术后慢性疼痛相关炎症反应与免疫调节机制研究进展*

兰 岭 黄宇光 申 乐

（中国医学科学院北京协和医院麻醉科，北京 100730）

•特约综述•

术后慢性疼痛相关炎症反应与免疫调节机制研究进展*

兰 岭 黄宇光 申 乐△

（中国医学科学院北京协和医院麻醉科，北京 100730）

术后慢性疼痛具有发病率高、持续时间长、发病机制复杂等特点，严重影响病人的生活质量。手术所致神经病理性损伤是术后慢性疼痛发生的重要机制。与此同时，手术损伤所致神经系统的过度炎症反应和免疫调节机制亦加快术后慢性疼痛的形成。在术后慢性疼痛的发生发展过程中，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及脊髓背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。本文主要综述术后神经系统炎症反应与免疫调节所致术后慢性疼痛的相关机制。

术后慢性疼痛；炎症反应；免疫调节

术后慢性疼痛(chronic postsurgical pain, CPSP)是指患者存在手术相关性疼痛持续至少2个月以上且除外其他病因（如慢性感染、恶性肿瘤复发等）所致疼痛[1]。开胸手术、乳腺癌（改良）根治手术、剖宫产手术、截肢手术等较易导致CPSP，其中尤以开胸及截肢手术为著，其CPSP的发生率可高达50%～80%[2]。我们前期通过对466例接受开胸手术的患者随访发现，开胸手术CPSP的发生率高达64.5%[3]，严重影响患者术后的生活质量。

CPSP的发生机制复杂，手术所致神经损伤是CPSP发生的必要前提，而神经系统过度的炎症反应和异常的免疫调节在术后急性疼痛向CPSP的转变过程中发挥着关键作用[4～6]。我们前期的研究表明术后病人白细胞计数与术前的差值（ΔWBC=WBC术后-WBC术前）是导致CPSP的独立危险因素，ΔWBC越大则发生CPSP的风险越高，这提示手术后炎症反应在术后慢性疼痛的形成过程中发挥重要作用[3]。炎症反应所导致的CPSP具有可逆性，因此早期、及时地调控手术后神经系统炎症反应，有利于我们术后早期有针对性地进行治疗以减少术后急性疼痛向CPSP的转变，改善患者术后的生活质量，减轻社会经济负担。本文将从神经系统炎症反应及免疫应答介导外周及中枢性痛觉敏化所致疼痛放大机制等方面，对炎症反应及免疫调节机制在CPSP发生发展中的作用进行综述。

一、CPSP与炎症反应

目前关于CPSP的成因及其与急性疼痛的关系还不十分明确，其可能发生的机制包括：外周及中枢性敏化所致疼痛放大机制、中枢神经系统抑制性调节缺失机制及交感神经系统调节机制[7]。炎症反应，尤其是外周及中枢神经系统炎症反应，在CPSP的形成过程中具有重要作用。

1.CPSP与外周炎症反应

手术创伤后外周组织损伤部位的修复过程主要包括三个时期：炎症反应、炎性细胞浸润及组织重塑。保护性炎症反应是机体损伤后固有免疫的重要组成部分，是促进创面修复和功能重建的必要步骤[8]。急性炎症反应所导致的疼痛主要源于促炎性神经肽，包括P物质、降钙素基因相关肽(calcitonin gene related peptide, CGRP)及来自损伤部位C神经纤维神经激肽A (neurokinin A, NKA)的释放，都是神经系统重塑过程中的重要启动因子。急性手术创伤可以导致剧烈疼痛和痛觉超敏，但通常这种疼痛随着创面的愈合会逐渐缓解。急性炎症反应的持续时间与创面的愈合速度及患者的基础身体状态有关，一般持续24小时到两周左右。创面修复不佳时，手术损伤部位的慢性炎症反应可以持续存在，从而导致CPSP的发生[9]。

