术后疼痛分子机理研究进展

王云 岳云

首都医科大学附属北京朝阳医院麻醉科

外科手术引起的组织损伤性疼痛占临床各类急性疼痛的44%，是外科病人最常见的症状，是临床最紧迫和最需要得到治疗的一类疼痛。目前临床上用于治疗手术后急性疼痛的药物主要是阿片类药物、神经传导阻断药如利多卡因以及非甾体类抗炎药等。阿片类药物可引起恶心呕吐、呼吸抑制、瘙痒、尿潴留、痛觉过敏、药物耐受等副作用；神经传导阻断药可引起肢体麻木、抑制肌力恢复，延迟病人下床活动等缺点；而非甾体类药物对胃肠道和凝血功能有明显的影响。这些药物副作用严重影响了术后镇痛药物的疗效发挥，给临床医生的合理用药带来困难和挑战。目前仍有高达70%的手术患者对术后镇痛疗效不满意，相当一部分患者因不能耐受副作用而拒绝和中断镇痛治疗。由于术后镇痛的不完善，有25%～55%的术后急性疼痛转化为慢性疼痛，延续数月或数年，甚至导致残障，给家庭和社会带来严重负担[1]。由于手术后疼痛在病因学上不同于福尔马林或辣椒素注射诱发的炎性疼痛，也不同于神经损伤引起的神经病理性痛，因此术后疼痛对镇痛治疗的反应也不同于炎性疼痛和神经病理性疼痛。例如，术后痛动物模型对脊髓NMDA受体阻断剂、脊髓非NMDA受体阻断剂和脊髓嘌呤受体拮抗剂的反应明显不同于其它模型。因此将术后痛作为不同于神经病理性痛和炎性痛的特殊类型疼痛加以深入研究，揭示其发生发展的机理，并基于其机理发展针对新靶点的新型高效能、低副作用的镇痛药物，对有效地进行围手术期疼痛管理十分必要。

1 术后疼痛动物模型及痛行为

皮肤和深层组织在手术损伤后会发生静息痛和触压痛。为了了解切口痛的机理，Kawamata等将志愿者前臂掌面做一小切口，检测感觉的变化。在这些志愿者中，静息痛在切皮后两小时减轻并消失，而切口处对机械性刺激的痛觉反应仍维持数天（初级机械性痛觉过敏）[2]。Brennan[3]等建立的大鼠足掌面切口痛动物模型已为业内广为认可，该模型是在大鼠的后足爪的掌面做一切口，通常在吸入麻醉剂下无菌消毒后采用皮刀片在后足掌面做一1 cm长纵向切口深及皮下筋膜，起始部位离后跟近端0.5 cm，向脚趾方向延伸，用镊子提起皮下的屈肌并纵向切开，然后将该肌肉送回原位，用尼龙线缝合切口以减少对缝合材料的炎症反应，在术后第二天拆线。从麻醉中苏醒和恢复后，将之放于以前适应的笼子里，再次适应15～20分钟后，就可以进行行为学的检测。

理想的术后疼痛动物模型的疼痛行为应与临床术后疼痛行为的变化相一致。在大鼠足底切口痛模型中，大鼠通常在手术后数天不用术爪负重。可采用基于后爪位置的累计疼痛评分量化这种保护性行为。与炎性疼痛模型相比，除在麻醉苏醒期和恢复早期外，足底切口痛模型大鼠很少出现炎性疼痛大鼠出现的非诱发性患肢退缩抖动、舌舔等行为，表明切口痛刺激在强度上明显低于化学刺激物。累计疼痛评分评价非诱发性疼痛反应，但它也可部分受机械性痛觉敏化的影响。累计疼痛评分与术后患者的静息痛相关。机械刺激切口引起初级机械性痛觉过敏，是初级传入感觉纤维激活所导致的夸大的反应。采用von Frey细丝接触切口处，可对初级机械性痛觉过敏进行量化。von Frey细丝刺激下，手术足的机械退缩阈值中位数从术前的522 mN减少到术后2小时、1、2、3天的25、54、61和119 mN。接下来的3天，阈值进一步向术前值恢复。而假手术组刺激阈值不下降。重要的是，机械刺激退缩阈值的变化相对于累计疼痛评分可维持较长时间，且大鼠患足机械刺激退缩阈值随时间的变化过程与Kawamata等报道的健康志愿者切口痛十分类似。在术后患者或志愿者也可出现静息痛消失而机械刺激性疼痛持续的行为学变化。

使用术后疼痛动物模型比进行临床研究有更多的优点。临床研究主要测量两、三个参数的变化如静息时疼痛评分、活动时疼痛评分和阿片类药物使用量等，与临床研究相比，动物模型的参数如热敏潜伏期和机械性痛觉过敏阈值等更容易控制。研究表明，足底术后疼痛动物模型与临床术后疼痛表现高度相关。临床术后疼痛的症状与动物模型上相应的测量指标的对应关系见表1。

