线粒体功能障碍对神经病理性疼痛的影响及其机制的研究进展

1、线粒体功能障碍对神经病理性疼痛的影响及其机制的研究进展国际疼痛研究协会将神经病理性疼痛定义为由躯体感觉神经系统疾病或损伤所引起的疼痛。目前的治疗策略主要针对缓解症状，然而治疗神经病理性疼痛的一线药物（抗惊厥药与抗抑郁药）也只取得了有限的效果，或者存在试验结果的矛盾，并且往往会带来难以忍受的副作用。选择性去甲肾上腺素再摄取抑制剂度洛西汀、文辛法拉在随机、安慰剂对照的3期临床试验显示，可改善化疗（奥沙利铂或紫杉醇）诱导的神经性疼痛。尽管如此，度洛西汀在其他类型的神经病理性疼痛中却无明确研究，而文拉法辛在带状疱疹后神经痛治疗中无明显效果。抗惊厥药加巴喷丁在3期双盲随机对照实验中没有被证明有效。所以寻

2、求新思路以预防或逆转神经病理性疼痛是必要的，这需要深入了解神经病理性疼痛的机制，研究新型靶向药物。线粒体作为细胞活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS）的来源，对细胞氧化应激和随后的炎症信号转导具有调节作用。除此之外，线粒体还在调节细胞凋亡和生物能量代谢中起关键作用。各种病因损伤躯体感觉神经系统时，外周神经元线粒体发生功能障碍，进而参与神经病理性疼痛的发生、发展。因此，保护线粒体功能将是缓解或预防神经病理性疼痛的有效策略。1.线粒体功能障碍对神经病理性疼痛的影响感觉神经损伤可由系统性疾病、毒物损伤或者直接伤害性刺激造成，如糖尿病、癌症、创伤、神经系统相关病变和某些药物的摄入

3、。线粒体在细胞生理和病理过程中具有重要的作用，以下内容旨在阐述周围神经损伤时其线粒体的改变。1.1线粒体功能障碍与糖尿病性神经病理性疼痛神经病理性疼痛是糖尿病患者最常见的慢性并发症之一，具有典型的病理性疼痛症状，包括感觉异常、痛觉过敏等，严重者可有下肢关节病及溃疡形成。多项证据表明，高血糖可以引起线粒体结构、功能和动力学发生损害。Humble发现，糖尿病神经病变动物模型中的线粒体功能障碍与神经类固醇合成的减少有关。另外，神经细胞糖超载使线粒体过度产生ROS，抗氧化因子过度消耗，氧化应激水平增高，线粒体氧化损伤导致促凋亡介质释放增多，损伤电子传递链，最终导致与糖尿病神经病理性疼痛相关的细胞凋亡和

4、能量生成障碍。高血糖除了导致线粒体能量生成障碍，还可引起线粒体融合功能受损、过度分裂、线粒体自噬功能障碍、轴突的线粒体运输异常等，从而引起感觉神经系统损伤，发展为糖尿病性神经病理性疼痛。1.2线粒体功能障碍与化疗药物所致的神经病理性疼痛化疗药物可导致周围神经病变，临床上常以手足部感觉异常和脚踩棉花感为最初表现。在化疗结束后多不可逆转，长期的痛苦严重损害患者的生存质量。经典的化疗药物包括：紫杉醇、长春新碱、铂类。这些药物通过不同的机制损伤周围神经导致疼痛，氧化应激和线粒体功能障碍被认为在周围神经病变中起主要作用。紫杉醇化疗术后的乳腺癌患者常陷于神经病理性疼痛的困扰中，研究发现其外周神经元线粒体肿