手术损伤外周组织产生大量坏死物质，损伤部位坏死细胞释放三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)与细胞外基质的分解产物等损伤相关分子模式(danger-associated molecular patterns, DAMPs)激活损伤部位肥大细胞表面受体，导致肥大细胞脱颗粒，进一步释放组胺、5-羟色胺等血管活性胺与P物质、缓激肽等血管活性肽，可以直接敏化伤害性感觉神经元。与此同时，嗜酸性粒细胞、巨噬细胞等被募集至损伤部位并释放白细胞介素1β(interleukin, IL-1β)、肿瘤坏死因子 α(tumor necrosis factor, TNF-α)等多种促炎细胞因子[10]。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[11]。这些促炎细胞因子可直接或间接作用于伤害性感觉神经元上的受体，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，从而降低周围神经元兴奋阈值，产生短期的外周敏化[12]。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持续上调，进而导致兴奋性神经递质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持续的外周敏化。

2. CPSP与中枢炎症反应

尽管中枢性炎症反应对周围组织和/或神经损伤所致CPSP的具体作用机制尚不明确，但多项研究[7,11～13]表明中枢炎症反应可以增强脊髓伤害性反射弧，使机体对伤害性刺激产生中枢性敏化。正常情况下，IL-1β、IL-6、TNF-α等促炎性细胞因子在脊髓中低表达。手术损伤导致外周伤害性感受器敏化时，大量异常兴奋性电活动传导至脊髓后角神经元，导致其突触前膜钙离子通道异常开放增加，异常放电明显加强，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，可以促进脊髓背角胶质细胞（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（bone-derived growth factor，BDGF）等炎症因子[14]。除了直接导致外周伤害性感受器敏化之外，脊髓背角的IL-1β还可以通过介导众多其他促炎性细胞因子（如IL-6、TNF-α）的合成增加间接发挥促炎症作用[15]。此外，突触前膜和小胶质细胞释放的BDGF与突触后膜的原肌球蛋白受体激酶B (tropomyosin receptor kinase B，TrkB)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，突触后膜去极化，增加电活动，产生中枢敏化和神经元重塑[16]，进一步促进CPSP的形成。

二、CPSP与免疫调节

神经系统和免疫系统的相互作用是CPSP发生发展的重要因素。神经损伤导致的炎症性级联反应过程中，免疫调节及促炎细胞因子的释放促进CPSP的产生，其中神经胶质细胞、趋化因子及toll样受体(toll-like receptors, TLRs)在神经免疫应答过程中的作用至关重要[17,18]。

1.神经胶质细胞

中枢神经系统的神经胶质细胞主要有三种类型：小胶质细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞。小胶质细胞是中枢神经系统的巨噬细胞，构成了中枢神经系统的第一道免疫屏障。在机体受到化学性刺激时小胶质细胞迅速激活，活化的小胶质细胞迁移至脊髓背角，吞噬有害物质，分泌促炎症物质并且迅速增殖。它们是中枢神经系统炎症介质的主要来源[18]。小胶质细胞一旦被激活，将永远保持激活状态，这可能是中枢性敏化的重要因素之一。星形胶质细胞具有维持血脑屏障、营养神经元等功能，它通过和肥大细胞相互作用产生炎症反应加剧中枢性敏化[17,18]。星形胶质细胞能够分泌趋化因子及促炎细胞因子，导致伤害性神经元兴奋性增加，进一步维持神经炎症反应[19]。

2.趋化因子

趋化因子及其受体介导脊髓背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[20]。目前已发现的与CPSP相关的趋化因子及其受体主要有CX3CL1/CX3CR1、CCL2/CCR2等。

（1）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使小胶质细胞大量募集。同时，CX3CL1和CX3CR1的结合导致小胶质细胞内p38 MAPK磷酸化，激活p38 MAPK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[21]。在坐骨神经慢性缩窄损伤(chronic constriction injury,CCI)和坐骨脊神经结扎(spinal nerve ligation, SNL)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轻机械性痛觉超敏和热痛觉超敏[22]。行为学研究表明[23]，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。

