伤害性感受器一种多模式神经生理机制

伤害性感受器一种多模式神经生理机制

疼痛是大多数疾病的共同症状。它不仅给数千名患者带来了巨大的痛苦，也给医生、科学家和整个社会带来了巨大的挑战。近年来,随着相关学科的不断发展,人们对疼痛的研究不断深入,目前已经进入细胞水平和分子水平,虽然距离彻底根治疼痛的要求还很遥远,但已经开始渐露曙光。1伤害性神经元的识别由于疼痛具有十分明显的主观意识成分,并且每个人的意识又不可能完全相同,这就给研究疼痛的生理学机制造成了极大的困难,所以Sherrington提出了伤害性刺激(nociceptivestimulus)和伤害性感受器(nociceptor)的概念。这个概念逐步被许多专家和学者所接受,使用得也越来越频繁,其外延也扩大到伤害性神经元、伤害性信息以及伤害性感觉机制等。判定一个神经元是否为伤害性神经元必须满足以下几个条件:是否对伤害性刺激和非伤害性刺激均有反应,是否对刺激强弱有识别编码能力,是否随着伤害性刺激强度的变化而改变其放电频率;而判定伤害性神经元是否为与疼痛传递相关的痛觉神经元,则必须满足以下几个条件:该神经元是否存在于痛觉传递有关的神经解剖通路中;其兴奋性是否与痛觉强度的增减相平行;刺激与其相同性质的神经元群是否可以引起疼痛或与疼痛相关的行为。伤害性感受器通常是指接受躯体和内脏伤害性刺激的第一级神经元。它们大多数是分布在无毛或有毛皮肤、肌肉、关节和内脏器官的游离神经末梢,少部分带有附属结构。目前已经确定的伤害性感受器主要有以下3类:(1)与C纤维有关的机械-热伤害性感受器,这种感受器对高强度的机械、物理(冷)或化学刺激也发生反应,又称为多模式伤害性感受器(polymodalnociceptor),传导速度为小于2m/s。(2)与A纤维有关的机械-热伤害性感受器,此种感受器又分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型的阈值高,传导速度为30m/s;Ⅱ型的适应性快,传导速度为15m/s。(3)非机械伤害性感受器,大多是位于关节部位,正常时对机械性刺激不敏感,有炎症时对机械性刺激发生反应。最近,一些学者还发现了一种在正常情况下是处于“静息”状态的C纤维,但在病理情况下对伤害性刺激发生反应,从而推测它可能参与介导病理性痛觉信息。伤害性感受器一般是由伤害性脊神经节(dorsalrootganglion,DRG)神经元发出,这种伤害性DRG神经元的动作电位具有鲜明的特征:即在动作电位的下降支有一“驼峰”,这是Ca2+缓慢内流所致,也是判断一个神经元是否为伤害性神经元的重要依据。2特殊功能的神经元/传导束伤害性感觉的外周传入纤维有两类:Aδ纤维和C纤维,Aδ纤维传导快痛,C纤维传导慢痛。Aδ纤维主要与机械痛有关,C纤维主要与热痛有关,并且与痛觉过敏有关。近年来发现,Aβ纤维也参与痛觉的传入,但是其传导速度及潜伏期并无明显改变。研究表明,交感神经不但有痛觉传入纤维,而且对痛觉过敏的形成具有明显影响,切除或药物阻断交感神经,可减少或消除痛觉过敏的发生;正常大鼠单纯切除交感神经节后纤维,又可引发机械性痛觉过敏,但对热痛觉过敏则无明显影响。从形态学上看,DRG神经元分为两大类:大而亮的细胞和小而暗的细胞,后者的轴突为无髓或薄髓,可能与伤害性感觉有关。免疫组化方法可发现DRG中含有很多种神经肽,相当一部分神经元共存于同一神经元中。除此之外,还含有一些酶类、非肽类和非酶类标志物以及一些受体物质。通过对DRG神经元的各种研究,如采用放射自显影配体结合定位法、免疫细胞化学和原位分子杂交组织化学等技术,可以逐步阐明神经系统内受体及其亚单位的分布状况。这是搞清脊髓中各种神经递质与受体的分布、来源等情况,揭示脊髓痛觉信息传递和胞内信号转导的重要一环。