CXCL12/CXCR4 信号通路参与慢性痛机制的研究进展*

李园园 胡奇妙 台 燕 郑小莉 尹诚语 刘伯一 方剑乔

（1浙江中医药大学第三临床医学院针灸神经生物学实验室，浙江省针灸神经病理学重点实验室，杭州 310053；2 浙江中医药大学中医药科学院电镜研究室，杭州 310053）

疼痛是一种与组织损伤或者潜在损伤相关的不愉快的情感体验。当疼痛病程超过3 个月以上即为慢性痛[1]。慢性痛是严重危害人类身心健康和生活质量的慢性疾病，其反复发作、迁延难愈的特性往往导致病人长期备受折磨，严重影响病人的生活质量。流行病学调查显示，国内外流行病学调查显示，慢性痛的发病率高达30%左右[2]。有关慢性痛机制的研究一直以来是疼痛研究领域的热点。研究表明趋化因子在慢性痛的发生与进展过程中起重要作用[3]，其中趋化因子CXC 趋化因子配体12 (chemokine C-X-C motif ligand 12,CXCL12)及其受体趋化因子CXC 基序受体4 (chemokine C-X-C motif receptor 4, CXCR4)在慢性痛机制中的参与作用正在被人们逐渐认识[4]。

CXCL12 又名基质细胞衍生因子-1 (stromal cell-derived factor 1, SDF-1)，属于趋化因子CXC 亚家族，其主要来源是活化的神经胶质细胞[5,6]，在维持组织体内平衡、参与免疫细胞的生存，支持肿瘤细胞的生长和转移等方面发挥重要作用[7,8]。CXCR4 是CXCL12 的特异受体，属于G-蛋白偶联受体[9]，在淋巴细胞、造血干细胞和肿瘤细胞等多种细胞中广泛表达，并参与神经系统功能的调节[7]。CXCL12 与CXCR4 结合后，可通过激活下游不同信号通路，例如细胞外信号调节激酶(Extracellular signal regulated kinase, ERK)、磷脂酰肌醇-3-羟激酶(Phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase, PI3K)，丝裂原活化蛋白激酶的亚家族(M itogen-activated protein kinase, MAPK)和核转录因子(nuclear factor kappa, NF-κB)等，在神经系统发育以及突触可塑性改变等方面发挥重要的作用[4]。

临床常用治疗药物为非甾体抗炎药和阿片类药物，会导致消化道不良反应、耐受等不良反应，使用受到一定限制，因此亟待寻找出疗效显著而副作用小的新型药物[10]。研究慢性痛发病机制对于寻找副作用少且镇痛作用明显的治疗手段具有重要意义。慢性痛的机制研究一直以来是神经科学领域研究热点，近期一系列研究表明CXCL12/CXCR4 信号通路在介导和维持慢性痛过程中发挥重要作用，可促进慢性神经病理性疼痛、炎性痛、癌性痛和阿片类药物耐受的发展[6,11,12]。因此本文拟针对该信号通路参与慢性痛方面的最新研究进展进行综述，以期为慢性痛治疗提供解决方案。

一、CXCL12/CXCR4 信号通路在慢性神经病理性疼痛的参与 作用

神经病理性疼痛(neuropathic pain, NP)是病理痛的主要亚型，可由外周或中枢体感神经系统的损伤或疾病引起[13]。研究表明CXCL12/CXCR4 信号通路参与慢性神经病理性疼痛的产生和维持。在不同神经病理性疼痛模型中，CXCL12/CXCR4 信号通路通过外周与中枢敏化参与神经病理性疼痛[2]。

1.坐骨神经分支选择性损伤(spared nerve injury, SNI)诱导的神经病理性疼痛模型

CXCL12 通过作用于CXCR4，激活外周伤害性感觉神经元，引发痛觉敏化。在坐骨神经分支选择性损伤(SNI)大鼠模型同侧L4-L5的背根神经节(dorsal root ganglion, DRG)及脊髓背角中，CXCL12、CXCR4 以及肿瘤坏死因子(tumour necrosis factor, TNF-α)表达增多，上调脊髓中ERK 的磷酸化，诱发痛觉敏化。重复鞘内给予CXCR4 抑制剂及TNF-α 抑制剂可预防脊髓中ERK 的磷酸化及有效缓解大鼠痛觉过敏[6]。SNI 诱导神经病理性疼痛可导致兴奋性神经递质受体激活的增加，抑制性神经递质例如γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)和甘氨酸表达减少[14]，促进疼痛的发生发展，应用CXCR4 拮抗剂可以逆转疼痛并恢复抑制性神经传递，如针对神经病理性疼痛的GlyRα3[15]。此外，通过小核糖核酸(Ribose Nucleic Acid, RNA)干扰技术沉默CXCR4 的表达后，也可缓解SNI 诱导的大鼠痛觉敏化现象[16]。上述研究说明，CXCL12/CXCR4 信号通路参与SNI 诱导的神经病理性疼痛，并且TNF-α 释放及ERK 的激活参与其中。

