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胶质细胞源性神经营养因子在神经病理性疼痛中的研究进展

胶质细胞源性神经营养因子(glial cell line-derived neurotrophic factor,GDNF)是从大鼠胶质细胞系B49中分离出的一种神经营养因子,其在结构上属于转化生长因子β超家族的成员,在全身的各种组织发育的不同阶段及神经损伤后的不同阶段均有不同程度的表达。GDNF发挥生物学功能依靠其独特的信号传导通路包括:经典Ret依赖性信号传导通路与非Ret依赖性传导通路。

 

GDNF通过信号传导通路激活连接的细胞,进而发挥调节神经病理性疼痛(neuropathic pain,NP)的作用。NP是指周围或中枢神经系统的损伤和疾病而直接造成的疼痛,其具体发病机制仍不明确。目前仍缺乏有效地治疗手段。近年来研究发现GDNF对初级传入神经元具有营养及促进再生的作用,一些动物实验也表明GDNF可以防止及逆转NP的部分症状。虽然GDNF的镇痛作用逐渐受到人们关注,但其镇痛作用机制不明确,了解GDNF的镇痛机制是研究治疗NP药物或治疗手段的基础。

 

近年来研究表明其镇痛机制可能涉及到下调电压门控式Na+通道亚单位Navl.3、调控星形胶质细胞的活化,增加脊髓背角的生长抑素的表达,降低丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated proteinkinase,MAPK)家族的磷酸化,下行抑制系统激活,抑制脊髓背角的结构重组等。随着对GDNF的研究日趋深入和其镇痛机制的不断阐明,GDNF及其配体有望成为神经病理性疼痛治疗的新靶点。本文将对GDNF的镇痛作用、镇痛机制及临床应用的研究新进展作一综述,以期引起对GDNF在神经病理性疼痛中研究的关注。

 

1.GDNF对于NP的镇痛作用

 

GDNF是由Lin等从大鼠胶质细胞系B49中分离出的、糖基化的、二硫键结合的同源二聚体蛋白质,由于其对多巴胺能神经元具有强大的活化、分化、促修复及促进摄取多巴胺作用,故早期的研究主要是GDNF治疗帕金森病方面的研究。随着研究的不断深入,Boucher等发现GDNF可以逆转大鼠坐骨神经部分损伤(partial sciatic nerve injury model,PNL)造成的神经病理性疼痛,减轻感觉异常等病理状态。因此,国内外学者开始对GDNF在对NP的镇痛作用方面展开了大量的研究。

 

首先,Nagano等构建大鼠坐骨神经慢性缩窄损伤(chronic constriction injury,CCI)与部分坐骨神经分支损伤(spared nerve injury,SNI)神经病理性疼痛模型,检测L4-5节段脊髓背角GDNF的表达水平,结果发现,构建模型后的第714天,在CCISNI大鼠机械痛阈、热痛阈降低的同时,腰4-5节段脊髓背角GDNF的表达水平也显著降低。然后在大鼠蛛网膜下腔给予外源性的GDNF12μg/d),大鼠的机械痛敏、热痛敏现象明显改善。在另一项研究中,Takasu等发现将GDNF过表达慢病毒载体注射入L4脊髓背角可以明显改善脊神经结扎模型(spinal nerve ligation model,SNL)所诱发的机械痛敏与热痛敏。

 

国内学者贾东林也做过类似的研究,结果与上述实验相同。总之,GDNFNP关系紧密,其与脊髓背角的行为敏化有关,参与了NP的发生、发展及恢复的过程。并且无论是给予外源性的GDNF还是使GDNF表达增加均可以产生镇痛调制作用,改善NP的症状。

 

2.GDNF缓解NP的机制

 