5、胀空泡化、ROS增多、铁失衡、线粒体分裂功能障碍。长春新碱治疗后细胞内超氧化物增加、诱导型一氧化氮合酶表达增强、亚硝酸盐生成增多，使DNA损伤和DNA修复酶功能障碍，并激活线粒体介导的细胞凋亡通路，最终导致神经退行性变。铂类化合物通过与核DNA和线粒体DNA结合形成铂-DNA复合物破坏正常的DNA结构，产生ROS。近年来分子研究发现，线粒体膜电位水平降低也参与了神经病理性疼痛的发病机制。1.3线粒体功能障碍与创伤后神经病理性疼痛神经损伤可以由外伤或者手术直接导致。在损伤神经附近，胶质细胞过度激活，上调细胞外调节蛋白激酶、NF-B、应激活化蛋白激酶等信号通路，这些因子是导致细胞氧化应激、神经细胞

6、炎症反应、细胞凋亡的关键介质。NF-B诱发一氧化氮合成，TNF-、IL-1、IL-6炎性因子释放增多，从而导致氧化剂损伤线粒体。2.线粒体功能障碍与神经病理性疼痛的机制线粒体具有能量生成、ROS代谢、参与细胞凋亡、Ca2+摄取、自噬的功能。线粒体膜通透性转换孔（mitochondrialpermeabilitytransitionpore,mPTP）在神经病理性疼痛中也有重要作用。当线粒体因长期高血糖、化疗、创伤等因素发生功能紊乱时，机体的神经细胞在大量能量的需求下更容易受到损伤。以下将从线粒体的功能角度阐述线粒体功能障碍与神经病理性疼痛的关系。2.1线粒体功能障碍与细胞能量生成线粒体通过三羧

7、酸循环和线粒体电子传递链这两个密切联系的酶反应系统产生细胞能量货币ATP，ATP不仅为细胞提供能量，在细胞间也可作为信号分子通过激活嘌呤能受体调控细胞生理、细胞间的连接与细胞的运动。小胶质细胞广泛存在于神经系统，在对周围神经损伤的反应中，小胶质细胞内编码嘌呤能受体（如P2X4R、P2Y12R）的基因显著上调，以及增加囊泡核苷酸转运体（vesicularnucleotidetransporter,VNUT）的表达。脊髓背角神经元以VNUT依赖的方式释放细胞外ATP。在ATP的刺激下，小胶质细胞通过嘌呤能受体参与的信号通路引起背角神经元痛觉网络中的异常传递。这些病理改变导致痛觉网络将无害信号误认为

8、伤害性信号输出。脊髓P2X4R或P2Y12R的药物抑制剂可迅速逆转周围神经损伤诱导的痛觉过敏。例如氯膦酸盐（一种抗骨质疏松药）现被发现是一种高选择性的VNUT抑制剂，能抑制神经元内囊泡释放ATP，减少嘌呤能受体参与的慢性神经病理性疼痛和炎性痛。2.2线粒体功能障碍与细胞异常活性氧代谢生理情况下氧化剂与抗氧化剂处于动态平衡，当ROS产生过多，清除机制受损，则会导致机体过度氧化应激。ROS过量产生会对机体生存的关键细胞组分（如脂质、蛋白质和DNA）产生直接的氧化作用，因此ROS与细胞损伤、坏死、凋亡密切相关。ROS水平的升高会引起脊髓背角中枢敏化；ROS可以激活胶质细胞，进而引起机械痛敏，增强杏仁

9、核神经元的兴奋性并引起疼痛。phenylN-tert-bu-tylnitron（PBN）、4-hydroxy-2，2，6，6-tetramethylpiperi-dine1-oxyl（TEMPOL）作为ROS清除剂被证实可以有效缓解动物模型的神经病理性疼痛。另外，ROS作用于信号转导通路：氧化应激产生的大量ROS通过第二信使系统（丝裂原活化蛋白激酶、NF-B）和第二信使分子（蛋白激酶A和蛋白激酶C、一氧化氮）加剧慢性疼痛的进展。2.3线粒体功能障碍与膜通透性转换孔功能异常mPTP是存在于线粒体内外膜之间的一组蛋白复合体，是一种非特异性通道。其开放会导致线粒体肿胀、释放细胞色素C，从而启动细胞凋

