切除術(shù),暴露L5神經(jīng)根,用0.9%氯化鈉注射液棉球保護(hù)手術(shù)面。大鼠改仰臥位,從尾椎取出NP (5 mg),立即轉(zhuǎn)回俯臥位,將NP 輕置于暴露的L5神經(jīng)根上,避免壓迫。逐層縫合肌肉和皮膚。假手術(shù) (sham) 組大鼠行同樣的手術(shù)操作,但NP 不移植到神經(jīng)根上。
(2)鞘內(nèi)置管
實驗二:NP 移植手術(shù)前2 天進(jìn)行鞘內(nèi)置管用于持續(xù)給藥[14]。麻醉后將充滿0.9%氯化鈉注射液的無菌PE-10 管(Becton, Dickinson and Company,美國)從脊髓L5~L6椎間隙向頭端插入到腰膨大位置,外周端有腦脊液流出為插管成功標(biāo)志。PE-10管外周端經(jīng)皮下組織向頭端推送,藏于兩耳間并燒熔封口。大鼠源性重組TNF-α 用PBS 溶液稀釋至0.3 ng/μl,TNF-α(每次10 μl)或者PBS 溶液(溶劑對照)從外周端緩慢注入(q6 h,持續(xù)7 天),藥物注射后再推注7 μl 無菌0.9%氯化鈉注射液保證藥物進(jìn)入蛛網(wǎng)膜下腔,每次注射后燒熔封口。
(3)機(jī)械性痛閾和熱痛閾檢測
實驗二:采用經(jīng)典的up-down 方法檢測后肢機(jī)械刺激縮足反射閾值 (mechanical withdrawal threshold, MWT)[15]。用vonFrey Filaments(強(qiáng)度依次為:0.41,0.70,1.20,2.04,3.63,5.50,8.51,15.14 g)垂直作用于足底6~8 s,如果大鼠出現(xiàn)迅速的撤足或者舔舐足部,視為陽性反應(yīng),否則為陰性反應(yīng)。從2.04 g 強(qiáng)度開始測試,如果出現(xiàn)陰性反應(yīng),則用相鄰的更強(qiáng)的刺激強(qiáng)度,如果出現(xiàn)陽性反應(yīng),則用相鄰的更弱的刺激強(qiáng)度。
采用熱平板(7370, Ugo Basile, 意大利)方法檢測后肢熱縮足反射潛伏期 (thermal withdrawal latency, TWL)[16]。將熱源置于大鼠足底,如果大鼠出現(xiàn)迅速的撤足或者舔舐足部,視為陽性反應(yīng)。同一只大鼠,同樣溫度下,取3次TWL的平均值作為結(jié)果。術(shù)前3 天,每日檢測MWT 和TWL 作為基礎(chǔ)值對照,行為測試的實驗者不清楚對大鼠的分組情況。
(4)Western blot (WB)
實驗一和二于大鼠麻醉后,取出L4~L5DRG,迅速置于液氮中,加入含蛋白酶抑制劑(1:100,AR1182,博士德,中國)和磷酸酶抑制劑(1:100,AR1183,博士德,中國)的Tris 緩沖液(15 mmol/L,pH 7.6)中,冰上勻漿并超聲破碎。隨后低溫離心(14,000×g , 20 min)取上清液分裝凍存于-80℃。
蛋白質(zhì)定量(bicinchoninic acid, BCA) 法檢測標(biāo)本蛋白濃度,SDS-PAGE 電泳分離蛋白,并轉(zhuǎn)印到PVDF 膜(#1620264, Bio-Rad, 美國)上。PVDF膜 在 室 溫 封 閉1 h 后,加 入 抗TNF-α 或p-p65 或GAPDH 的抗體4℃孵育過夜。洗滌后加入HRP 偶聯(lián)的IgG 常溫孵育1 h,再次洗滌后用超敏ECL 試劑(35055,Pierce,美國)檢測免疫復(fù)合物。計算機(jī)輔助成像分析系統(tǒng)(KONTRON IBAS 2.0,德國)計算條帶灰度。
(5)免疫熒光染色
實驗一和二:大鼠用0.9%氯化鈉注射液灌注沖去血液,再用4% PFA 溶液(溶于0.1 M 磷酸鹽緩沖液中,pH 7.4,4℃)灌注固定。取出DRG 組織,繼續(xù)后固定1 h,隨后轉(zhuǎn)入30%蔗糖溶液脫水1 天。用冰凍切片機(jī)(Leica CM1900, -20℃)將組織切成16 μm 薄片用于染色。
組織片用含3% 驢血清的0.3% Triton X-100 溶液常溫固定1 h,再孵育Nav1.7 抗體4℃過夜,洗滌后常溫避光孵育Cy3 偶聯(lián)的IgG,用熒光顯微鏡和CCD 掃描相機(jī)(Leica,德國)拍照。
(6)ELISA
實驗一:取DRG 組織和腦脊液 (cerebrospinal fluid, CSF),DRG 組織用預(yù)冷PBS 溶液勻漿(10 mg組織加入100 μl PBS 溶液)并低溫離心取上清液,根據(jù)ELISA 說明書,在預(yù)包被抗體的96 孔板中,先后加入DRG 上清液或者CSF 反應(yīng)1.5 h,生物素標(biāo)記抗體進(jìn)行反應(yīng)1 h。PBS 洗去未結(jié)合的物質(zhì),隨后加入親和素-過氧化物酶復(fù)合物反應(yīng) 0.5 h,再次洗滌并依次加入TMB 顯色液和TMB 終止液。450 nm 波長下檢測樣本吸光度并制作標(biāo)準(zhǔn)曲線做參照。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算組織中TNF-α 蛋白含量。
