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  • 膠質細胞源性神經營養因子在神經病理性疼痛中的研究進展

    膠質細胞源性神經營養因子(glial cell line-derived neurotrophic factor,GDNF)是從大鼠膠質細胞系B49中分離出的一種神經營養因子,其在結構上屬于轉化生長因子β超家族的成員,在全身的各種組織發育的不同階段及神經損傷后的不同階段均有不同程度的表達。GDNF發揮生物學功能依靠其獨特的信號傳導通路包括:經典Ret依賴性信號傳導通路與非Ret依賴性傳導通路。

     

    GDNF通過信號傳導通路激活連接的細胞,進而發揮調節神經病理性疼痛(neuropathic pain,NP)的作用。NP是指周圍或中樞神經系統的損傷和疾病而直接造成的疼痛,其具體發病機制仍不明確。目前仍缺乏有效地治療手段。近年來研究發現GDNF對初級傳入神經元具有營養及促進再生的作用,一些動物實驗也表明GDNF可以防止及逆轉NP的部分癥狀。雖然GDNF的鎮痛作用逐漸受到人們關注,但其鎮痛作用機制不明確,了解GDNF的鎮痛機制是研究治療NP藥物或治療手段的基礎。

     

    近年來研究表明其鎮痛機制可能涉及到下調電壓門控式Na+通道亞單位Navl.3、調控星形膠質細胞的活化,增加脊髓背角的生長抑素的表達,降低絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated proteinkinase,MAPK)家族的磷酸化,下行抑制系統激活,抑制脊髓背角的結構重組等。隨著對GDNF的研究日趨深入和其鎮痛機制的不斷闡明,GDNF及其配體有望成為神經病理性疼痛治療的新靶點。本文將對GDNF的鎮痛作用、鎮痛機制及臨床應用的研究新進展作一綜述,以期引起對GDNF在神經病理性疼痛中研究的關注。

     

    1.GDNF對于NP的鎮痛作用

     

    GDNF是由Lin等從大鼠膠質細胞系B49中分離出的、糖基化的、二硫鍵結合的同源二聚體蛋白質,由于其對多巴胺能神經元具有強大的活化、分化、促修復及促進攝取多巴胺作用,故早期的研究主要是GDNF治療帕金森病方面的研究。隨著研究的不斷深入,Boucher等發現GDNF可以逆轉大鼠坐骨神經部分損傷(partial sciatic nerve injury model,PNL)造成的神經病理性疼痛,減輕感覺異常等病理狀態。因此,國內外學者開始對GDNF在對NP的鎮痛作用方面展開了大量的研究。

     

    首先,Nagano等構建大鼠坐骨神經慢性縮窄損傷(chronic constriction injury,CCI)與部分坐骨神經分支損傷(spared nerve injury,SNI)神經病理性疼痛模型,檢測L4-5節段脊髓背角GDNF的表達水平,結果發現,構建模型后的第7、14天,在CCISNI大鼠機械痛閾、熱痛閾降低的同時,腰4-5節段脊髓背角GDNF的表達水平也顯著降低。然后在大鼠蛛網膜下腔給予外源性的GDNF12μg/d),大鼠的機械痛敏、熱痛敏現象明顯改善。在另一項研究中,Takasu等發現將GDNF過表達慢病毒載體注射入L4脊髓背角可以明顯改善脊神經結扎模型(spinal nerve ligation model,SNL)所誘發的機械痛敏與熱痛敏。

     

    國內學者賈東林也做過類似的研究,結果與上述實驗相同??傊?,GDNFNP關系緊密,其與脊髓背角的行為敏化有關,參與了NP的發生、發展及恢復的過程。并且無論是給予外源性的GDNF還是使GDNF表達增加均可以產生鎮痛調制作用,改善NP的癥狀。

     

    2.GDNF緩解NP的機制

     