10、亡。神经保护剂环孢霉素A可以抑制mPTP的开放，从而减少脊髓水平细胞色素C的释放，有效减轻坐骨神经结扎小鼠的神经病理性疼痛。2.4线粒体功能障碍与细胞凋亡通路线粒体功能障碍使氧化剂与抗氧化剂失衡，过量的ROS激活丝裂原活化蛋白激酶通路，最终导致程序性细胞死亡。另外，ROS含量增加会导致mPTP不可逆开放，释放细胞色素C和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3，进而启动细胞凋亡程序。在大鼠坐骨神经受压构建的神经病理性疼痛模型中发现，神经性疼痛与脊髓背角线粒体凋亡通路关键蛋白激活引起的-氨基丁酸能神经元凋亡增加有关。高压氧可通过减少-氨基丁酸能神经元凋亡减轻疼痛。2.5线粒体功能障碍与Ca2+异常摄取

11、线粒体Ca2+单向转运体被认为是Ca2+进入线粒体的主要途径，而Na+/Ca2+双向交换转运体则将Ca2+转运出线粒体。因此，线粒体在维持细胞内Ca2+稳态方面具有重要价值。结合电生理学研究方法研究轴突末梢线粒体内Ca2+浓度（Ca2+mt）和胞质内Ca2+浓度（Ca2+c）发现，无论是应用辣椒素还是内源性的辣椒素瞬时受体型电位通道（transientre-ceptorpotentialvanilloid1,TRPV1）激动剂，均可诱导突触前Ca2+c的长时程升高，并伴随感觉神经元突触内谷氨酸释放的增多。这种反应的启动需要Ca2+进入，主要由TRPV1所介导。TRPV1是初级感觉神经元中传递伤

12、害性感受的关键分子，这些伤害性刺激包括毒物、内源性辣椒素和炎性介质。TRPV1激动剂的浓度决定突触前Ca2+mt的持续时间和Ca2+c信号的持续时间，从而决定突触后神经元谷氨酸释放、动作电位激发的时间。这些数据表明，线粒体通过将突触前TRPV1所接受的伤害性刺激转化为突触前Ca2+mt的持续时间和Ca2+c信号的持续时间，从而影响突触后反应的持续时间，以此控制由辣椒素等伤害性刺激产生的神经传递。2.6线粒体功能障碍与细胞自噬自噬是一个进化上保守的过程，它将细胞质隔离以进行溶酶体依赖性降解。在神经系统中，自噬对神经元稳态至关重要，其对于中枢神经系统中突触维持和可塑性是必需的。在神经病理性疼痛模型

13、中，脊髓神经元、小胶质细胞和星形胶质细胞中的线粒体ROS水平升高。已经证明ROS可以正向和负向调节自噬，这取决于ROS水平和产生背景。通常在氧化应激状态下，自噬可降低ROS浓度和氧化损伤的发生率，从而使细胞维持能量平衡，并继续产生细胞生存所需的分子。然而，ROS的过度增加将线粒体的角色从诱导自噬转变为诱导有丝分裂，即线粒体被移除的过程被逆转。这抑制了自噬的抗氧化作用，从而加速了细胞的死亡。瑞芬太尼对H2O2诱导的氧化应激具有抗氧化作用，研究发现此机制是线粒体的自噬功能所介导的；而长期使用吗啡造成的耐受问题与吗啡诱导脊髓神经元中PTEN诱导激酶（PTENinducedputativekinase

14、1,PINK1）/Parkin介导的线粒体的自噬功能障碍有关。3.线粒体靶向治疗神经病理性疼痛的现状3.1线粒体靶向抗氧化剂治疗疼痛目前线粒体靶向治疗中应用最广泛的是通过抗氧化剂来降低线粒体氧化应激损伤。有3种思路可供选择：连接亲脂阳离子。三苯基膦酸盐（TPP+）是一种阳离子亲脂分子，可以将与TPP+结合的抗氧化剂（如硫辛酸、泛醌、维生素E）成功地传递到线粒体中，发挥抗氧化作用。线粒体靶向抗氧化剂Mito-TEMPO（MT）是三苯基膦（triphenylphosphonium,TPP）缀合的氮氧化物，通过清除超氧化物来保护线粒体功能可以有效减轻小鼠慢性神经压迫性损伤造成的神经病理性疼痛。维生素