免疫熒光結(jié)果顯示與sham 組相比,NP 后3 天、5 天、7 天、14 天四個時間段,手術(shù)同側(cè)DRG 中Nav1.7 陽性細(xì)胞百分比明顯增加(見圖1A-F, NPvs.sham,F(4,15) = 1782,P< 0.01);WB 結(jié)果顯示:與sham 組相比,NP 組大鼠在手術(shù)后各時間點(diǎn),其手術(shù)同側(cè)DRG 組織中TNF-α 含量均明顯增加(見圖1G, NPvs.sham,F(4,15) = 1211,P< 0.01);ELISA 結(jié)果表明:與sham 組相比,NP 組大鼠在手術(shù)后各時間點(diǎn),其手術(shù)同側(cè)DRG 組織和CSF 中TNF-α含量均明顯增加(見圖1H, NPvs.sham,F(4,15) = 373.5,P< 0.01;F(4,15) = 5.216,P< 0.05)。表明NP 移植上調(diào)手術(shù)同側(cè)DRG Nav1.7,同時引起顯著的外周神經(jīng)炎癥反應(yīng)。
圖1 NP 移植后DRG 中Nav1.7 表達(dá)增加,DRG 和CSF 中TNF-α 蛋白含量增加 (n = 4)(A-F) 免疫熒光染色發(fā)現(xiàn),與sham 組相比,NP 移植后3~14 天DRG 中Nav1.7 表達(dá)增加;Western blot (G) 和ELISA 檢測 (H) 均發(fā)現(xiàn),與sham 組相比,NP 移植后3~14 天DRG 組織和CSF 中TNF-α 蛋白表達(dá)明顯增加*P < 0.05,**P < 0.01,與sham 組相比Fig.1 NP implantation increases Nav1.7 expression in DRG and increases TNF- α expression in both DRG and CSF (n = 4)(A-F) Immunofluorescence staining reveals that compared with sham group, Nav1.7 expression in DRG is increased in rats with NP implantation (group NP) from day 3 to day 14 after surgery; Western blotting (G) and ELISA (H) reveals that compared with group sham, TNF-α protein level is increased in DRG and CSF of rats in NP group from day 3 to day 14 after surgery.*P < 0.05, **P < 0.01, compared with group sham.
檢測大鼠后肢MWT 和TWL 評估大鼠痛行為。NP 移植組大鼠手術(shù)同側(cè)MWT 和TWL 明顯降低,持續(xù)到術(shù)后14 天(見圖2, NPvs.sham,t(df) =44.92 for MWT,t(df) = 26.09 for TWL,P< 0.01)。從術(shù)前1 h 開始,連續(xù)7 天腹腔注射葛根素注射液(100 mg/kg, 每日1 次),于給藥后1 h 進(jìn)行行為學(xué)測試,結(jié)果顯示PU 明顯增加手術(shù)同側(cè)后肢MWT和TWL(見圖2, NP + PUvs.NP + Veh,t(df) = 39.84 for MWT,t(df) = 15.69 for TWL,P< 0.01),效果可持續(xù)至術(shù)后14 天;給予葛根素的同時,鞘內(nèi)給予大鼠重組TNF-α 明顯逆轉(zhuǎn)葛根素提高M(jìn)WT 和TWL的作用(見圖2, NP + PU + TNFvs.NP + PU,t(df) =28.98 for MWT,t(df) = 13.77 for TWL,P< 0.01)。表明葛根素可持續(xù)提高NP 組大鼠痛覺閾值,緩解機(jī)械性痛覺過敏和熱痛覺超敏,其鎮(zhèn)痛效果可被TNF-α 逆轉(zhuǎn)。
圖2 葛根素明顯增加NP移植大鼠機(jī)械刺激縮足反射閾值(A)和熱縮足反射潛伏期(B),TNF-α可逆轉(zhuǎn)葛根素的作用 (n = 8)**P < 0.01,與sham 組相比,NP 組手術(shù)后3~14 天大鼠后肢MWT 和TWL 明顯下降;##P < 0.01,與溶劑對照組(NP + Veh)相比,葛根素治療組(NP + PU)大鼠的MWT 和TWL 明顯增加;△△P < 0.01,與葛根素治療組(NP + PU)相比,葛根素與TNF-α 同時給藥組(NP + PU + TNF)大鼠的MWT 和TWL 明顯降低Fig.2 Peurarin significantly increases MWT and TWL of rats with NP implantation which is obscured by TNF-α (n = 8)**P < 0.01, compared with sham group, the mechanical MWT and TWL are decreased in rats of NP group from day 3 to day 14 after surgery; ##P < 0.01, compared with group NP + Veh, the MWT and TWL of group NP + PU are significantly increased; △△P < 0.01, compared with group NP + PU, the MWT and TWL of group NP + PU + TNF are significantly decreased.