在贝尔-马让定律(Bell-MagendieLaw)被发现之后,人们逐渐认识到了脊神经后根、脊髓后角在伤害性信息传递中的重要作用。Rexed应用Nissl染色将猫的脊髓横断面灰质从后到前依次分为十层,使人们可以逐层地研究脊髓后角脊髓后角最显著的一个形态学特点是含有种类丰富和数量众多的神经活性物质和受体,这些物质和受体主要是密集分布在脊髓后角浅层(板层Ⅰ-Ⅱ),而其他层分布较少,这说明了初级传入神经元的中枢突在此汇聚,实现伤害性信息的传入和整合等功能。伤害性信号的上行传导通路主要有以下几条:脊髓丘脑束、脊髓网状束、脊髓中脑束、脊髓臂旁杏仁体传导束、脊髓臂旁下丘脑束、脊髓下丘脑束、脊颈丘脑束、突触后背索丘脑投射通路。这些传导束大多起自脊髓后角,传导伤害性信息。大部分的上行性纤维终止于脑干网状结构。丘脑内有三组核群与痛觉有关:丘脑腹侧基底复合体、后核群和内侧核群。大脑皮质的第二体感区与痛觉有很大关系,并且可引起情绪反应等。神经系统的下行性抑制系统(长反馈)主要有缝际脊髓系统(递质为5-HT)和背侧网脊系统(递质可能α-肾上腺素能的),在脊髓后角第Ⅱ板层尚有GABA抑制系统(短反馈),这些系统通过突触前或突触后抑制对痛觉传入进行调制。在脊髓后角,板层Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ～Ⅵ与疼痛关系密切,板层Ⅰ、Ⅱ对Aδ和C纤维的刺激发生反应,板层Ⅳ～Ⅵ与中枢敏感性增高有关,内含低阈值机械感受性(low-thresholdmechanoreceptive,LTM)神经元、广动力范围神经元(wide-dynamicrangeneuron,WDR)、特异伤害性神经元(nociceptivespecificneuron,NS)。这三种神经元在功能上有一定的重叠性,但又不完全相同,近年来研究发现这几种神经元可能与继发性痛觉过敏、牵涉痛等现象有关,并且有大量研究证明这些现象还可能与NMDA受体的兴奋有关。脑干中缝大核群内的神经元分泌5-HT,巨细胞核可能与内源性阿片镇痛关系密切;边缘系统的海马能抑制内侧核群的细胞放电并提高痛阈。但总的来讲,由于丘脑以上部位结构复杂,许多部位都与疼痛有关,并且常常伴有情感、情绪等高级神经活动目前研究难度较大,这些结构参与疼痛传导及调制的方式和机制尚不清楚。3疼痛与神经释放3.1脑桥脑内(1)乙酰胆碱(acetylcholine,Ach)是最古老的神经递质,随着一系列新的致痛物质的出现,其“重要性”正逐渐减小,Ach仅在浓度(10-3～10-4g/ml)远远高于正常组织浓度时才引起明显的疼痛。(2)去甲肾上腺素(noradrenaline,NE)中枢的NE神经元主要是集中分布在延脑和脑桥,其投射纤维上可达全脑,下可与脊髓胶质细胞发生联系,支配范围很广。脑内NE神经元的功能不在于传达特异性信息,而是创造一种有利于中枢内某些神经活动的背景。其上行投射能拮抗吗啡的镇痛作用,而下行通路则有镇痛作用。(3)多巴胺(dopamine,DA)主要是存在于纹状体内,以尾核和壳核的含量最高。中枢DA递质主要包括黑质-纹状体、结节-漏斗和中脑边缘系统三个部分。它可使脑电出现低幅度快波,表现为兴奋。在促进兴奋的同时,有拮抗镇痛作用。并且与吗啡具有协同作用。(4)5-羟色胺(serotonin,5-HT)是由色氨酸经色氨酸羟化酶和5-羟色氨酸脱羧酶作用生成,又称血清紧张素,脑内由中缝大核群产生,在中枢起镇痛作用,是下行性抑制系统的重要递质,可直接到达脊髓后角,抑制伤害性感受信息的传入,为内源性镇痛系统的重要组成部分。虽然5-HT起效慢,但是其作用时间持久。5-HT在外周致痛,并且外周的5-HT难于通过血-脑脊液屏障。在吗啡镇痛中具有重要作用,可提高痛阈和加强吗啡镇痛作用,是针刺镇痛的主要递质。