AMPK 参与调控疼痛机制的研究进展*

（ 华中科技大学同济医学院基础医学院，武汉430030； 华中科技大学同济医学院附属协和医院，武汉4300）

张 可1李元亨1王随曦1李 熳1向宏春2△

病理性疼痛严重影响病人的生活质量，同时可伴发功能丧失、焦虑、抑郁、睡眠障碍和认知障碍等，目前的临床药物只对不到50%的疼痛病人有显著改善作用[1]，因此探索不同作用机制和不同药理学作用的其他治疗方案仍然是疼痛研究的重要方向。免疫系统、自主神经系统、血管调节、中枢和周围神经系统对组织损伤、病原体和刺激物的各种生物反应及其复杂的相互作用介导了疼痛的发生，在炎症过程中炎症介质直接激活痛觉感受器引起疼痛[2]。另外，钙离子可调节神经递质的释放、动作电位的传递从而参与疼痛病理生理学过程，而线粒体是钙离子缓冲的重要细胞器，因此线粒体功能状态也显著影响痛觉感受器的兴奋性从而参与疼痛发生[3]。

腺苷酸活化蛋白激酶 (adenosine monophosphateactivated protein kinase, AMPK) 是一种在结构和功能上高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。AMPK作为能量代谢的主要调节因子，可以促进葡萄糖和脂类的分解产能，同时抑制大分子合成等能量消耗活动，参与到神经-体液-免疫网络的调节过程中。近年来，许多研究表明AMPK 可能是镇痛的重要靶点，主要通过抑制炎症介质表达，调节初级传入神经元离子通道的兴奋性，调控脊髓胶质细胞的活性等发挥作用[4,5]。本文根据现有研究基础，梳理了AMPK 调控炎症反应和线粒体功能参与改善病理性疼痛的机制，为疼痛的研究和临床治疗提供思路。

一、AMPK 的结构与功能

AMPK 是由三个亚基即α 催化亚基和β、γ 调节亚基组成的异三聚体蛋白。α 亚基的N 端构成激酶结构域，C 端同β 和γ 亚基结合并包含了一些重要的调节结构域，包括自抑制结构域 (auto-inhibitory domain)、α 连接子(α-linker) 和一个富含丝氨酸/苏氨酸的结构域，称为“ST 环”(ST-loop)。AMPK 的完全激活依赖于激酶结构域通过磷酸化激活ST 环中的保守苏氨酸 (Thr172)。β 亚基包含两个保守的结构域：一个碳糖结合域 (carbohydrate-binding module) 用于检测糖原 (Glycogen)，一个C 端结构域用于结合α 和γ 亚基。γ 亚基由两个Bateman 结构域组成，可使AMPK 精确感知细胞能量状态[6,7]。有三种AMPK 激酶可促进Thr172 磷酸化：上游的肿瘤抑制因子LKB1 (liver kinase B1)、CaMKKβ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase β)和激酶TAK1 (transforming growth factor-β-activated kinase 1)[8]。

AMPK 可通过抑制mTOR (mechanistic target of rapamycin) 通路减少蛋白质合成、促进凋亡和自噬。TOR 通过与mTOR 复合物1 (mTOR complex 1, mTORC1)和mTOR 复合物2 (mTOR complex 2, mTORC2) 作用，催化多个靶标的磷酸化[9]。AMPK 激活还可抑制eEF2K (eukaryotic elongation factor 2 kinase) 来限制蛋白延伸，许多被AMPK 调控的eEF2K 下游靶点也可被mTORC1 直接磷酸化，以拮抗AMPK 对eEF2K 磷 酸 化 调 节，AMPK 和mTOR 通 过 这 种方式来控制细胞的合成代谢和分解代谢[10～13]。此外，AMPK 磷酸化可抑制RNA 聚合酶转录因子IA(transcription initiation factor IA, TIF-IA)阻断核糖体RNA 的合成，从而限制蛋白质的合成[14]。

二、AMPK 调控疼痛的作用及机制

1. AMPK 与炎症介质

促炎性细胞因子如白介素-6 (interleukin-6, IL-6)和肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor-α, TNF-α)等激活Iκβ 激酶使IκBα 磷酸化，启动蛋白酶体IκB的降解，介导核转录因子NF-κB (nuclear factor κB)进入细胞核，促进炎症靶基因表达，最终加剧炎症反应；激活AMPK 对NF-κB 信号通路具有抑制作用，AMPK 主要通过多种下游途径如SIRT1 (sirtuin 1)、FOXO (forkhead box O)和PGC1α (proliferator-activated receptor gamma coactivator 1α) 等 间 接 抑 制NF-κB的活化，从而抑制炎症因子的表达[15,16]。SIRT1 与AMPK 之间的相互作用可调节氧化代谢和炎症，SIRT1 促进LKB1 的去乙酰化从而触发AMPK 活化，反过来AMPK 增加细胞NAD+(nicotinamide adenine dinucleotide)水平，诱导SIRT1 激活促进p65 的去乙酰化，直接抑制NF-κB 信号转导[17～19]。AMPK/p53/NF-κB 和AMPK/FOXO/NF-κB 信号通路都参与抗炎作用，AMPK 可通过直接磷酸化激活p-53 和FOXO 等转录因子，抑制NF-κB 信号转导从而减轻炎症反应[20,21]。

