諾貝爾生理學或醫學獎的明星分子TRPV1 受體參與慢性疼痛*

劉風雨 萬 有△

（1 北京大學神經科學研究所；2 北京大學基礎醫學院神經生物學系；3 神經科學教育部重點實驗室 / 國家衛生健康委員會神經科學重點實驗室，北京 100191）

北京時間2021 年10 月4 日，2021 年諾貝爾生理學或醫學獎共同授予了大衛·朱利葉斯 (David Julius) 和阿登·帕塔普蒂安 (Ardem Patapoutian)，以表彰他們分別發現了“溫度和觸覺感受器”。大衛·朱利葉斯利用辣椒素（一種來自辣椒的刺激性化合物，可引起灼熱感），發現了皮膚神經末梢中對熱有反應的“感受器”—瞬時感受器電位受體家族-香草酸受體亞型1（transient receptor potential vanilloid 1, TRPV1, 也稱為辣椒素受體）。阿登·帕塔普蒂安則使用對壓力敏感的細胞，發現了一類對機械刺激做出反應的新型“感受器”—PIEZO 通道。人類甚至包括動物能感知熱、冷和碰觸的能力，對生存至關重要，是人們與周圍世界互動的基礎。神經感覺纖維和周圍環境之間存在復雜的相互作用，很顯然這兩名獲獎者找到的溫度覺和觸覺感受器是機體與環境相互作用時關鍵環節。

作為疼痛領域的研究者，我們在1999 年就關注到大衛·朱利葉斯等1997 年克隆的TRPV1 受體[1]。TRPV1受體是一個配體門控的非選擇性陽離子通道，當其與配體結合后導致陽離子（尤其是鈉離子和鈣離子）從胞外進入胞內，引發了一系列生物學效應。TRPV1 受體可被多種傷害性刺激激活，例如芳香草醛化合物（以辣椒素為代表）、熱刺激( > 43℃)和氫離子 (proton)。早期研究表明，TRPV1 參與了急性炎癥痛的形成[1～5]。急性疼痛屬于生理性疼痛，對生物體起到警示和保護作用。與急性疼痛不同，慢性疼痛屬于病理性疼痛。即使原發病灶治愈了，慢性疼痛依然存在，對個體是一種折磨。

TRPV1 參與慢性疼痛嗎？針對這個有趣的科學問題，TRPV1 克隆成功以來，本實驗室進行了系列研究，本文將進行簡要回顧和評述。

一、TRPV1 受體參與慢性炎癥痛

TRPV1 是外周重要的溫度感受器，廣泛分布于傷害性感受器上，在急性炎癥痛中的作用受到高度的關注，而在慢性炎性痛中的作用不甚明了。本課題組首次報道TRPV1 參與慢性炎性痛[6～10]。

1. TRPV1 受體參與慢性炎癥痛大鼠的外周敏化

采用大鼠足底注射完全弗氏佐劑 (complete Freund's adjuvant, CFA)，建立慢性炎癥痛模型。慢性炎性痛能夠持續28 天，在7～14 天時較為明顯。正常大鼠中TRPV1 特異表達于背根神經節 (dorsal root ganglion, DRG) 的中、小直徑神經元和脊髓背角I、II 層的纖維上。在炎癥痛大鼠的前3 周（21 天），造模側DRG 和脊髓背角淺層TRPV1 的表達水平均顯著性增加，其中在7～14 天左右達高峰，但是第28 天時趨于恢復到正常[6]。外周皮下或脊髓鞘內給予TRPV1 特異性拮抗劑，可以阻斷CFA 模型的熱痛敏和機械痛敏。更有意思的是，正常和急性疼痛時只表達在與痛覺相關的小直徑DRG 神經元上的TRPV1，在慢性疼痛時也表達在大、中直徑神經元上，即出現了TRPV1 表達的“移型”，進而從外周敏化的角度，合理解釋慢性炎性痛大鼠發生的熱痛敏和機械痛敏[6～8]。

TRPV1 受體活性的調節，一直備受關注。TRPV1 受體主要受到蛋白磷酸化和去磷酸化修飾的動態調控，如在絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶作用下發生磷酸化 (phosphorylation)，而在絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶作用下發生去磷酸化 (de-phosphorylation)。研究還發現，TRPV1 通道活性還受到酪氨酸磷酸化的調節，如在Src 作用下發生酪氨酸磷酸化。從酪氨酸去磷酸化的角度，本實驗室發現TRPV1 受到一種酪氨酸磷酸酶Shp-1（全稱：含Src 同源結構域2 的酪氨酸磷酸酶-1, Src homology 2 domain-containing tyrosine phosphatase 1）的調節。研究結果表明：①Shp-1 通過抑制TRPV1 受體活性維持大鼠熱誘發疼痛的正常痛閾。一旦Shp-1 的抑制作用被消除，大鼠將出現熱痛敏；②在CFA 炎癥痛大鼠的DRG 中，酪氨酸磷酸化的TRPV1 以及TRPV1總蛋白質表達量增加。Shp-1 蛋白質表達量也代償性地增加，Shp-1 通過抑制TRPV1 的活性限制CFA炎癥痛的發展，對機體起到保護作用[9]。