    作為轉化生長因子β超家族的一名新成員,GDNF發揮生物學功能依靠其獨特的信號傳導通路包括:經典Ret依賴性信號傳導通路與非Ret依賴性傳導通路,其中非經典Ret依賴性傳導通路主要是指近年來發現的細胞粘附分子家族的神經細胞粘附分子(neural cel ladhesion molecule,NCAM)及上皮細胞鈣黏蛋白(E-cadherin)。GDNF通過信號傳導通路激活Ret蛋白的磷酸化,Ret蛋白的磷酸化可以激活下一步信號傳導通路,進而發揮其生物學效應。然而GDNF具體鎮痛機制不詳,至今已發現有多種機制不同程度地參與GDNF對神經病理性疼痛的鎮痛調制,本文將對其進行分類總結。

     

    1)通過下調電壓門控式Na+通道亞單位Navl.3

     

    Navl.3又稱為河豚毒素敏感(Tetrodotoxin-sensitive,TTX-S)的鈉離子通道亞型III,其在完整的、未損傷的背根神經節(dorsal root ganglia,DRG)是沉默的。當神經元受到損傷時,TTX-S鈉離子通道快速開放,電流增加的同時沉默的Navl.3基因也發生上調,最終的效應是產生異常的動作電位活動,且放電閾值降低。Boucher等通過鞘內注射GDNF來治療PNL造成的神經病理性疼痛,結果發現大鼠痛行為得到明顯改善,同時還發現GDNFL5背根神經節的Navl.3表達下調,故作者認為GDNF逆轉NP的機制可能與使Navl.3表達下調有關。與上述研究結果不同的是,Fukuoka等發現雖然GDNF治療SNL的同時Navl.3表達下調,但是其下調水平與GDNF特異性高親和力受體GFRα-1的表達是相互獨立、互不影響的。

     

    Fukuoka認為Navl.3表達的改變,可能是損傷神經元在損傷修復過程中,神經元本身適應性改變的一部分,與GDNF的應用并無直接關系,此觀點與Boucher的觀點相反。因此對于GDNF的鎮痛機制是否涉及下調Navl.3表達以及通過何種機制以影響仍有待進一步實驗發現及證實。

     

    2)通過降低星形膠質細胞的活化

     

    星形膠質細胞是中樞神經系統中分布廣泛、數量眾多的一類膠質細胞,其參與神經病理性疼痛的傳導及調控已經在各類神經病理性疼痛模型中被證實。星形膠質細胞激活可以產生多種神經活性物質,如白介素1、6interleukin-1,IL-1、interleukin-6,IL-6)、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-ɑ,TNF-ɑ)、前列腺素、興奮性氨基酸等。這些神經活性物質不僅可以通過提高初級傳入神經元周圍的致痛物質產生疼痛持續狀態及外周敏化,還可以直接激活鄰近的損傷和未損傷的感覺神經纖維產生疼痛擴大狀態。

     

    作為星形膠質細胞的特征性標志物,膠質原纖維酸蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)表達水平往往用來間接反應星形膠質細胞的活化程度。Guo等將大鼠隨機分為對照組、假手術組、SNL組、GDNF治療組,SNLGFAP表達水平明顯高于對照組及假手術組,GDNF治療組GFAP表達水平顯著低于SNL組。由此可以得出結論,鞘內注射GDNF可以降低GFAP表達水平,且GDNF的鎮痛機制可能涉及到降低星形膠質細胞的活化水平。通過調控星形膠質細胞的活化來治療NP是目前的研究熱點,GDNF可以調控星形膠質細胞的活化但是其具體的機制仍需進一步研究。

     

    3)通過增加生長抑素的表達

     

    生長抑素是一種抑制性的神經遞質,其可以通過抑制外周神經損傷導致神經元異常放電而產生鎮痛效應。Charbel等將成年大鼠分為對照組與GDNF組,GDNF組連續鞘內注射GDNF13天,對照組鞘內注射含0.1%血清白蛋白的生理鹽水。結果發現,GDNF組脊髓背角中可釋放生長抑素的神經元的數量明顯高于對照組。在另一項研究中,Dong等利用反寡義核苷酸技術降低脊髓背角GFRα-1的表達,進而阻斷了GDNF經典的信號傳導通路。結果,隨著脊髓背角GFRα-1的表達的降低,生長抑素表達水平同樣下降。由此可以看出,GDNF可以增加脊髓背角的生長抑素的表達,這可能是GDNF治療NP的機制之一。

