术后慢性疼痛相关炎症反应及炎症细胞因子研究进展

兰　岭，申　乐，黄宇光

中国医学科学院　北京协和医学院　北京协和医院麻醉科，北京 100730



术后慢性疼痛相关炎症反应及炎症细胞因子研究进展

兰岭，申乐，黄宇光

中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院麻醉科，北京 100730

摘要：术后慢性疼痛具有发病率高、持续时间长、危险因素多、发病机制复杂等特点，在开胸术后尤为常见，严重影响患者的生活质量。手术所致神经病理性损伤是术后慢性疼痛发生的重要原因。与此同时，手术损伤所致神经系统的过度炎症反应和多种炎症细胞因子释放亦加快术后慢性疼痛的形成。本文主要综述术后神经系统炎症反应和炎症细胞因子在术后慢性疼痛发生发展中的作用。

关键词：术后慢性疼痛；炎症反应；炎症细胞因子

ActaAcadMedSin，2015,37(6)：741-745

国际疼痛研究协会对于术后慢性疼痛(chronic postsurgical pain，CPSP)的定义是指患者在手术后2个月以上，仍存在手术相关性疼痛且除外其他病因(如慢性感染、恶性肿瘤复发等)所致疼痛[1]。成人CPSP的发生率为11.5%～47.0%，严重影响患者生活质量。开胸手术、乳腺癌(改良)根治手术、剖宫产手术、全髋/膝关节置换术、腹股沟疝修补术等均可不同程度导致CPSP的发生[2]，其中尤以开胸手术为主，CPSP的发生率可高达30%～50%。有研究通过对607例(466份合格病例)接受开胸手术的患者随访发现，CPSP的总体发生率高达64.5%[3]。因此，研究CPSP的发病机制、明确其诱因与危险因素、早期合理地进行干预、降低CPSP的发生率、改善患者的术后生活质量等都是亟待解决的问题。

CPSP受多种因素的影响，手术所致神经组织损伤是CPSP发生的必要前提，而神经系统过度的炎症反应和多种炎症细胞因子的释放调控在CPSP的发生和维持中发挥着关键作用[3]。有研究显示年龄<60岁、既往糖尿病史、严重的术后急性疼痛和长时间的胸腔闭式引流均可能是开胸术后慢性疼痛的危险因素，而术后血白细胞计数(white blood count，WBC)与术前的差值(ΔWBC=WBC术后-WBC术前)则是导致CPSP的独立危险因素，ΔWBC越大则发生CPSP的风险越高，提示手术后炎症反应与CPSP密切相关[3]。炎症反应导致的CPSP具有可逆性，因此早期、及时、合理地调控手术后神经系统炎症反应，有助于降低CPSP的发生率。本文从炎症反应介导神经元重塑所致脊髓疼痛放大机制及目前已知与CPSP相关的炎症细胞因子、趋化因子等方面，对炎症反应和炎症细胞因子在CPSP发生发展中的作用进行综述。

CPSP与神经系统炎症反应和免疫应答

目前关于CPSP的成因及其与急性疼痛的关系尚不十分明确，其可能发生的机制包括：脊髓疼痛放大机制、中枢神经系统抑制性调节缺失机制及炎症反应促进机制[4]。炎症反应，尤其是神经系统炎症反应与免疫应答，在CPSP的发生发展中具有重要作用。神经系统炎症反应与免疫应答导致的CPSP在出现器质性周围神经损伤之前，具有可逆性[5]。