作为转化生长因子β超家族的一名新成员,GDNF发挥生物学功能依靠其独特的信号传导通路包括:经典Ret依赖性信号传导通路与非Ret依赖性传导通路,其中非经典Ret依赖性传导通路主要是指近年来发现的细胞粘附分子家族的神经细胞粘附分子(neural cel ladhesion molecule,NCAM)及上皮细胞钙黏蛋白(E-cadherin)。GDNF通过信号传导通路激活Ret蛋白的磷酸化,Ret蛋白的磷酸化可以激活下一步信号传导通路,进而发挥其生物学效应。然而GDNF具体镇痛机制不详,至今已发现有多种机制不同程度地参与GDNF对神经病理性疼痛的镇痛调制,本文将对其进行分类总结。

 

1)通过下调电压门控式Na+通道亚单位Navl.3

 

Navl.3又称为河豚毒素敏感(Tetrodotoxin-sensitive,TTX-S)的钠离子通道亚型III,其在完整的、未损伤的背根神经节(dorsal root gangliaDRG)是沉默的。当神经元受到损伤时,TTX-S钠离子通道快速开放,电流增加的同时沉默的Navl.3基因也发生上调,最终的效应是产生异常的动作电位活动,且放电阈值降低。Boucher等通过鞘内注射GDNF来治疗PNL造成的神经病理性疼痛,结果发现大鼠痛行为得到明显改善,同时还发现GDNFL5背根神经节的Navl.3表达下调,故作者认为GDNF逆转NP的机制可能与使Navl.3表达下调有关。与上述研究结果不同的是,Fukuoka等发现虽然GDNF治疗SNL的同时Navl.3表达下调,但是其下调水平与GDNF特异性高亲和力受体GFRα-1的表达是相互独立、互不影响的。

 

Fukuoka认为Navl.3表达的改变,可能是损伤神经元在损伤修复过程中,神经元本身适应性改变的一部分,与GDNF的应用并无直接关系,此观点与Boucher的观点相反。因此对于GDNF的镇痛机制是否涉及下调Navl.3表达以及通过何种机制以影响仍有待进一步实验发现及证实。

 

2)通过降低星形胶质细胞的活化

 

星形胶质细胞是中枢神经系统中分布广泛、数量众多的一类胶质细胞,其参与神经病理性疼痛的传导及调控已经在各类神经病理性疼痛模型中被证实。星形胶质细胞激活可以产生多种神经活性物质,如白介素16interleukin-1,IL-1interleukin-6,IL-6)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-ɑ,TNF-ɑ)、前列腺素、兴奋性氨基酸等。这些神经活性物质不仅可以通过提高初级传入神经元周围的致痛物质产生疼痛持续状态及外周敏化,还可以直接激活邻近的损伤和未损伤的感觉神经纤维产生疼痛扩大状态。

 

作为星形胶质细胞的特征性标志物,胶质原纤维酸蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)表达水平往往用来间接反应星形胶质细胞的活化程度。Guo等将大鼠随机分为对照组、假手术组、SNL组、GDNF治疗组,SNLGFAP表达水平明显高于对照组及假手术组,GDNF治疗组GFAP表达水平显著低于SNL组。由此可以得出结论,鞘内注射GDNF可以降低GFAP表达水平,且GDNF的镇痛机制可能涉及到降低星形胶质细胞的活化水平。通过调控星形胶质细胞的活化来治疗NP是目前的研究热点,GDNF可以调控星形胶质细胞的活化但是其具体的机制仍需进一步研究。

 

3)通过增加生长抑素的表达

 

生长抑素是一种抑制性的神经递质,其可以通过抑制外周神经损伤导致神经元异常放电而产生镇痛效应。Charbel等将成年大鼠分为对照组与GDNF组,GDNF组连续鞘内注射GDNF13天,对照组鞘内注射含0.1%血清白蛋白的生理盐水。结果发现,GDNF组脊髓背角中可释放生长抑素的神经元的数量明显高于对照组。在另一项研究中,Dong等利用反寡义核苷酸技术降低脊髓背角GFRα-1的表达,进而阻断了GDNF经典的信号传导通路。结果,随着脊髓背角GFRα-1的表达的降低,生长抑素表达水平同样下降。由此可以看出,GDNF可以增加脊髓背角的生长抑素的表达,这可能是GDNF治疗NP的机制之一。