（2） 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[24]。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[25]。初级传入神经末端释放的CCL2可以直接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。神经炎症反应活化星形胶质细胞内JNK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（extracellular regulated protein kinases，ERK）的磷酸化，导致脊髓后角浅层神经元的敏感化。

3. TLRs

当中枢神经元结构发生损伤时，坏死的神经细胞释放DAMPs，进而激活损伤部位的TLRs。TLRs是机体免疫系统的模式识别受体，它能够感知伤害性刺激的发生并将刺激信号传递至其他神经元和免疫细胞。动物实验[26]表明TLR4通过促炎性信号级联反应激活神经胶质细胞。Peirs C[27]等认为TLR4水平上调可能是已激活的小胶质细胞的标志物，这预示着TLR4可能是预测CPSP发生的重要指标。我们的研究[28,29]发现在CCI大鼠DRG与脊髓背角的TLR4通路都处于活化状态，利用miR-146a抑制TLR4通路的活化，将有效缓解大鼠的疼痛行为。

三、总结与展望

在术后慢性疼痛的发生发展过程中，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及脊髓背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术后神经病理性疼痛不同，炎症反应及免疫应答所致术后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，明确炎症反应及免疫调节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的干预，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。

[1]Haroutiunian S, Nikolajsen L, Finnerup NB,et al. The neuropathic component in persistentpostsurgical pain: a systematic literature review. Pain, 2013, 154(1): 95 ～ 102.

[2]Shanthanna H, Aboutouk D, Poon E,et al. A retrospective study of open thoracotomies versus thoracoscopic surgeries for persistent post thoracotomy pain. J Clin Anesth, 2016, 35:215.

[3]Wang HT, Liu W, Luo AL,et al. Prevalence and risk factors of chronic post-thoracotomy pain in Chinese patients from Peking Union Medical College Hospital.Chinese Med J-Peking, 2012, 125(17): 3033 ～ 3038.

[4]Chamessian A, Van dVT, Buchheit T,et al. Di ff erential expression of systemic inflammatory mediators in amputees with chronic residual limb pain. Pain, 2017,158(1):68 ～ 74.

[5]刘子嘉,黄宇光.术后慢性疼痛的危险因素及发病机制.国际麻醉学与复苏杂志, 2013, 34(2):163 ～166.

[6]兰岭, 申乐, 黄宇光. 术后慢性疼痛相关炎症反应及炎症细胞因子研究进展. 中国医学科学院学报,2015, 37(6):741 ～ 745.

[7]Chapman CR, Vierck CJ. The Transition of Acute Postoperative Pain to Chronic Pain: An Integrative Overview of Research on Mechanisms. J Pain, 2016.

[8]Ren K, Dubner R. Interactions between the immune and nervous systems in pain. Nat Med, 2010, 16(11):1267 ～ 1276.

[9]Rashiq S, Dick BD. Post-surgical pain syndromes: a review for the non-pain specialist. Can J Anesth, 2014,61(2): 123 ～ 130.

[10]Deumens R, Steyaert A, Forget P,et al. Prevention of chronic postoperative pain: cellular, molecular, and clinical insights for mechanism-based treatment approaches. Prog Neurobiol, 2013, 104: 1 ～ 37.

[11]Kiguchi N, Kobayashi Y, Kishioka S. Chemokines and cytokines in neuroin fl ammation leading to neuropathic pain. Curr opin pharmacol, 2012, 12(1): 55 ～ 61.

[12]Ellis A, Bennett D LH. Neuroinflammation and the generation of neuropathic pain. Brit J Anaesth, 2013,111(1): 26 ～ 37.

[13]Woolf CJ. Central sensitization: implications for the diagnosis and treatment of pain. Pain, 2011, 152(3):S2 ～ S15.