15、E在体外可抑制紫杉醇诱导的氧化应激和线粒体损伤，在大鼠疼痛模型中可抑制紫杉醇诱导的机械过敏。肽类线粒体靶向抗氧化剂。这种肽类包含阳离子和疏水烷基或氨基酸残基，它们可被细胞线粒体吸收，与TPP+作用相似，克服了传统抗氧化剂不能在线粒体内特异性聚集的问题。SS（Szeto-Schiller）肽是线粒体靶向肽，靶向集中在线粒体内膜电子传递链和ROS产生位点，因此可保护线粒体呼吸功能的完整性，有效逆转铂类化疗药物诱导的神经病理性疼痛的发生、发展。新型阿片类药物Dmt1DALDA（H-Dmt-dArg-Phe-Lys-NH2，Dmt=2，6-二甲基酪氨酸）不仅是一种强效的受体激动剂，更由于其特殊的氨基酸

16、序列结构可自由穿过细胞膜，进入线粒体，运用其N-末端Dmt残基的抗氧化部分，有效清除ROS，维护线粒体功能，多机制镇痛。线粒体敏感肽如谷胱甘肽（glutathione,GSH）。Yeo等在通过缺血/再灌注模型构建大鼠慢性疼痛模型的实验中，于灌注前给予GSH，结果显示GSH剂量依赖性抑制机械痛和抑制GluN1脊髓磷酸化。实验证实地佐辛可以提高脊髓损伤大鼠脊髓中线粒体内还原型谷胱甘肽的量，从而阻止了过度的氧化应激，保持酶活性、抑制线粒体通透性的改变、维持线粒体功能，达到良好的镇痛效果。尚有从基因角度改善细胞氧化应激的新思路。过氧化物酶体增殖物激活受体-辅助激活因子-1是维持线粒体功能的重要转录因子

17、，它可增强三羧酸循环相关酶、通过核呼吸因子-1介导脂肪酸氧化，从而增加细胞的能量供应，还可促进几种抗氧化剂的生成（如GSH、超氧化物歧化酶等），减少氧化应激对细胞的损伤。3.2自噬的靶向调节剂治疗神经病理性疼痛有效的自我清除在维持线粒体功能方面具有重要意义，涉及到自噬通路的相关研究中较明确的包括：雷帕霉素，一种强效自噬诱导剂，动物试验证实可用于治疗外周神经损伤所致的神经病理性疼痛。RNA制剂，微RNA调节基因表达并促进小胶质细胞激活，脊髓小胶质细胞激活和促炎细胞因子的产生有助于在外周神经损伤后神经病理性疼痛的发展。褪黑素，一种有效的抗氧化剂，腹腔注射通过增加外周神经和背根神经节中的自噬途径显著

18、减轻奥沙利铂诱导的神经病理性疼痛。3.3其他线粒体电子传递链由5种酶复合体构成，是电子传递与ATP生成的重要结构。有研究表明，分别应用复合物的抑制可以有效改善由化疗药物引起的神经病理性疼痛以及由TNF-、前列腺素等炎症因子介导的炎性痛。并且发现不同复合物的抑制剂对不同类型的疼痛模型存在差异。Chu等观察到，在足底注射神经生长因子构建的小鼠神经病理性疼痛的模型中，鱼藤酮（复合体的特异性抑制剂）、寡霉素（复合体的特异性抑制剂）可以减轻神经生长因子诱导的机械痛敏现象。但是，这与鱼藤酮诱导线粒体功能障碍、氧化应激和凋亡存在矛盾。通过调节mPTP来防止神经元凋亡是思路之一。mPTP是由不同蛋白质亚基组成的线粒体膜中的一种蛋白质复合物。蛋白质组分的改变可以改变mPTP的动力学。电压依赖性