 

4)通过降低MAPK家族磷酸化水平

 

MAPK家族有三个主要成员:细胞外信号调节激酶(extracellular signal regulated kinase,ERK)、p38C-JunN-末端激酶(c-JunN-terminal kinase,JNK)。MAPK信号通路的激活可以使伤害感受性神经产生可塑性变化,而神经系统的重塑在神经病理性疼痛的发生、发展中起着至关重要的作用,故MAPK家族的磷酸化是神经病理性疼痛产生及维持的重要条件。贾东林等发现大鼠CCI模型脊髓中高表达的p38MAPK蛋白可以被鞘内注射的GDNF抑制,从而缓解了神经病理性疼痛。一项类似的研究中,袁佳等用Westernblot法测定大鼠脊髓的磷酸化JNKp-JNK)蛋白和磷酸化ERKp-ERK)蛋白的表达水平发现鞘内注射GDNF大鼠脊髓的p-JNKp-ERK表达水平较CCI模型组显著下降。同时,高圆圆等研究也证实了GDNF可以通过抑制脊髓背角ERK活化的接头蛋白Shc进而抑制ERK的磷酸化。

 

总而言之,GDNF可以通过降低MAPK家族的磷酸化来减少伤害感受性神经产生可塑性变化,减弱脊髓背角的中枢敏化。以上研究为GDNF的镇痛机制提供了新的理解,但是仍然需要更深一步的研究探索GDNF是通过何种路径来影响MAPK家族表达水平的。

 

5)通过激活脑干下行抑制系统

 

脑干下行抑制系统是由脑干的网状结构发出下行神经纤维,终止于脊髓背角。通过释放各类神经递质与脊髓背角上的受体结合,对脊髓所上传的外周伤害性刺激信号产生抑制。下行抑制系统发挥疼痛抑制作用主要通过5-羟色胺能下行投射系统、多巴胺能下行投射系统及肾上腺素能下行投射系统。蓝斑核是下行肾上腺素能通路的起点之一,是脑中合成去甲肾上腺素的主要部位。对于激活下行肾上腺素抑制通路产生外周镇痛效应已经被广泛证实。为了研究GDNF对下行抑制系统的影响,Kimura等发现连续将GDNF注射到蓝斑3天可以显著缓解CCI大鼠的机械痛敏和热痛敏,其镇痛作用可以持续3天之久。并且,作者还发现GDNF的这种镇痛效应可以被选择性ɑ2受体阻断剂育亨宾所抑制。因此作者认为GDNF可以通过激活肾上腺素能下行抑制通路这一途径对NP产生镇痛作用。除此之外,其他的一些研究也表明,GDNF可以影响蓝斑去甲肾上腺素神经元的功能。总而言之,GDNF可以激活肾上腺素能下行抑制系统发挥镇痛效应,但是其对其他的下行抑制通路是否有影响有待国内外学者进行相关研究。

 

6)通过抑制脊髓背角结构重组:感觉神经元的伤害性感受器中枢端终止于背角最表层的板层,而正常活动所激活的低阈值的感觉纤维终止于背角深层的板层。当初级传入纤维损伤后,有髓的A类纤维末梢长芽增多,从深层的非疼痛刺激的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ层向涉及疼痛刺激信息的Ⅰ、Ⅱ层转移,重新分布于较浅的板层。而这种结构重组是A类纤维介导疼痛的基础,是NP的机制之一。Bennett等发现鞘内注射GDNF可以抑制大鼠坐骨神经部分结扎后A类纤维向脊髓背角Ⅱ层长芽,通过此机制,一定程度上减轻坐骨神经结扎所造成的神经病理性疼痛。虽然有研究认为这种长芽结构重组现象在神经病理性疼痛的发生中所发挥的作用是有限的,但是却是不容忽视的。因此,GDNF抑制脊髓背角的结构重组可能是GDNF的减轻NP的机制之一。