2.部分坐骨神经结扎(partial sciatic nerve ligation, PSNL)诱导的神经病理性疼痛模型

CXCL12/CXCR4 信号通路亦有参与部分坐骨神经结扎(PSNL)诱导的神经病理性疼痛的作用。在PSNL 模型早期阶段，脊髓背角中的CXCL12 通过星形胶质细胞依赖性方式表达增高，与小胶质细胞表面的CXCR4 结合，引起小胶质细胞活化，促进多种促炎细胞因子的产生，从而引起疼痛产生[17]。miRNA-23a 通过直接作用于CXCR4，可调节脊髓神经胶质细胞中的硫氧还蛋白相互作用蛋白(thioredoxin interacting protein, TXNIP) 以 及 NLRP3 炎 性小体促进PSNI 神经病理性疼痛的发生[18]。鞘内注射CXCR4 拮抗剂可显著减轻PSNL 引起的痛觉过敏，并下调神经胶质中相关通路的激活，如MAPK(JNK, p38)和 NF-κB (p65)[19]。

3.慢性压迫背根神经节(chronic compression of the dorsal root nerve, CCD)诱导的神经病理性疼痛模型

趋化因子信号传导导致慢性疼痛的一种方式是直接刺激DRG 神经元，其表达的趋化因子受体激活会导致细胞内Ca2+的浓度增加。在慢性压迫背根神经节(CCD)小鼠模型中，DRG 神经元中CXCL12、CXCR4 表达上调，诱导DRG 神经元中Ca2+增加引起动作电位。腹腔注射CXCR4 抑制剂以及CXCL12 功能受损的小鼠，可缓解CCD 诱导的机械痛和热痛痛觉过敏[20]。

4.腰椎间盘髓核突出诱导的神经病理性疼痛模型

在腰椎间盘髓核突出症(lumbar disc herniation,LDH)诱导的神经病理性疼痛模型中，可通过激活转录因子STAT3 上调脊髓中CXCL12 表达，进一步介导痛觉过敏，并且鞘内注射CXCL12 中和抗体或STAT3 抑制剂均能显著抑制LDH 引起的脊髓中CXCL12 的上调[21]。

5.糖尿病并发的神经病理性疼痛模型

在糖尿病诱发神经病理性疼痛(painful diabetic neuropathy, PDN)小鼠模型中，CXCL12/CXCR4 信号通路可被增强，诱导DRG神经元中Ca2+信号增强，上调DRG 中钠通道Nav1.8 的磷酸化及表达水平，激活神经元产生兴奋，参与调节慢性病理痛。腹膜内注射CXCR4 拮抗剂可改善PDN[22]。Fang 等[23]研究表明CXCL12 可通过作用于两个河豚毒素钠通道（Nav1.8 和Nav1.9），通过不同机制激发原发性伤害性感觉神经元，参与慢性疼痛的发生发展。

6.人体免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)相关神经病理性疼痛模型

在人体免疫缺陷病毒(HIV)相关神经病理性疼痛模型中，DRG 神经元中的CXCL12 信号传导增强与TNF-α表达上调，并且呈现CXCR4受体依赖性现象[24]，且这一现象在腹膜内注射CXCR4 拮抗剂后逆转。上述研究表明CXCL12/CXCR4 信号通路参与HIV 相关神经病理性疼痛的加工，CXCL12/CXCR4 信号通路可能成为HIV 相关神经病理性疼痛治疗靶点。

7.脑卒中后疼痛(central post-stroke pain, CPSP)模型

CXCL12/CXCR4 信号通路通过缺氧诱导因子1α (HIF-1α)介导小胶质细胞-星形胶质细胞-神经元相互作用，在脑卒中后疼痛(CPSP)的产生和维持中有关键作用，丘脑内CXCL12 过表达可促进CPSP的发生，丘脑内施用CXCR4 拮抗剂可逆转CPSP 以及阻断CXCL12/CXCR4 信号通路的信号传导，抑制疼痛的发生发展[25]。