2 术后外周和中枢痛觉敏化

组织损伤可以导致伤害感受系统出现两种反应，即外周敏化和中枢敏化。外周敏化是初级传入纤维的变化引起的，表现为：对刺激反应阈值的下降、对阈上刺激反应增强、自主活动增强、感受野（刺激可诱发传入神经纤维动作电位的区域）的扩大。实验表明外周伤害性感受器很容易对温度刺激产生敏化，然而外周伤害性感受器对机械性刺激的敏化（与手术后机械性痛觉过敏有关）却很难证实。因此，许多学者推测外周敏化可能在术后疼痛的机械性痛觉过敏中不扮演主要角色。外周伤害性刺激的传入能提高中枢神经系统疼痛传递神经元的反应，称为中枢敏化。损伤区域以外的刺激也可诱发脊髓背角的兴奋性反应增加。外周敏化导致初级痛觉过敏，表现为对来自损伤区域的刺激产生夸大的疼痛反应。中枢敏化导致次级痛觉过敏，表现为损伤区域外的刺激也能产生明显的疼痛反应。

2.1 外周痛觉敏化的机理

外周伤害感受器是理想的研究急性疼痛机理的靶点。初级传入纤维的外周敏化的特点是反应阈值的降低、对阈上刺激反应幅度增加和自发活动的增加。有研究记录了支配大鼠后足底面的机械敏感性传入纤维在切开前和切开后45分钟的情况，Aδ纤维在手术后没有敏化，仅仅26%的机械刺激敏感性Aδ纤维和C纤维出现敏化，而41%的机械刺激不敏感性Aδ纤维和C纤维出现敏化[4]。手术切口的另一个主要效应是传入纤维感受野的扩大，尤其是机械刺激不敏感性纤维的感受野。另一项研究中，Pogatzki[5]等研究了支配大鼠后爪无毛皮肤的Aδ纤维和C纤维在手术切开后1天的机械反应特性，他们在手术后1天从左胫神经辨别出67根单一的传入纤维，通过电刺激确认Aδ纤维和C纤维，结果发现在手术切开组有39%的纤维有自发活动，频率在0.03～39.3个脉冲/秒之间，而在假手术组没有自发活动，手术切开后伤害性初级传入纤维持续的活动可能是导致保护性行为反应的原因。手术切开组Aδ纤维反应阈值中位数低于假手术组主要因为机械非敏化传入纤维较少的缘故。两组C纤维反应阈值中位数类似。在手术切开后1天，Aδ和C纤维的感受范围扩大。Aδ和C纤维的自发活动不仅可以解释非诱发性疼痛行为而且可以通过在中枢扩大反应来参与机械性痛觉过敏的形成。

表1 临床术后疼痛症状与动物模型上测量指标的相应关系

神经生长因子（NGF）在切口痛外周敏化中有重要作用。Banik[6]等发现，足掌切口处皮肤NGF的表达在手术后4 h、1天、2天和5天明显增高，但在切口同侧胫神经和L4～L6背根节的表达没有变化，腹腔给予NGF单克隆抗体能抑制保护性痛行为评分和热痛觉过敏。乳酸能促进伤害性感受器对低pH的反应导致缺血性疼痛，Kim[7]等发现大鼠患侧切口区乳酸浓度明显高于对侧，有助于术后疼痛的发生发展。外周组织热敏辣椒素受体TRPV1也参与切口痛的产生，但术前皮内注射高浓度的辣椒素却能减少术后热痛潜伏期和机械性疼痛阈值[8-9]。补体系统也有助于切开痛外周敏化。外科手术组织损伤激活补体，产生炎症，补体C3a和C5a可以敏化皮下伤害性感受器，促进切口外周敏化[10-11]。

2.2 中枢痛觉敏化的机理

组织损伤后疼痛也与中枢神经元兴奋性的可塑性变化相关，电生理学研究已经证实组织损伤能导致脊髓中枢敏化，因此减轻术后疼痛的一个策略是抑制脊髓背角神经元敏化的发展。Pogatzki[12]等在研究中使用机械刺激分辨接受麻醉大鼠后掌信号传入的背角神经元，基于它们对刷和掐的反应又分为广动力范围（WDR）和高阈值（HT）神经元。WDR神经元对刷和掐均有反应，而HT神经元仅对掐有反应。在所有WDR和HT神经元，手术切开后背景活动均增加，并在约40%的神经元保持最少1小时。WDR神经元在手术切开后的行为学测试中对能产生退缩反应的弱细丝有反应。手术切开后，在一些神经元还可观察到刺激-反应功能的增强。这些对脊髓背角神经元活动的研究表明，手术切开刺激可激活背角神经元细胞，产生中枢敏化。外周传入纤维激活所驱动的WDR和HT神经元背景活动增加是术后持续性非诱发疼痛行为（保护性行为）的电生理学证据。由于在行为学测试中HT神经元阈值并不减小到可以产生退缩反应的程度，说明WDR神经元很可能涉及行为学实验中所观察到的退缩反应阈值减小的机理。