 

3.GDNF的临床应用研究

 

GDNF在动物实验中的镇痛作用已经被广泛证实,并且随着其镇痛机制的不断阐明,如何将这些基础实验转化为临床试验用于神经病理性疼痛的治疗成为国内外学者研究的热点。目前来说,应用GDNF治疗神经病理性疼痛有两条途径:提高内源性GDNF的表达和给予外源性GDNF及相关分子。到目前为止GDNF配体家族包括四个成员:GDNFNeurtuinNRTN)、ArteminARTN)、persephinPSPN)。它们分别与GDNF受体家族的GFRα-1GFRα-2GFRα-3GFRα-4结合进而发挥其生物学效应。

 

GFRα-3主要表达于背根神经节的伤害感受性神经元中,这种限制性的表达可以使病人在临床上全身应用以GFRα-3为靶点的相关药物,而没有全身性应用GDNF引起的异常疼痛、体重减轻、排便紧迫感及感觉异常等副作用。作为GDNF配体家族中的一员,ARTNBG00010)与GFRα-3的特异性结合减轻NP已经在SNICCI等动物模型中被证实。作为临床一期研究,Okkerse等进行了随机、双盲、安慰剂对照的小样本实验,将ARTNBG00010)静脉给予坐骨神经痛病人可以明显减轻其症状,且并没有严重的不良事件发生。无论是静脉还是皮下给予ARTNBG00010)均可引起不同程度的皮肤瘙痒、轻微头痛,且皮下注射较静脉注射严重,但是其引起瘙痒的机制仍不明确,故在大规模的临床应用前,对于这种外源性GDNF配体的安全性仍是一个需要进一步研究的问题。

 

对于调整内源性的GDNF表达治疗神经病理性疼痛目前仍处于起步阶段。作为基因治疗的载体,腺病毒载体及慢病毒载体逐渐进入了人们的视线。慢病毒载体可以将外源性的基因成功地整合到宿主的染色体上,使外源性基因在宿主体内持续地表达。Takasu等发现将GDNF慢病毒载体注入大鼠的L4-5脊髓背角及背根神经节后,脊髓背角及背根神经节的GDNF的表达量明显升高。丁卓峰等的研究同样证明运用GDNF慢病毒载体可以使脊髓GDNF过表达。在另一项研究中,张民晧等发现将可以分泌GDNF的神经干细胞(neural stem cellsNSC)移植入大鼠鞘内同样可以明显提高大鼠脊髓背角及背根神经节的表达量。

 

除此之外,对于一些疼痛介入治疗如脉冲射频、电针也同样可以提高脊髓背角及背根神经节的GDNF的表达量而对NP产生镇痛作用。尽管将GDNF的相关药物应用于NP的治疗任重道远,但随着其临床应用研究的不断深入,GDNF相关的药物及治疗方法有望给NP病人带来希望。

 

4.总结与展望

 

GDNF作为一种对NP有着强大镇痛作用的神经营养因子,其镇痛效果已经在部分动物神经病理性疼痛模型中被证实,但是对于大鼠带状疱疹后神经痛、继发性三叉神经痛等神经病理性疼痛模型是否有效仍是不得而知,需要我们进一步验证。尽管GDNF镇痛机制仍不十分明确,但是其对于NP的调控作用已经被大量的动物实验证实,而如何将这些动物实验安全有效地转化为临床药物或者治疗手段是学者以后研究的重点。随着研究的不断深入,GDNF镇痛机制的将不断阐明,其对于NP治疗的理论基础也会不断完善。因此,针对GDNF及其相关分子的药物或治疗手段在NP的治疗中有着广阔的发展空间。

 

来源:王晓东,薛朝霞.胶质细胞源性神经营养因子在神经病理性疼痛中的研究进展[J].中国疼痛医学杂志.

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