     

    4)通過降低MAPK家族磷酸化水平

     

    MAPK家族有三個主要成員:細胞外信號調節激酶(extracellular signal regulated kinase,ERK)、p38、C-JunN-末端激酶(c-JunN-terminal kinase,JNK)。MAPK信號通路的激活可以使傷害感受性神經產生可塑性變化,而神經系統的重塑在神經病理性疼痛的發生、發展中起著至關重要的作用,故MAPK家族的磷酸化是神經病理性疼痛產生及維持的重要條件。賈東林等發現大鼠CCI模型脊髓中高表達的p38MAPK蛋白可以被鞘內注射的GDNF抑制,從而緩解了神經病理性疼痛。一項類似的研究中,袁佳等用Westernblot法測定大鼠脊髓的磷酸化JNKp-JNK)蛋白和磷酸化ERKp-ERK)蛋白的表達水平發現鞘內注射GDNF大鼠脊髓的p-JNKp-ERK表達水平較CCI模型組顯著下降。同時,高圓圓等研究也證實了GDNF可以通過抑制脊髓背角ERK活化的接頭蛋白Shc進而抑制ERK的磷酸化。

     

    總而言之,GDNF可以通過降低MAPK家族的磷酸化來減少傷害感受性神經產生可塑性變化,減弱脊髓背角的中樞敏化。以上研究為GDNF的鎮痛機制提供了新的理解,但是仍然需要更深一步的研究探索GDNF是通過何種路徑來影響MAPK家族表達水平的。

     

    5)通過激活腦干下行抑制系統

     

    腦干下行抑制系統是由腦干的網狀結構發出下行神經纖維,終止于脊髓背角。通過釋放各類神經遞質與脊髓背角上的受體結合,對脊髓所上傳的外周傷害性刺激信號產生抑制。下行抑制系統發揮疼痛抑制作用主要通過5-羥色胺能下行投射系統、多巴胺能下行投射系統及腎上腺素能下行投射系統。藍斑核是下行腎上腺素能通路的起點之一,是腦中合成去甲腎上腺素的主要部位。對于激活下行腎上腺素抑制通路產生外周鎮痛效應已經被廣泛證實。為了研究GDNF對下行抑制系統的影響,Kimura等發現連續將GDNF注射到藍斑3天可以顯著緩解CCI大鼠的機械痛敏和熱痛敏,其鎮痛作用可以持續3天之久。并且,作者還發現GDNF的這種鎮痛效應可以被選擇性ɑ2受體阻斷劑育亨賓所抑制。因此作者認為GDNF可以通過激活腎上腺素能下行抑制通路這一途徑對NP產生鎮痛作用。除此之外,其他的一些研究也表明,GDNF可以影響藍斑去甲腎上腺素神經元的功能??偠灾?,GDNF可以激活腎上腺素能下行抑制系統發揮鎮痛效應,但是其對其他的下行抑制通路是否有影響有待國內外學者進行相關研究。

     

    6)通過抑制脊髓背角結構重組:感覺神經元的傷害性感受器中樞端終止于背角最表層的板層,而正?;顒铀せ畹牡烷撝档母杏X纖維終止于背角深層的板層。當初級傳入纖維損傷后,有髓的A類纖維末梢長芽增多,從深層的非疼痛刺激的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ層向涉及疼痛刺激信息的Ⅰ、Ⅱ層轉移,重新分布于較淺的板層。而這種結構重組是A類纖維介導疼痛的基礎,是NP的機制之一。Bennett等發現鞘內注射GDNF可以抑制大鼠坐骨神經部分結扎后A類纖維向脊髓背角Ⅱ層長芽,通過此機制,一定程度上減輕坐骨神經結扎所造成的神經病理性疼痛。雖然有研究認為這種長芽結構重組現象在神經病理性疼痛的發生中所發揮的作用是有限的,但是卻是不容忽視的。因此,GDNF抑制脊髓背角的結構重組可能是GDNF的減輕NP的機制之一。