葛根素給藥至術(shù)后7 天,于術(shù)后14 天取DRG組織,用Western blot 方法檢查TNF-α 和p-p65 蛋白水平,與sham 組相比,NP 組大鼠手術(shù)同側(cè)DRG中TNF-α 和 p-p65 表達(dá)明顯增加(見圖3, NPvs.sham, t (df) = 22.36,t(df) = 22.33,P< 0.01)。與溶劑對照組 (NP + Veh) 相比,葛根素 (PU) 明顯降低TNF-α 和p-p65 表達(dá)(見圖3, NP + PUvs.NP + Veh,t(df) = 14.19,t= 30.5,P< 0.01)。
圖3 葛根素明顯降低NP 移植大鼠DRG 中TNF-α 和p-p65 表達(dá) (n = 4)**P < 0.01,與Sham 組相比,NP 移植(NP 組)大鼠DRG 中TNF-α 和p-p65 表達(dá)明顯上升;##P < 0.01,與溶劑對照組 (NP + Veh) 相比,葛根素治療組(NP + PU)組大鼠DRG 中TNF-α 和p-p65 含量明顯降低Fig.3 Peurarin significantly decreases TNF-α and p-p65 expression in DRG of rats with NP implantation (n = 4)**P < 0.01, compared with group sham, TNF-α and p-p65 expression in DRG of rats with NP implantation (group NP)are significantly increased; ##P < 0.01, compared with group NP + Veh, in group NP + PU, TNF-α and p-p65 expression in DRG of rats in group NP + PU are significantly decreased.
術(shù)后14 天,用免疫熒光染色方法檢測不同組大鼠手術(shù)同側(cè)DRG 中Nav1.7 的表達(dá)。與sham 組相比,NP 組Nav1.7 陽性細(xì)胞百分比明顯增加(見圖4A,B, F, NPvs.sham,t= 12.82,P< 0.01);與溶劑對照組相比,PU 明顯降低Nav1.7 熒光陽性面積(見圖4C,D, F, NP + PUvs.NP + Veh,t(df) = 4.648,P< 0.01);給予PU 的同時,鞘內(nèi)給予大鼠重組TNF-α 可明顯增加Nav1.7 陽性細(xì)胞百分比(見圖4C, E, F, NP + PU +TNF-αvs.NP + PU,t= 9.322,P< 0.01)。表明PU 可通過抑制DRG Nav1.7 上調(diào)治療神經(jīng)根性疼痛。
圖4 葛根素抑制NP 移植鼠DRG Nav1.7 的上調(diào),TNF-α 可阻斷其作用 (n = 4)**P < 0.01,與sham 組相比,NP 移植后(NP 組)大鼠DRG 中Nav1.7 表達(dá)明顯上升(A, B, F);##P < 0.01,與溶劑對照組 (NP + Veh) 相比,葛根素治療組(NP + PU)大鼠DRG 中Nav1.7 表達(dá)明顯降低(C, D, F);△△P < 0.01,葛根素治療組(NP + PU)相比,葛根素治療同時外源性給予TNF-α (NP + PU + TNF)大鼠的DRG 中Nav1.7 表達(dá)明顯增加(D-F)Fig.4 Peurarin inhibits Nav1.7 upregulation in DRG of rats with NP implantation which is obscured by TNF-α (n = 4)**P < 0.01, compared with group sham, Nav1.7 expression in DRG of rats with NP implantation (group NP) are significantly increased (A, B, F); ##P < 0.01, compared with group NP + Veh, Nav1.7 expression in DRG of rats in group NP +PU are significantly decreased (C, D, F); △△P < 0.01, compared with group NP + PU, co-administration of peurarin and TNF-α (group NP + PU + TNF) significantly increases Nav1.7 expression in DRG (D-F).