有研究表明激活AMPK 对中枢神经系统炎症有明显的改善作用。AMPK 激活可抑制STAT1 的表达，从而阻断γ-干扰素 (interferon-γ, IFN-γ) 诱导原代星形胶质细胞和小胶质细胞的CCR2 (C-C chemokine receptor type 2)、TNF-α、CXCL10 (C-X-C motif chemokine ligand 10) 和iNOS (inducible nitric oxide synthase) 基因表达，表明AMPK 可通过抑制STAT1 信号缓解中枢神经系统炎症[22]。在小鼠脑出血模型中，RO27-3225 通过激活黑素皮质素受体4 (melanocortin receptor 4)促进AMPK 磷酸化，从而抑制JNK/p38 MAPK (c-Jun N-terminal kinase/p38 mitogen-activated protein kinase) 通路，使得活化小胶质细胞炎症因子TNF-α 和IL-1β 等表达减少，最终改善脑水肿和行为功能[23]。小鼠创伤性脑损伤模型中，褪黑素可激活AMPK，抑制磷酸环磷腺苷反应元件结合蛋白(phospho-cAMP-response elementbinding, p-CREB)信号通路，减轻神经炎症和神经退行性变[24]。在另一条通路中，磷酸二酯酶是环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)特异性水解酶，cAMP 依赖途径激活AMPK 从而激活SIRT1 参与抗炎，因此磷酸二酯酶抑制剂可以有效改善脑水肿[25]。在脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)诱导BV2 小胶质细胞激活的炎症模型中，长春新碱可增强AMPK 磷酸化从而抑制小胶质细胞释放炎症因子并改善炎症[26]。这些研究表明，AMPK 活化可能通过减轻中枢神经系统炎症发挥镇痛作用。

2. AMPK 与线粒体

线粒体参与了包括细胞能量、代谢、死亡和信号转导在内的多种生物学过程[27]，许多研究表明AMPK 对线粒体的形态、数目和功能有广泛的调节作用，如运动可诱导肌细胞内线粒体增殖[28]，但在肌肉中特异性敲除AMPK 上游激酶LKB1 的小鼠，运动不会诱导线粒体增殖，且在肌肉特异性敲除AMPKα 亚基会导致线粒体生物发生减少和功能缺陷[29]。在IFN-γ/TNF-α 诱导的炎症性肌肉萎缩综合征模型中，IFN-γ/TNF-α 损害肌管内线粒体氧化呼吸，使代谢转为有氧糖酵解，AMPK 的激动剂5-氨基咪唑 4-氨甲酰核糖核苷 (5-aminoimidazole-4-carboxyamide ribonucleoside, AICAR) 可改善线粒体功能，部分地恢复其代谢功能[30]。

线粒体裂变因子(mitochondrial fission factor, MFF)是线粒体外膜上类动力蛋白(dynamin-like protein,DRP1)的主要受体，是线粒体裂变途径的核心组分，在线粒体断裂过程中介导线粒体的收缩[31,32]。AMPK 通过磷酸化MFF 来促进DRP1 在线粒体膜的增加，介导能量应激发生后对线粒体网络的调控[33]。在LPS 刺激的巨噬细胞中，麦卢卡蜂蜜 (Manuka honey) 通过激活AMPK、SIRT1 和PGC1α 等信号分子，发挥改善线粒体呼吸，提升糖酵解活性，增强能量代谢的作用[34]。同时，LPS 诱导的促炎型巨噬细胞中，草莓提取物(strawberry extract)处理可通过激活AMPK 来抑制NF-κB 从而减少炎症因子的表达，同时通过降低ROS 水平来显著减轻氧化应激，改善线粒体功能[35]。在肌筋膜疼痛综合征大鼠模型中，与对照组相比，模型大鼠腓肠肌中线粒体增殖、氧化磷酸化和能量生产显著下降，同时AMPK 磷酸化水平显著降低[36]。这些研究表明AMPK 可通过调控线粒体形态、数目以及功能、降低ROS 水平从而减轻炎症来改善疼痛。

3. AMPK 在疼痛模型中的作用

伤害性感受器通常是电静默的，生理状态下只有充分的伤害性刺激才能刺激产生并传输全部动作电位[37]。外周组织或外周神经的损伤诱导多种炎症因子可介导伤害性感受器的快速敏感[38,39]。兴奋性的即时变化通常是由于G 蛋白偶联受体α 亚基介导的短期信号转导或酪氨酸激酶受体下游激酶的激活，长时间的刺激会导致伤害性感受器功能或表型的变化，从而使疼痛敏感性发生半永久性改变，形成病理性疼痛[38,40]。创伤、代谢性疾病和化疗药物等都能通过诱导外周神经系统损伤引起神经病理性疼痛。如细胞因子TNF-α、IL-1β 和IL-6 是介导炎症细胞募集和激活的重要分子，可导致炎症反应中局部组织损伤同时诱发疼痛[41]。目前，已知多种AMPK 激动剂可通过抑制炎症因子、离子通道等改善伤害性感受器的痛敏感性，从而发挥镇痛作用（见表1）。