8.癌症化疗药物诱发的神经病理性疼痛模型

在癌症化疗药物诱发的神经病理性疼痛模型中，如紫杉醇或长春新碱诱发周围神经痛模型，脊髓背角内出现CXCL12 在蛋白水平和mRNA 水平的表达增加，同时增加表达CXCL12 的神经元中信号转导子和转录激活因子3 (signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)的磷酸化、组蛋白H4的乙酰化以及STAT3和p300之间的相互作用。表明在脊髓中STAT3 和p300 之间增强的相互作用介导了CXCL12 的表观遗传性上调，参与神经病理性疼痛的产生与维持[26]。

二、CXCL12/CXCR4 信号通路在慢性炎性痛的参与作用

慢性炎性痛是临床疼痛病症中最常见的类型之一，广泛存在于各种疾病进程中。其病程反复迁延，治疗难度较大， 严重影响人们的生活质量。近年来，慢性炎性痛的机制研究一直是国内外的热点，已有多个研究证明，趋化因子通过促进促炎细胞因子的释放，参与调控炎性疼痛的发生与进展。

1.外源物质性诱发的炎性痛模型

在完全弗式佐剂(complete Freund's adjuvant,CFA)诱导的慢性炎性痛模型中，可显著上调DRG神经元中CXCR4 的mRNA 和蛋白表达水平，下调DNA 甲基转移酶DNMT3B 表达和DRG 神经元中CXCR4 基因启动区低甲基化，增强p65 结合进而促进CXCR4 表达上调[27,28]。通过沉默CXCR4 表达或鞘内注射CXCR4 拮抗剂可缓解CFA 所诱导的慢性痛觉过敏[15,28]。

在毒蜂诱导的炎性痛模型中，CXCL12/CXCR4信号通路通过介导卫星胶质细胞(satellite glial cells,SGC)-神经元，上调ERK 依赖性Nav1.8 表达，调节原发性伤害性感受神经元的兴奋性，从而促进毒蜂诱导的炎性痛，而足底注射CXCR4 拮抗剂，或应用siRNA 沉默CXCR4 表达，可预防毒蜂诱导的原发性机械痛觉过敏[29]。

2.慢性胰腺炎炎性痛模型

在慢性胰腺炎模型中，CXCL12/CXCR4 信号通路通过上调DRG 神经元中的Nav1.8 通道的磷酸化和促进胰腺中巨噬细胞浸润参与调节疼痛的发生[30]。在浸润性胆管癌或胰腺癌植入支架引起炎性痛模型中，CXCR4 抑制剂可以减少局部炎性细胞的活化，缓解支架相关性局部炎性痛[31]。

3.骨关节炎(osteoarthritis, OA)炎性痛模型

在骨关节炎(OA)模型中，雷公藤红素通过抑制CXCL12/CXCR4 信号通路减轻关节疼痛[32]。研究表明，CXCL12/CXCR4 信号通路通过激活包括ERK 和p38 在内的MAPK 通路，促进破骨细胞中破骨细胞的形成和抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase, TRAP)、 组 织 蛋 白酶K(cathepsin-k, CK) 和基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)的表达[33]。在体内靶向阻断CXCL12/CXCR4 信号通路，可上调microRNAs(miRNAs)，如 miR-221-3p，阻止 IL-1β 诱导的软骨细胞外基质的降解，也可下调相关基质降解酶的表达，如MMP-3，MMP-9 和MMP-13，减轻软骨的变性，是OA 的潜在治疗靶点[34]。

4.缺血再灌注(ischemia reperfusion, IR)诱发炎性痛模型

中枢炎性痛，如脊髓缺血再灌注(IR)诱发炎性痛模型，CXCL12/CXCR4 通过介导星形胶质细胞-小胶质细胞活化参与炎性痛的调节[35]。CXCR4 拮抗剂鞘内阻断CXCL12/CXCR4 信号通路信号传导，可降低IR 诱导的痛觉过敏。因此特异性阻断CXCL12/CXCR4 信号转导及抑制星形胶质细胞和小胶质细胞活化是治疗IR 相关炎性痛的潜在方法，对于临床诊疗具有重要意义。

5.CXCL12/CXCR4 信号通路在术后痛觉过敏中的参与作用

术后疼痛是多数手术的常见症状，是一种独特的急性疼痛状态。尽管基础和临床研究已对其病理机制有了一定的理解，但目前尚无较好的术后治疗手段。研究表明大鼠后爪足底切口增加NF-κB 的激活，介导脊髓中CXCL12 和CXCR4 表达上调，CXCL12 / CXCR4 信号通过激活ERK 参与术后疼痛的发生。预先鞘内给予AMD3100，减弱足底切口诱导的机械性异常性疼痛和热痛觉过敏。干预CXCL12 / CXCR4 信号传导可成为治疗术后疼痛的潜在靶点[36]。