[14]Nadeau S, Filali M, Zhang J,et al. Functional recovery after peripheral nerve injury is dependent on the proin fl ammatory cytokines IL-1β and TNF: implications for neuropathic pain. J Neurosci, 2011, 31(35): 12533 ～12542.

[15]Gabayl E, Wol fl G, Shavitl Y,et al. Chronic blockade of interleukin-1 (IL-1) prevents and attenuates neuropathic pain behavior and spontaneous ectopic neuronal activity following nerve injury. Eur J Pain, 2011, 15(3): 242 ～ 248.

[16]Clark AK, Wodarski R, Guida F,et al. Cathepsin S release from primary cultured microglia is regulated by the P2X7 receptor. Glia, 2010, 58(14): 1710 ～ 1726.

[17]Skaper SD, Facci L, Giusti P. Mast cells, glia and neuroinflammation: partners in crime? Immunology,2014, 141(3):314 ～ 327.

[18]Skaper SD, Giusti P, Facci L. Microglia and mast cells:two tracks on the road to neuroin fl ammation. Faseb J,2012, 26(8):3103 ～ 3117.

[19]Gao YJ, Zhang L, Ji RR. Spinal injection of TNF-αactivated astrocytes produces persistent pain symptom mechanical allodynia by releasing monocyte chemoattractant protein-1. Glia, 2010, 58(15): 1871 ～ 1880.

[20]Kalliomäki J, Attal N, Jonzon B,et al. A randomized,double-blind, placebo-controlled trial of a chemokine receptor 2 (CCR2) antagonist in posttraumatic neuralgia. Pain, 2013, 154(5): 761 ～ 767.

[21]高永静, 张志军, 曹德利. 趋化因子介导的神经炎症反应和神经病理性疼痛. 中国细胞生物学学报,2014, 3: 002.

[22]Lee KM, Jeon SM, Cho HJ. Interleukin-6 induces microglial CX3CR1 expression in the spinal cord after peripheral nerve injury through the activation of p38 MAPK. Eur J Pain, 2010, 14(7):682.e1 ～ 682.e12.

[23]Gong G, Hu L, Qin F,et al. Spinal WNT pathway contributes to remifentanil induced hyperalgesia through regulating fractalkine and CX3CR1 in rats.Neurosci Lett, 2016, 633:21 ～ 27.

[24]Clark KA, A Staniland A, Malcangio M. Fractalkine/CX3CR1 signalling in chronic pain and inflammation.Curr pharm biotechno, 2011, 12(10): 1707 ～ 1714.

[25]Van Steenwinckel J, Reaux-Le Goazigo A, Pommier B,et al. CCL2 released from neuronal synaptic vesicles in the spinal cord is a major mediator of local in fl ammation and pain after peripheral nerve injury. J Neurosci, 2011,31(15): 5865 ～ 5875.

[26]Yang S, Yang M, Tang H,et al. The over-production of TNF-α via Toll-like receptor 4 in spinal dorsal horn contributes to the chronic postsurgical pain in rat. J Anesth, 2015, 29(5):734 ～ 740.

[27]Peirs C, Seal RP. Targeting Toll-like receptors to treat chronic pain. Nat Med, 2015, 21(11):1251 ～ 1252.

[28]王之遥, 申乐, 魏敏,等. miR-146a激动剂对大鼠神经病理性疼痛行为学和IRAK1、TRAF6表达的影响.中国疼痛医学杂志, 2015, 21(6):406 ～ 410.

[29]赵娜, 申乐, 姜浩武,等. MiR-146a高表达对神经胶质细胞BV2炎性反应的影响. 中国医学科学院学报,2016, 38(1):27 ～ 32.

10.3969/j.issn.1006-9852.2017.03.001

国家自然科学基金（81200869）

△通讯作者 shenle@pumch.cn