3.2药物与神经元的关系包括兴奋性和抑制性氨基酸两类,兴奋性氨基酸主要包括谷氨酸和天门冬氨酸,对疼痛起易化作用,并与痛觉过敏有关;抑制性氨基酸包括甘氨酸和γ-氨基丁酸,对疼痛进行调制。(1)谷氨酸(glutamate)在中枢神经内含量最高的一种氨基酸,大脑皮质、尾核、小脑和海马中含量最多,脊髓中较低,但又特异分布,脊神经后根含量高于前根,在周围神经纤维中含量也很高,作用快而短,可被P物质(substanceP,SP)和降钙素基因相关肽(calcitoningene-relatedpeptide,CGRP)增强,而辣椒素则阻断其作用,可能是初级传入神经元兴奋性递质,并可能与SP在同一类神经元细胞内,同时释放。(2)天门冬氨酸其分布遍及中枢神经系统,以脊髓灰质内含量最高,兴奋NMDA受体,增加中枢敏感性,与继发性痛觉过敏关系密切,可能是多突触反射中间神经元的兴奋性递质。药物阻断NMDA受体能阻止炎症或损伤所诱发的痛觉过敏发生,并可减少已经形成痛觉过敏的神经元放电。(3)甘氨酸似乎存在于体内所有的组织内,但目前认为脊髓和脑干的甘氨酸具有神经递质功能,脊髓前角含量最高,而后根和前根中含量极小,可能是脊髓中间神经元的抑制性递质,产生突触后抑制,对脑神经元无作用,在脊髓中与GABA共存。(4)γ-氨基丁酸(gama-aminobutyricacid,GABA)是中枢神经元主要的抑制性氨基酸,脑内含量极高,微电泳注射到中枢各部位均可产生明显的抑制效应。脊髓后角浅层存在有富含GABA的中间神经元,它们以突触前或突触后的形式抑制疼痛信息的传入,当其功能降低时,反可增强针刺镇痛效应。一般认为,GABA神经元的功能状态与初级传入粗纤维有密切关系,但最近有人发现,炎症引起GABA神经元数量增多,神经切断或辣椒素处理后其数量又可下降,提示辣椒素敏感性C纤维活动增强也可使GABA上调。3.3sp及其受体(1)阿片肽(opioid)是最重要的内源性痛觉调节递质。目前已发现十几种内源性阿片肽,其中β-内啡肽镇痛作用最强,是吗啡的18～33倍,而甲硫脑啡肽的作用极弱。中枢神经系统中阿片受体的分布与脑内电刺激引起的镇痛有效区相一致,与疼痛与镇痛的通路也一致。其镇痛效应可能与兴奋κ受体有关,但对其镇痛部位及传导途径尚未完全了解。(2)P物质SP是第1个被发现的神经肽,属速激肽(TK)族,含11个氨基酸,分子量为1348。广泛分布于中枢神经系统、周围神经系统和某些组织中;在中枢,脊髓后角黑质、下丘脑、海马、嗅球等部位都富含SP。在外周,主要存在于C纤维终末和小型DRG细胞内,参与疼痛和痛觉过敏的产生,是初级传入神经的递质。在脑室内有明显的镇痛作用,鞘内注射SP增加疼痛行为反应,有人认为它也是针刺镇痛时初级传入纤维的主要神经递质,消除其传递信息作用可明显减弱镇痛效应;其从末梢释放后可成为周围性致痛物质,且弥散较远,并参加局部血液调节和神经性炎症的形成,在外周作用于肥大细胞可引起瘙痒。目前人们正在深入研究SP和SP受体之间的关系,已知SP受体于SP的分布不完全相符,也许用SP受体更能标志出神经元的属性,从而更加细致地探讨SP的疼痛调节功能。自从SP及其受体被发现后,在中枢神经系统内发现了一种神经递质的“无线或突触传递”也有人称为“容积传递”的传导方式,这种传递方式对传统神经递质经典的“有线或突触传递”是一个巨大的补充,它解释了为什么有些现象功能上存在,但却无法在形态学上寻到证据。(3)降钙素基因相关肽]CGRP广泛分布于中枢及周围神经系统,在脊髓后角多于前角,脊髓后角浅层分布最多,但深层也存在CGRP免疫反应物,是初级感觉传入神经元的主要递质,主要存在于C纤维上,感觉粗纤维内也存在,并参与机械性痛觉过敏的形成,在外周由DRG合成,在脊髓水平介导痛觉,慢性疼痛时DRG内含量增多,外周释放后可扩张血管,增加血管通透性,血浆蛋白渗出,形成神经性炎症,并可促进SP释放,可明显增强已存在的炎症反应;在脑室内注射可产生镇痛效应,对心血管系统具有较强的作用,对血运皮瓣存活有重要意义。