表1 激活AMPK 的激动剂及其在疼痛模型中的应用

在角叉菜胶诱导的大鼠颞下颌关节骨关节炎模型中，炎症局部产生大量的IL-β 和iNOS，介导炎症和疼痛的发生，激活AMPK 可恢复关节内环境稳态，并减轻炎症性疼痛[42]。在福尔马林皮下诱导的炎性痛小鼠模型中，通过激活内源性大麻素受体可活化AMPK 从而介导镇痛效应，给予AMPK 的激动剂AICAR 可增强这种镇痛效应[43]。在坐骨神经慢性压迫 (chronic constriction injury, CCI) 大鼠疼痛模型中，槲皮素可以通过激活AMPK 来抑制与疼痛密切相关的各种离子通道（如Kv4.2、Cav2.2 和Nav1.7），从而发挥镇痛作用[44]。在糖尿病诱导的神经病理性疼痛大鼠模型，二甲双胍可通过激活腰段背根神经节(dorsal root ganglion, DRG)的AMPK来抑制NF-κB 活化，从而显著改善大鼠的痛行为[45]。在眼眶下神经慢性压迫损伤诱导的三叉神经痛模型中，激活AMPK 可抑制三叉神经脊束核降钙素基因相关肽 (calcitonin gene-related peptide, CGRP)、一种伤害性感受C 纤维的主要神经递质和炎症细胞因子的表达，同时抑制胶质细胞活化，从而缓解三叉神经痛[46]。

在CCI 诱导的神经病理痛模型中，肉桂酸甲酯(methyl cinnamate) 通过激活AMPK 抑制脊髓AMPA(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole- propionicacid receptor) 受体的表达从而缓解疼痛，而这一镇痛作用可被AMPK 的拮抗剂Compound C 逆转[47]。在大鼠骨癌痛模型中（肿瘤细胞植入），白藜芦醇可激活脊髓的AMPK 来抑制大鼠脊髓小胶质细胞和星形胶质细胞的活化及其炎症因子的产生，从而发挥镇痛作用[48]。

奥沙利铂与细胞核和线粒体DNA（分别为nDNA和mtDNA）结合形成铂DNA (platinum-DNA) 复合物，铂DNA 损伤神经元中的DNA 并使自由基蓄积，进而诱导神经元凋亡[49,50]，同时奥沙利铂还可激活脊髓内胶质细胞活化，上调促炎细胞因子表达，增强脊髓背角神经元的自发兴奋性突触后电流，介导神经病理性疼痛的发生[51]。在纤维肌痛病人的成纤维细胞中，AMPK 磷酸化水平低，且与线粒体生物生成降低、耗氧量降低、抗氧化酶表达水平降低和线粒体功能障碍相关，二甲双胍处理可激活AMPK，从而改善成纤维细胞的氧化应激反应和线粒体代谢[52]。Wang 等[53]采用骨关节炎大鼠模型，葛根素通过激活软骨组织中AMPK 来增加线粒体发生、逆转线粒体功能障碍和保持关节软骨细胞外基质的完整性，最终发挥保护骨关节和改善疼痛的作用。这些研究表明激活AMPK 对病理性疼痛和炎症性疼痛有改善作用，且激活AMPK 通过抑制炎症因子对改善疼痛可能有广泛的适用性。

三、小结

本文主要从AMPK 调控炎症介质和线粒体角度，阐述了AMPK 调控疼痛的作用机制，以及AMPK 上游分子及其调控下游信号通路参与病理性疼痛的病理生理过程（见图1）。AMPK 激活后能通过改善线粒体功能，从而缓解炎症反应及其诱导的疼痛；同时，AMPK 活化又能通过多种下游信号来抑制NF-κB 等信号通路，下调炎症介质表达，从而改善病理性疼痛。另外，AMPK 激活还可抑制外周感觉神经的离子通道、神经肽等从而发挥镇痛作用。AMPK 调控疼痛的途径在多种疼痛模型中均得到了证实，包括AMPK 活化对炎症性疼痛和神经病理性疼痛的改善作用，说明激活AMPK 对改善疼痛可能有广泛的适用性。AMPK 被认为是镇痛极具潜力的作用靶点，仍需进一步的研究来明确。最后，AMPK 的激动剂主要用于镇痛机制的基础研究，离临床应用仍有很长的距离，特别是在临床研究阶段需要评估AMPK 激动剂治疗病理性疼痛的疗效和安全性。

图1 激活AMPK 缓解疼痛的信号通路示意图

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。