周围神经系统炎症反应与外周敏化手术损伤周围组织产生大量的坏死物质，损伤部位坏死细胞产生的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)及胞外基质的分解产物等损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)激活原位肥大细胞表面受体，导致肥大细胞脱颗粒，释放组胺、5-羟色胺等血管活性胺及P物质、缓激肽等血管活性肽，直接敏化伤害性感受器神经元。与此同时，中性粒细胞、巨噬细胞及辅助性T细胞等被募集至损伤部位并大量浸润，释放白细胞介素(interleukin，IL)- 1β、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)-α等多种炎症细胞因子[6]。此外，DAMPs可导致巨噬细胞聚集活化、吞噬坏死物质并释放CCL2、CX3CL1等趋化因子[7]。这些炎症细胞因子均可直接或间接作用于伤害性感觉神经元末梢受体，激活神经元内蛋白激酶A、蛋白激酶C、p38丝裂酶原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)等多种复杂的信号传导通路，使伤害性感觉神经元细胞膜上的电压门控离子通道和瞬时受体电位香草酸受体1表达增加并发生磷酸化，从而降低周围神经元兴奋阈值，增加其对兴奋的敏感性，产生短期的外周敏化[8]。当外周炎症反应长期存在时，会导致神经元内相关转录因子水平上调，进而导致神经元内神经递质及细胞膜表面离子通道和受体表达水平的长期改变，造成周围神经元重塑和长期的外周敏化。

中枢神经系统炎症反应与中枢敏化正常情况下，IL- 1β、IL- 6、TNF-α等炎症细胞因子在脊髓中低表达。手术损伤导致伤害性感受器外周敏化时，大量异常兴奋性电活动传导至脊髓后角神经元，脊髓后角神经元突触前膜钙离子通道异常开放增加，导致突触前膜电活动明显加强，P物质、CCL2、ATP等炎症因子释放增加。其中，突触前膜CCL2、ATP及神经调节蛋白- 1的表达上调释放增加，可以促进脊髓后角胶质细胞(小胶质细胞、星形胶质细胞)大量浸润，进一步释放IL- 1β、组织蛋白酶S、骨源性生长因子等炎症因子[9]。除了直接导致外周伤害性感受器敏化之外，脊髓后角的IL- 1β还可以通过介导众多其他促炎症细胞因子(如IL- 6、TNF-α)的合成增加间接发挥促炎症作用[10]。组织蛋白酶S通过裂解神经元膜结合型Fractalkine生成可溶性Fractalkine，进而与小胶质细胞表面的CX3CR1结合，进一步激活小胶质细胞[11]。此外，突触前膜和小胶质细胞释放的骨源性生长因子与突触后膜的原肌球蛋白受体激酶B结合，导致K+和Cl-共同转运体KCC2的水平下调，突触后膜阴离子浓度梯度改变，激活γ-氨基丁酸A型受体，使Cl-外流增加，突触后膜发生去极化，增加突触后膜的电活动，产生中枢敏化和神经元重塑[12]。

CPSP与炎症细胞因子

在手术后慢性疼痛中，炎症细胞因子在神经元重塑和增强伤害性感觉传导方面发挥重要作用[7]。它是宿主抵抗外来伤害的多步骤反应中的关键调节因子，相对分子质量多在5 000～140 000。在免疫和炎症过程中，较低的炎症细胞因子浓度(pM)即可发挥多种生物学功能，依据它们的生物活性可将其分为促炎症细胞因子(IL- 1β、TNF-α)和抗炎症细胞因子(IL- 10、IL- 4)两大类。

CPSP与促炎症细胞因子

IL- 1β：在啮齿动物中，IL- 1β是最早发现的与周围神经损伤所致神经病理性疼痛相关的细胞因子之一[13]。IL- 1β在手术后慢性疼痛中，尤其是手术损伤周围神经所致慢性神经病理性疼痛的发生中发挥重要作用。目前认为IL- 1β在神经病理性疼痛的发生中主要发挥两种生物学效应。一方面，IL- 1β可以直接降低伤害性感受器神经元外周端的兴奋阈值，增加其兴奋性，产生外周敏化[14]。另一方面，在小胶质细胞和星形胶质细胞中，它还可以通过激活其他炎症细胞因子的合成释放，放大多步骤的炎症级联反应，间接导致机体对疼痛的敏感化[15]。此外，IL- 1β可以促进初级传入神经递质P物质的释放，增加N-甲基-D-天冬氨酸受体的磷酸化水平，减少突触间抑制性神经递质的传递，增强伤害性刺激的传导[16]。