(4)胆囊收缩素(cholecystokinin,CCK)是目前已知脑内含量最高的神经肽,分布在除小脑以外的全部中枢神经系统中。它的存在形式众多,以CCK-8最为重要。CCK可通过兴奋CCKA受体与内源性阿片系统协同抑制伤害性信息传入,而通过CCKB受体抑制内源性阿片的镇痛作用,从而双相调节阿片活动和伤害性信息的传入。(5)血管活性肠肽(vasoactiveintestinepolypeptide,VIP)是一种28肽,广泛存在于神经系统内,其中以大脑皮层含量最高,在神经末梢的含量也很高。它的细胞体主要是位于新皮质层,弓状核中也存在VIP的神经元胞体。其总体效应是降低或减弱高位中枢对疼痛信息的感知。(6)神经生长因子(nervegrowthfactor,NGF)是一族神经细胞存活、生长、发育和分化所必须的因子,对成熟神经元的功能有重要调节作用,也是神经元受到损伤或产生病变时保护其存活和促进其再生的必需因子。最近研究表明,某些NGF在痛觉调制,特别是病理性痛的形成过程中占有重要的地位,目前已经成为临床镇痛药物开发和研制对象。3.4痛觉调制与神经电生理检查的关系随着近年来科学技术的发展,不断有研究发现了一些具有神经递质作用的物质,并且很快成为了研究的热点。(1)辣椒素受体(capsaicinreceptor)辣椒素很早就被广泛地用于辨别C纤维、耗竭C纤维中的SP等神经肽以及在新生大鼠破坏C纤维的实验研究中,但直至1997年,Caterina等才从感觉神经元中克隆出了一种辣椒素受体(vanilloidreceptor1,VRI)。这个受体是一种非选择性阳离子通道,位于C纤维表面,是人们发现的第一个同时感受伤害性温度和化学刺激,并且可能与炎症性和神经源性疼痛均有关的结构,因此引起了疼痛学界的关注。VR1在脑内分布很广,以下丘脑和小脑的含量最高,在DRG中含量也很高。它与痛觉过敏关系甚大,也可引起呼吸麻痹等不良反应。目前人们正在寻找其内源性配体,相信不久的将来,在此会有更大的突破。(2)一氧化氮(nitricoxide,NO)是一种自由基性质的气体,具有一个额外的电子,化学性质活泼。在体内参与多种组织和器官的调节活动,是一种重要的信息物质。研究表明,NO在外周、脊髓和脊髓上三个不同水平参与痛觉调制,它与SP、CGRP、NMDA、cGMP、PGE2、PKA等物质的关系密切,是今年来研究最多的物质。(3)嘌呤类物质腺苷和ATP参与外周和中枢的神经传递过程,属于神经递质类物质。目前已经确定的嘌呤受体有三种:P1、P2和P3。P1主要介导腺苷作用,又可分为A1和A2;P2主要介导腺苷作用;P3同时介导腺苷和ATP作用。研究证明,腺苷在痛觉调制中的作用与作用部位有关,在外周可刺激伤害性感受器,有致痛作用;而在中枢则抑制伤害性神经元的活动,有镇痛作用。另外,其作用的性质还与剂量相关。(4)组胺(histamine)可引起平滑肌收缩,扩张毛细血管,参与炎症反应。脑内含量极高,有三种受体:H1、H2和H3。在一些与痛觉调制关系密切的神经组织内,如中脑中央灰质和脊髓后角都有组胺能纤维和组胺受体的分布。研究表明,小量组胺具有镇痛作用,而大剂量则具有致痛作用,其作用可能是由H2受体所介导。此外,有实验证明吗啡镇痛时伴有中缝背核或中脑中央灰质组胺释放,此时外周注射H2受体阻断剂可阻断吗啡镇痛,说明吗啡的镇痛至少部分是通过中央灰质组胺释放引起的。