兴奋性氨基酸及其受体系统在脊髓中枢痛觉敏化中有重要作用。离子型氨基酸受体包括NMDA受体和非NMDA受体，非NMDA受体又包括AMPA受体和KA受体；研究发现，鞘内给予非NMDA受体拮抗剂可抑制术后保护性疼痛行为，还可使机械性痛觉过敏反应阈值恢复至术前水平。令人惊奇的是，在手术后疼痛动物模型，鞘内应用NMDA受体拮抗剂MK-801对术后疼痛动物的疼痛行为变化没有作用，说明该模型大鼠的持续性疼痛行为和机械性痛觉过敏并不依赖于脊髓NMDA受体[13-16]。 近年来，一系列鞘内及硬膜外应用AMPA受体拮抗剂的研究进一步确认了脊髓背角AMPA受体在手术后疼痛脊髓中枢敏化中的重要作用[16-18]。由于AMPA受体拮抗剂和NMDA受体拮抗剂一样，具有不可接受的药物副作用，其临床应用前景堪忧。令人欣喜的是，通过对海马和小脑AMPA受体的研究，人们已发现AMPA受体亚基GluR1和GluR2具有独特的功能调节机制。这一发现提示有可能在不阻断AMPA受体离子通道的情况下，通过干扰AMPA受体亚基功能调节的若干环节抑制AMPA受体的功能，从而避免AMPA受体拮抗剂的副作用，为相关疾病的治疗及新药发明开辟新思路。免疫组化和原位杂交研究表明，AMPA受体GluR1亚基在脊髓背角浅层（I-II层）有大量的表达，而GluR2亚基主要表达在脊髓背角II层内侧。既然AMPA受体亚基在脊髓背角疼痛相关板层有表达，说明AMPA受体的功能调节可能在脊髓背角水平参与疼痛的发生和发展。近年来的研究表明，AMPA受体功能调节机制（重要丝氨酸位点磷酸化、磷酸化驱动的GluR1和GluR2转运、GluR1和GluR2与伙伴蛋白的相互作用、Stargazin中介的AMPA受体突触靶向等）在炎性疼痛或神经病理性疼痛的脊髓中枢敏化中扮演重要作用[19]。Hartmann[20]等采用基因敲除小鼠证实，GluR1基因敲除小鼠脊髓神经元AMPA受体通道密度降低，对Ca2+通透性下降，对急性炎性痛觉过敏反应减弱，而GluR2基因敲除小鼠脊髓AMPA受体对Ca2+通透性增加，对急性炎性痛觉过敏反应增强，提示脊髓背角AMPA受体组分变化影响AMPA受体的功能。本研究组已经发现在手术后疼痛模型，手术同侧脊髓背角AMPA受体GluR1-Serine-831位点磷酸化水平出现特征性动态变化，并且平行于疼痛行为的变化，令人惊奇的是， AMPA受体GluR1-Serine-845位点磷酸化水平却没有变化，提示AMPA受体GluR1-Serine-831位点磷酸化，而不是GluR1-Serine-845位点磷酸化参与手术后疼痛过程[21]。脊髓背角AMPA受体在术后疼痛中的完整功能调节机制尚需深入研究。

脊髓背角星形胶质细胞的激活在术后疼痛中有重要作用。Obata[22]等发现，术后24小时内可发生脊髓星形胶质细胞的激活，并在术后第3天激活程度达峰值，胶质细胞抑制剂能剂量依赖性地减少机械性痛觉过敏。提示脊髓星形胶质细胞也可作为术后疼痛治疗的重要靶点。进一步的研究发现，脊髓大麻素受体2激动剂，能抑制术后脊髓胶质细胞的激活，从而产生镇痛，说明脊髓大麻素受体2也参与脊髓痛觉敏化的发展[23]。