TNF-α：作为神经系统炎症和神经损伤过程中早期的促炎症细胞因子，TNF-α在手术后慢性疼痛的发生中发挥重要作用[17]。啮齿动物神经病理性疼痛模型中，鞘内注射外源性TNF-α能够增强脊髓背角神经元的敏感性，产生热痛觉超敏和机械性痛觉超敏，而应用TNF-α受体拮抗剂后则能明显减弱痛觉超敏现象[18]。研究表明TNF-α可以增强脊髓星形胶质细胞内c-Jun氨基末端激酶信号转导途径的磷酸化，并且介导趋化因子CCL2的释放增加，激活星形胶质细胞和小胶质细胞，正反馈地释放多种炎症细胞因子，增强疼痛的传导[19]。

CPSP与抗炎症细胞因子

IL- 10：在神经病理性疼痛中，脊髓胶质细胞(小胶质细胞、星形胶质细胞)能够产生大量的IL- 10，抑制神经系统的炎症反应与免疫应答[20]。手术损伤周围神经时，脊髓中的小胶质细胞和星形胶质细胞表面的IL- 10受体表达上调。同时，手术损伤产生的DAMPs刺激单核巨噬细胞、T辅助细胞等多种免疫细胞合成并分泌大量的IL- 10[21]。IL- 10通过和胶质细胞表面的IL- 10受体结合，激活细胞内的Janus激酶/信号传导与转录激活因子途径[22]，降低核因子-κB的活性，从而抑制IL- 1β、TNF-α等促炎症细胞因子的合成释放，发挥抗炎症作用。

IL- 4：神经病理性疼痛模型中，脊髓小胶质细胞和星形胶质细胞均可合成分泌IL- 4，作用自身的IL- 4受体。和IL- 10相同，IL- 4和受体结合后能够激活Janus激酶/信号传导与转录激活因子信号通路，降低核因子-κB活性，抑制IL- 1β等促炎症细胞因子的释放，发挥抗炎症作用[23]。此外，在啮齿动物中，IL- 4可以募集趋化单核巨噬细胞，抑制单核细胞IL- 1β、TNF-α和IL- 6等促炎症细胞因子的产生。然而，IL- 4敲除鼠虽然可产生触诱发痛，但对温度和机械性刺激并未产生痛觉超敏反应，这可能是由于IL- 10、IL- 13等其他抗炎症细胞因子过表达代偿所致[24]。

CPSP与趋化因子

趋化因子及其受体介导脊髓后角胶质细胞和神经元的相互作用，在神经损伤诱导的神经病理性疼痛的发生过程中发挥重要作用[25]。目前已发现的与手术后慢性疼痛相关的趋化因子及其受体主要有CX3CL1/CX3CR1、CCL2/CCR2等。

CX3CL1手术损伤周围神经产生神经病理性疼痛时，CX3CR1在小胶质细胞中的表达明显上调。CX3CL1通过上调的CX3CR1对小胶质细胞进行大量募集。同时，CX3CL1和CX3CR1的结合导致小胶质细胞内p38MAPK磷酸化，激活p38MAPK信号转导通路，释放多种促炎症细胞因子，进一步敏化中枢神经元[26]。在坐骨神经慢性缩窄损伤和坐骨脊神经结扎神经病理性疼痛模型中，鞘内注射CX3CR1或CX3CL1的中和抗体能够明显减弱机械性痛觉超敏和热痛觉超敏[27]。行为学研究表明，CX3CL1能够诱导大鼠和小鼠产生显著的机械性痛觉超敏和热痛觉超敏，在CX3CR1敲除小鼠中，CX3CL1不能诱导周围神经损伤后痛觉超敏的产生[28]。