     

    3.GDNF的臨床應用研究

     

    GDNF在動物實驗中的鎮痛作用已經被廣泛證實,并且隨著其鎮痛機制的不斷闡明,如何將這些基礎實驗轉化為臨床試驗用于神經病理性疼痛的治療成為國內外學者研究的熱點。目前來說,應用GDNF治療神經病理性疼痛有兩條途徑:提高內源性GDNF的表達和給予外源性GDNF及相關分子。到目前為止GDNF配體家族包括四個成員:GDNF、NeurtuinNRTN)、ArteminARTN)、persephinPSPN)。它們分別與GDNF受體家族的GFRα-1、GFRα-2、GFRα-3、GFRα-4結合進而發揮其生物學效應。

     

    GFRα-3主要表達于背根神經節的傷害感受性神經元中,這種限制性的表達可以使病人在臨床上全身應用以GFRα-3為靶點的相關藥物,而沒有全身性應用GDNF引起的異常疼痛、體重減輕、排便緊迫感及感覺異常等副作用。作為GDNF配體家族中的一員,ARTNBG00010)與GFRα-3的特異性結合減輕NP已經在SNI、CCI等動物模型中被證實。作為臨床一期研究,Okkerse等進行了隨機、雙盲、安慰劑對照的小樣本實驗,將ARTNBG00010)靜脈給予坐骨神經痛病人可以明顯減輕其癥狀,且并沒有嚴重的不良事件發生。無論是靜脈還是皮下給予ARTNBG00010)均可引起不同程度的皮膚瘙癢、輕微頭痛,且皮下注射較靜脈注射嚴重,但是其引起瘙癢的機制仍不明確,故在大規模的臨床應用前,對于這種外源性GDNF配體的安全性仍是一個需要進一步研究的問題。

     

    對于調整內源性的GDNF表達治療神經病理性疼痛目前仍處于起步階段。作為基因治療的載體,腺病毒載體及慢病毒載體逐漸進入了人們的視線。慢病毒載體可以將外源性的基因成功地整合到宿主的染色體上,使外源性基因在宿主體內持續地表達。Takasu等發現將GDNF慢病毒載體注入大鼠的L4-5脊髓背角及背根神經節后,脊髓背角及背根神經節的GDNF的表達量明顯升高。丁卓峰等的研究同樣證明運用GDNF慢病毒載體可以使脊髓GDNF過表達。在另一項研究中,張民晧等發現將可以分泌GDNF的神經干細胞(neural stem cells,NSC)移植入大鼠鞘內同樣可以明顯提高大鼠脊髓背角及背根神經節的表達量。

     

    除此之外,對于一些疼痛介入治療如脈沖射頻、電針也同樣可以提高脊髓背角及背根神經節的GDNF的表達量而對NP產生鎮痛作用。盡管將GDNF的相關藥物應用于NP的治療任重道遠,但隨著其臨床應用研究的不斷深入,GDNF相關的藥物及治療方法有望給NP病人帶來希望。

     

    4.總結與展望

     

    GDNF作為一種對NP有著強大鎮痛作用的神經營養因子,其鎮痛效果已經在部分動物神經病理性疼痛模型中被證實,但是對于大鼠帶狀皰疹后神經痛、繼發性三叉神經痛等神經病理性疼痛模型是否有效仍是不得而知,需要我們進一步驗證。盡管GDNF鎮痛機制仍不十分明確,但是其對于NP的調控作用已經被大量的動物實驗證實,而如何將這些動物實驗安全有效地轉化為臨床藥物或者治療手段是學者以后研究的重點。隨著研究的不斷深入,GDNF鎮痛機制的將不斷闡明,其對于NP治療的理論基礎也會不斷完善。因此,針對GDNF及其相關分子的藥物或治療手段在NP的治療中有著廣闊的發展空間。

     

    來源:王曉東,薛朝霞.膠質細胞源性神經營養因子在神經病理性疼痛中的研究進展[J].中國疼痛醫學雜志.

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