3 阿片类镇痛药诱发的术后痛觉敏化

研究发现，在术中使用阿片类药物尤其是短效的瑞芬太尼后，患者苏醒期躁动发生率高，术后出现痛觉过敏，对镇痛药的需求量明显增加。因此阐明阿片类药物导致痛觉过敏（opioid-induced hyperalgesia，OIH）的分子机制探讨其治疗策略，对围术期疼痛管理十分重要。很多研究提供了OIH的证据：（1）连续7 天给予大鼠吗啡鞘内注射，在后爪退缩实验中基础痛阈降低；（2）皮下注射芬太尼的实验中，基础痛阈有类似降低，基础痛阈降低持续到停止注射芬太尼后的第5 天；（3）给大鼠重复使用海洛因也可观察到痛觉过敏现象；（4）通过皮下微量注射泵连续给予大鼠6 天吗啡后，观察到热痛觉敏化和机械性痛觉超敏。这些动物实验研究说明：使用阿片不仅可以导致阿片类药物抗伤害感受作用缺失（耐受），而且可以使伤害性感受系统活化（敏化），即OIH。研究证实，OIH的发生与NMDA受体相关，因为NMDA受体拮抗剂可以逆转OIH。PKCγ基因敲除鼠和CaMKII基因突变（Knock-in）鼠在应用阿片后不出现OIH现象，被认为NMDA受体激活后导致细胞外Ca2+内流通过激活PKCγ和CaMKII，后者进一步参与OIH的发生[24-25]。NMDA受体也通过下游的神经型一氧化氮合成酶（nNOS）-NO-cGMP信号级联参与阿片耐受和痛敏，非选择性NOS抑制剂L-NAME可以明显抑制阿片耐受形成。氯胺酮是非竞争性NMDA 受体阻滞剂，术中静脉给予亚麻醉剂量的氯胺酮可以缓解术后切口痛觉敏化。因此，NMDA 受体阻滞剂氯胺酮治疗OIH 成为可能，但是NMDA 受体在中枢神经系统广泛表达，生理功能多样，NMDA 受体的阻滞将干扰机体多种正常的生理功能。如氯胺酮易引起患者精神障碍等副作用而导致其临床使用受到限制。因此，治疗OIH 的NMDA 受体干扰剂应该是只针对开放通道的非竞争性低亲和力抑制剂，既能预防NMDA 受体病理状态的过度激活，又不影响正常的生理功能。随着细胞信号转导机制研究的深入，人们发现NMDA受体通过下游多种信号级联参与不同的生理和病理机制。因此，如能选择性干扰NMDA受体下游与OIH相关的信号通路上的重要分子，可能为OIH的防治提供新途径，即在不干扰NMDA受体重要生理功能的前提下抑制OIH的发生。临床麻醉中，大多数全身麻醉中都需要合并使用阿片类药物，因此在治疗术后疼痛中，麻醉医师应充分分析疼痛的性质，是组织损伤性疼痛还是阿片诱发的痛觉过敏，还是混合性的，其分子机制是不一样的。

4 术后急性疼痛向慢性疼痛的转化

研究表明，25%～55%的术后急性疼痛可转化为慢性疼痛，延续数月或数年，甚至导致残障，给家庭和社会带来严重负担。因此，研究术后急性疼痛向慢性疼痛转化的机理，分析其临床风险和易感因素，建立有效的预测方法，对于避免术后慢性疼痛十分重要。以往的许多研究把急性疼痛严重程度作为术后急性痛向慢性疼痛转化的重要风险因素。但近期研究提出了争议，因为研究发现许多有严重术后急性疼痛的患者并没有发展成慢性疼痛。从性质上讲，许多患者术后慢性疼痛包含神经病理性疼痛成分。例如，疝气手术、开胸手术和乳腺扩大根治术术后易出现神经病理性疼痛。免疫炎症可能与术后慢性疼痛神经病理性成分相关。研究发现，肺移植开胸手术患者的术后慢性疼痛发生率明显低于肺癌开胸手术患者（5% vs.＞40%），提示免疫反应可能在术后慢性疼痛神经病理性成分的发展中有重要作用，免疫抑制治疗可作为开胸手术术后慢性神经病理性疼痛的重要预防策略[26]。Nissenbaum[27]等人在动物实验及临床观察中发现，Stargazin基因单核苷酸多态性与术后慢性神经病理性疼痛的发展相关，这为临床及时发现术后慢性疼痛易感人群提供了有力帮助。由于Stargazin蛋白是AMPA受体转运的辅助蛋白，因此可推测AMPA受体可能参与术后急性痛向慢性疼痛的转化。

5 展望

未来有关围术期疼痛研究的重点在于进一步阐明术后疼痛的外周和中枢机制，基于其机理开发新型靶向性镇痛药物；进一步阐明阿片类药物引起的痛觉过敏的机制与术后疼痛机制的相互交叉关系，发现若干共享靶分子，为开发新型高效能药物提供依据。进一步阐明术后急性疼痛转化为慢性疼痛的分子机理，尤其是免疫炎症机制在其中的作用。

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