CCL2周围或中枢神经损伤会引起脊髓及背根神经节(dorsal root ganglion，DRG)中CCL2及其受体CCR2的表达增加。其中脊髓和DRG中小胶质细胞和星形胶质细胞CCL2/CCR2的表达上调尤为显著[29]。手术损伤外周神经产生神经炎症反应时，CCL2/CCR2通过介导胶质细胞-神经元的相互作用参与中枢敏化和慢性疼痛调节[30]。小胶质细胞中，初级传入神经元末端释放的CCL2可以直接结合其上调表达的CCR2，导致小胶质细胞的激活，进一步促进IL- 1β、组织蛋白酶S等促炎症因子的释放[31]。星形胶质细胞中，神经炎症反应活化细胞内c-Jun氨基末端激酶信号转导通路导致CCL2释放增加，CCL2作用于脊髓后角神经元突触后膜，加快细胞外信号调节蛋白激酶的磷酸化，导致脊髓后角浅层神经元的敏感化。

CPSP与抗神经系统炎症治疗

传统的CPSP预防及治疗药物多以神经元为靶点，如阿片类镇痛药、N-甲基-D-天冬氨酸受体拮抗剂等，它们通过阻断异常神经兴奋的传递减轻疼痛，但这种治疗作用往往较为短暂[32]。同样，术前积极的超前镇痛也未能有效阻止CPSP的发生[33]。动物实验表明，一些新型胶质细胞功能调节剂及神经炎症反应抑制剂具有良好的术后镇痛作用，例如小胶质细胞抑制剂(米诺环素)、TNF-α抑制剂(依那西普)、ATP受体拮抗剂以及抗炎细胞因子(IL- 1)等[34- 35]，但它们在CPSP患者临床治疗研究中的作用却不尽如人意，仍有待进一步证实[36- 37]。此外，针对趋化因子及其信号通路的临床药物开发越来越受到临床药理学家的关注。因此，抗神经系统炎症反应治疗日后可能成为减轻CPSP的新型有效手段。

综上，在术后慢性疼痛的发生发展中，神经损伤、坏死组织炎症反应和/或感染均可导致外周神经、DRG及脊髓后角中多种免疫细胞及胶质细胞活化，产生多种促炎症细胞因子和趋化因子，导致组织微环境中促炎症细胞因子和抗炎症细胞因子的比例失衡，外周和中枢神经元兴奋阈值下降，神经元兴奋性提高，发生痛觉敏化。与神经损伤所致不可逆性神经病理性疼痛不同，炎症反应及炎症细胞因子所致炎症性疼痛可以被合理的治疗手段所逆转。因此，研究CPSP的发病机制，明确炎症反应及炎症细胞因子在其发生和维持中的作用，探究可行的临床治疗方案，对炎症性疼痛进行早期合理地干预，可以明显降低CPSP的发生率，改善患者的术后生活质量，减轻患者、家庭及社会的经济负担。

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·综述·

Roles of Inflammatory Reaction and Cytokines in Chronic Postsurgical Pain

LAN Ling，SHEN Le，HUANG Yu-guang

Department of Anesthesiology，PUMC Hospital，CAMS and PUMC，Beijing 100730，China

Corresponding author：SHEN LeTel：010- 69152024，E-mail：pumchshenle@aliyun.com

ABSTRACT：Chronic postsurgical pain (CPSP) is characterized by high incidence，prolonged duration，multiple risk factors，and complicated pathogenesis. It seriously impairs patients’ quality of life，especially after thoracotomy. Perioperative nerve injury is a major cause of CPSP. Meanwhile，the excessive neuroinflammation and inflammatory cytokines caused by surgery also accelerate the formation of CPSP. This review aims to provide an overview of the recent advances in the roles of inflammatory reaction and cytokines in the development of CPSP.

Key words：chronic postsurgical pain；inflammatory reaction；inflammatory cytokines

收稿日期：(2015- 03- 31)

DOI：10.3881/j.issn.1000- 503X.2015.06.019

中图分类号:R364.5

文献标志码:A

文章编号：1000- 503X(2015)06- 0741- 05

通信作者：申乐电话：010- 69152024，电子邮件：pumchshenle@aliyun.com

基金项目：国家自然科学基金(31070930，81200869)Supported by the National Natural Sciences Foundation of China(31070930，81200869)