4疼痛的决定4.1感受器换能作用损伤性刺激直接作用或由于组织破溃释放的致痛物质间接作用于伤害性感受器,通过换能(机制不清)经Aδ和C纤维向脊髓后角传导神经冲动,Aδ纤维主要是终止于板层Ⅰ、Ⅴ,而伤害性感受器的C纤维主要是集中在板层Ⅱ外部。伤害性感受器的功能是把外来的不同能量形式的刺激信号转变成为相应感受器膜上的电变化,即感受器电位或发生器电位,然后再转化为传入纤维上可作为远距离传导的动作电位,此即感受器换能作用,亦称为跨膜信号转导。很久以来,人们一直认为伤害性感受器的结构比较简单,只是将伤害性感觉传入中枢神经系统内。但是,现代研究表明:这种在进化过程中较为原始的伤害性神经元的结构非常复杂,它们可以感受多种可造成组织伤害的外来刺激,而又将组织伤害与可能引起的炎症过程结合起来,并有多种化学物质由受伤害的细胞和感觉神经末梢释放出来,参与疼痛信号的传递;不但如此,它们在自身修复过程中,损伤区和细胞膜上大量堆积的各种离子通道蛋白和受体物质是神经元产生自发性电活动和神经元之间产生混线(cross-talk)现象的基础,自发的非正常生理编码的信息的异位传入电活动可以诱发痛觉过敏(hyperalgesia)、异常性疼痛(allodynia)、自发性痛(spontaneouspain)和感觉倒错(parasthenia)等现象。这些机制的认识无疑为疼痛的治疗开拓了许多新方法。4.2后角的功能假说Aδ和C纤维通过多种方式与脊髓伤害性投射神经元相联系,释放各种痛觉递质如P物质、CGRP和EAA作用于第2级神经元。脊髓内的伤害性投射神经元有两类-特异性和非特异性,特异性伤害神经元主要是分布在脊髓后角浅层,介导快痛;非特异性伤害神经元是通过WDR和一些中间兴奋性神经元共同介导慢痛一些研究表明,脊髓后角的功能不是不变的,它随着环境状态的变化而改变,具有非常强的可塑性。Woolf在1994年根据其多年的研究结果提出了脊髓后角的功能假说,即状态依赖性感觉信息处理假说。这个假说认为脊髓后角在生理或病理的不同状态下有四种不同的信息处理模式。(1)在正常生理状态下(模式Ⅰ)低强度的触压刺激仅能兴奋Aβ机械感受器,这种信息传入脊髓仅产生非伤害性感觉(触压觉);高强度机械、热、或化学刺激兴奋Aδ和C伤害性感受器,传入后产生伤害性感觉(痛觉)。(2)在镇痛状态下(模式Ⅱ)高强度的机械、热、或化学刺激引起的兴奋在脊髓水平受到激活状态下的下行痛抑制系统或节段性抑制系统以及抗伤害药物的抑制而产生镇痛。(3)在组织损伤、炎症等病理状态下(模式Ⅲ)此时脊髓后角感觉信息处理程序发生了质的变化和“错位”。由于上述原因导致外周伤害性感受器的敏感性增强(外周敏感化),首先发生痛觉过敏(原发性)。然后,由因为外周敏感化产生的兴奋性冲动经Aδ和C纤维传入脊髓后角,使中枢痛觉信息传递的神经元的兴奋性增高,产生中枢性痛觉过敏,称为“中枢敏感”。(4)在周围神经损伤的状态下(模式Ⅳ)此种情况与前三种不同,由于周围神经损伤而导致去传入,存在以下两种情况:第一,周围神经损伤导致细胞死亡,跨神经节溃变,使原有脊髓后角的神经突出丢失;第二,周围神经损伤导致脊神经节内初级神经元生长相关蛋白(GAP)表达增加,促使DRG神经元中枢突再生能力增强。这两种结果均导致新的非正常的突触形成,最终脊髓后角没神经元回路发生重建。这个假说的形成,使人们在认识和思考与痛觉相关的问题时有了更广阔的思路,也为疼痛治疗开辟了另一条道路。4.3致病性痛觉剂用量原发性痛觉过敏的形成主要是由于外周组织损伤和炎症均可引起伤害性感受器阈值降低,亦可使一些静息感受器呈兴奋状态,而传入纤维功能的改变及中枢神经系统可塑性的变化均有可能参与其形成。继发性痛觉过敏是由于强烈的伤害性刺激传入脊髓后角,使第2级神经元向上传导痛觉,而且由于大量的初级传入递质的释放,特别是神经肽和EAA的释放,通过NMDA和NK受体以及NO使脊髓后角非特异性投射神经元敏感性增高,这时