三、CXCL12/CXCR4 信号通路在癌性痛中的参与作用

由原发性肿瘤或骨转移引起的骨癌痛(bone cancer pain, BCP)是中度和重度癌性痛的最常见的原因。研究表明，CXCL12/CXCR4 信号通路激活后可促进肺癌、乳腺癌、前列腺癌和结肠癌等肿瘤细胞的恶性生长和转移[37]。使用CXCR4 拮抗剂可显着抑制癌细胞生长，提高患癌症的小鼠的存活率[31]。在胫骨腔接种肿瘤细胞后，CXCL12/CXCR4 信号通路通过MAPK 激活致敏神经元、星形胶质细胞及小胶质细胞，促进炎症因子释放，如IL、TNF，造成持续骨癌痛[38]。因此，CXCL12/CXCR4 信号通路或是骨癌痛潜在的治疗靶点。

四、CXCL12/CXCR4 信号通路在阿片类药物诱导痛觉过敏中的参与作用

目前临床上阿片类药物治疗被认为是治疗慢性疼痛的有效方法，但由于阿片类药物诱导的痛觉过敏(opioid induced hyperalgesia, OIH)，导致疗效会随着时间的推移而降低[39]。在正常大鼠的DRG 神经元和脊髓背角中，CXCR4 分布在表达δ-阿片受体(delta-opioid receptor, DOR)和 μ-阿片受体 (mu-opioid receptor, MOR)的细胞上，暗示CXCL12/CXCR4 信号通路可能影响阿片受体活性[40]。阿片类药物和趋化因子受体之间相互作用可作为减少临床OIH 的突破点。

在瑞芬太尼诱导的OIH 模型中，脊髓中CXCL12/CXCR4 信号通路和膜联蛋白1 (Annexin 1,ANXA 1)表达上调，N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor, NMDAR) 磷酸化增强。应用CXCR4 抑制剂预处理可减少痛觉过敏和NMDAR 磷酸化。表明脊髓中的CXCL12/CXCR4信号通路、NMDAR 和ANXA1 参与调节OIH 的疼痛的发生发展[41]。

在吗啡诱导OIH 模型中，大鼠脊髓背角中CXCL12 的 RNA 水平表达上调，而与CXCL12 中和抗体共同给药可减弱耐受性，保持吗啡镇痛作用[14]。以上实验表明CXCL12/CXCR4 信号通路参与调节OIH 的发生发展，干预CXCL12/CXCR4 信号传导可成为治疗OIH 的潜在靶点。

需要注意的是，以上不同的疼痛模型，CXCL12/CXCR4 的作用方式存在一定差异。据上文所述，其作用方式大致可分为两种类型，①外周机制，如刺激外周伤害性感觉神经元或直接刺激 DRG、调节钠通道的磷酸化，促进促炎细胞因子的产生或细胞内Ca2+的浓度增加等，上调CXCL12/CXCR4 信号通路的信号转导；②中枢机制，通过介导胶质细胞的活化、胶质细胞-神经元相互作用的中枢敏化，进一步通过不同的下游通道上调CXCL12/CXCR4 信号通路的信号转导，参与神经病理性疼痛的发生发展。而在特异性抑制CXCL12/CXCR4 信号通路的表达或其上下游通道的表达，都可以抑制痛觉敏化的发生发展。

五、展望与结论

综上所述，越来越多的实验结果表明CXCL12/CXCR4 信号通路参与慢性痛的产生与维持过程，在慢性痛中发挥重要作用。临床上现有的镇痛药物，如阿片类药、非甾体消炎镇痛药、抗抑郁药和抗惊厥药等，其镇痛效果均不尽人意，限制了慢性痛的治疗。因此，深入开展慢性痛的机制研究及研究成果对于未来镇痛领域的探索具有重大启示作用。可通过各种方式对CXCL12/CXCR4 信号通路进行干扰，如CXCL12 中和抗体、CXCL12 通路抑制剂、CXCR4 受体拮抗剂或基因靶向治疗手段等，阻断CXCL12 和CXCR4 的结合或者阻断其下游信号传导，达到治疗慢性痛的目的。然而CXCL12/CXCR4信号通路与多条信号通路存在信号的交叉转导，其相互作用方式制尚不明确。因此有必要对该通路的镇痛机制进一步研究，为临床治疗慢性疼痛提供理论和实验依据。