腰椎間盤突出癥是臨床常見疾病,主要表現(xiàn)為單側(cè)的,沿著坐骨神經(jīng)方向的放射性腰疼和腿疼,臨床也稱為神經(jīng)根性疼痛[1]。目前臨床最常見的治療手段為手術(shù)摘除病變椎間盤。相比藥物治療,手術(shù)治療費(fèi)用更高,并發(fā)癥較多,甚至有10%的病人手術(shù)摘除病變椎間盤后還出現(xiàn)長期的神經(jīng)根性疼痛癥狀,因此深入研究神經(jīng)根性疼痛產(chǎn)生的機(jī)制具有重要臨床意義。
外周敏化是慢性疼痛的重要病理生理學(xué)機(jī)制,是指初級傳入神經(jīng)元上離子通道的表達(dá)、運(yùn)輸及功能的改變,進(jìn)而增加神經(jīng)元的興奮性,誘發(fā)神經(jīng)元異常放電,向中樞傳遞過多的痛覺信號[2,17]。電壓門控性鈉通道 (VGSCs) 是決定神經(jīng)元興奮性最重要的離子通道,神經(jīng)根性疼痛模型中發(fā)現(xiàn)多種亞型的鈉通道如Nav1.3、Nav1.6、Nav1.7和 Nav1.8的上調(diào)[3,18,19]。Nav1.7 通道失活慢,關(guān)閉慢[20],從而對小而慢的去極化產(chǎn)生一種斜坡電流[21];Nav1.7 的表達(dá)和功能上調(diào)可降低痛閾,并對閾下刺激產(chǎn)生過激反應(yīng)[21],因此對神經(jīng)元異常放電的發(fā)生至關(guān)重要。最近的研究發(fā)現(xiàn)Nav1.7 基因SCN9A 的功能喪失型突變是人類先天無痛癥發(fā)生的重要基礎(chǔ)[22],提示Nav1.7 的功能缺失直接影響傷害性感受器的功能,導(dǎo)致正常痛覺的喪失。既往對神經(jīng)損傷和高血糖引起慢性疼痛的研究,發(fā)現(xiàn)DRG 上致炎細(xì)胞因子TNF-α 表達(dá)增加是鈉通道上調(diào)的重要原因[4,5]。因此,我們推斷抑制DRG 中的神經(jīng)炎癥反應(yīng)可能通過下調(diào)Nav1.7 緩解神經(jīng)根性疼痛。
葛根素是從天然植物葛根中提取的一種C-糖基化大豆異黃酮,具有抗炎、抗氧化和抗凋亡的作用[6~8],廣泛用于治療心血管系統(tǒng)疾病。近年來實驗室研究發(fā)現(xiàn)葛根素對神經(jīng)損傷、高血糖引起的慢性疼痛有治療作用[6,7,23]。臨床研究發(fā)現(xiàn),葛根素配合手法治療可明顯緩解頸椎病病人的疼痛和眩暈癥狀[24],葛根素對于老年女性骨質(zhì)疏松并股骨頸骨折手術(shù)病人也具有較好的鎮(zhèn)痛作用[25],葛根素注射液對糖尿病引起的肢體麻木、疼痛及感覺異常有明顯緩解作用[8,26]。我們課題組也發(fā)現(xiàn)并報道了腹腔注射葛根素可通過抑制脊髓水平的神經(jīng)炎癥反應(yīng),抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的活化緩解神經(jīng)根性疼痛[9,10]。在此基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步探究葛根素對DRG 水平的炎癥反應(yīng)的作用,發(fā)現(xiàn)連續(xù)7 天腹腔注射葛根素可明顯降低NP 移植大鼠DRG 及腦脊液中致炎細(xì)胞因子TNF-α 含量,并降低下游信號分子p-p65,這表明葛根素對DRG水平的炎癥反應(yīng)同樣具有抑制作用。進(jìn)一步實驗發(fā)現(xiàn)葛根素可降低NP 移植大鼠神經(jīng)元上Nav1.7 的表達(dá),且注射葛根素的同時,鞘內(nèi)給予大鼠重組TNF-α 可明顯增加Nav1.7 的表達(dá),因此葛根素可能通過抑制DRG 的神經(jīng)炎癥,下調(diào)DRG Nav1.7 的表達(dá),緩解神經(jīng)根性疼痛。
綜上所述,本研究從在體水平證實葛根素可能通過抑制TNF-α/NF-κB 信號通路,降低 DRG 中Nav1.7 的表達(dá),抑制外周敏化,從而治療神經(jīng)根性疼痛。不足之處在于缺乏離體實驗數(shù)據(jù),后續(xù)研究可以取DRG 組織進(jìn)行神經(jīng)元的原代培養(yǎng),在細(xì)胞水平再次驗證葛根素及TNF-α/NF-κB 信號通路對Nav1.7 表達(dá)的影響。
利益沖突聲明:作者聲明本文無利益沖突。