2. TRPV1 受體參與慢性炎癥痛大鼠脊髓的中樞敏化

前面說到，DRG 神經元外周端（外周痛覺纖維）的TRPV1 受體，可以感受到溫度和痛覺刺激，這似乎還較容易理解。那么，位于DRG 神經元的中樞端（脊髓背角淺層）的TRPV1 受體，在疼痛和傷害性信息的傳遞中是否發揮了作用？這也是一個有趣的問題，因為脊髓背角是中樞神經系統，這里是“恒溫”的，從常識上說，這里的TRPV1 似乎不應該起什么作用。但我們的研究結果表明，慢性炎癥痛的早期，大鼠脊髓中即出現突觸傳遞的長時程增強 (long-term potentiation, LTP) 現象。引起LTP的C 纖維放電為低頻無規律放電。脊髓背角突觸前TRPV1 受體，通過增加突觸前遞質釋放，誘發脊髓背角LTP 的形成，從而參與慢性炎癥痛脊髓背角的中樞敏化[10]。

以上結果表明，TRPV1 通過以下機制參與慢性炎性痛：DRG 外周端的TRPV1 受體，做為溫度和痛覺感受器，當受到外周炎癥刺激后，TRPV1 受體表達出現從小直徑到大中直徑細胞的“移型”，參與外周的熱痛敏與機械痛敏；DRG 中樞端的TRPV1 受體位于脊髓背角，增加突觸前遞質釋放，誘導LTP 形成，參與脊髓背角的中樞敏化。

二、TRPV1 受體參與慢性癌性疼痛

隨著癌癥診療技術的進步，癌癥病人生存時間的延長，慢性癌性疼痛成為影響癌癥病人生活質量的一個嚴重問題。大約30%～50%的癌癥病人和75%～95%的晚期癌和轉移癌病人都有疼痛的發生。因此，對慢性癌性疼痛發生機制的研究受到全世界的關注。研究表明，慢性癌性疼痛既有慢性炎癥痛和神經病理性疼痛的參與，也有獨特的神經化學調節的機制，具有自身獨特的特點[11]。在發現TRPV1 受體參與慢性炎癥痛的基礎上，本課題組深入探討了TRPV1 受體在慢性癌性疼痛的作用及其調控機制，并首次報道TRPV1 受體參與內源性甲醛導致的慢性癌性疼痛，腫瘤微環境中的IGF-1 參與上調TRPV1 受體[12～17]。

1. TRPV1 受體參與慢性癌性疼痛

采用大鼠脛骨注射MRMT-1 乳腺癌細胞系的方法，建立大鼠慢性癌性疼痛模型。造模后7 天骨質微弱破壞，14 天出現骨質明顯破壞，28 天脛骨完全破壞。在造模后10 天左右，模型動物出現明顯熱痛敏以及機械痛敏，并一直維持至28 天。在慢性癌性疼痛造模后7～28 天，DRG 中TRPV1 表達水平明顯增加，并且增加TRPV1 主要表達在面積為300～400 μm2的小直徑DRG 神經元上。從造模后第9 天開始注射TRPV1 拮抗劑，可以明顯緩解熱痛敏以及機械痛敏[12～14]。

2. TRPV1 受體被腫瘤組織產生的內源性甲醛激活導致慢性癌性疼痛

腫瘤細胞本身分泌與腫瘤生長、免疫及炎癥相關的因子（如腫瘤壞死因子、白細胞介素-1、內皮素等）。除了這些已知的因子，我們發現代謝與生長非常旺盛的腫瘤細胞（如乳腺癌細胞），通過絲氨酸羥甲基轉移酶 (serine hydroxymethyltransferase,SHMT) 1 和2 以及賴氨酸特異性組蛋白去甲基化酶(lysine-specific histone demethylase, LSD) 1 的催化產生大量的代謝“廢物”—內源性甲醛（區別于環境中的外源性甲醛）[15]。在大鼠脛骨轉移性慢性癌性疼痛模型，其骨髓、血漿和脊髓等部位，內源性甲醛含量明顯升高。

進一步的實驗表明，這些升高的內源性甲醛會導致骨癌痛；而且，是通過激活TRPV1 起作用。離體實驗發現，甲醛不僅能夠劑量依賴性增加DRG神經元的細胞內鈣離子水平，還可以增加內向電流的幅度。進一步模擬癌癥局部的酸化環境 (pH = 6.0)，將明顯增強甲醛誘發的內向電流。而甲醛的以上作用，均可被TRPV1 拮抗劑阻斷。另外，甲醛通過ERK、P38、JNK 和PI3K 信號通路上調DRG 中TRPV1 的表達[14,16]。

在體實驗發現，足底注射極低濃度的甲醛（模擬體內產生的病理濃度內源性甲醛），能夠引起大鼠疼痛反應。給予甲醛清除劑谷胱甘肽 (glutathione,GSH) 后，能緩解甲醛引起的疼痛。在慢性癌性疼痛模型中，給予TRPV1受體拮抗劑或者甲醛清除劑，均可緩解熱痛敏和機械痛敏[14]。

3.癌癥轉移組織中神經纖維上的TRPV1，其蛋白表達受到I 型胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor-I, IGF-I) 的上調，從而加劇骨癌痛

慢性癌性疼痛模型中，DRG 神經元中TRPV1的表達出現明顯上調。我們進一步探究了是什么原因上調了TRPV1 受體。在骨癌痛模型中，從接種癌細胞的脛骨骨髓腔的局部微環境來看，除了觀察到骨質破壞，還可以觀察到明顯的骨再生現象，表明成骨細胞是激活的。研究發現，激活的成骨細胞能釋放IGF-I。隨著慢性癌性疼痛造模后時間的延長，IGF-I 的含量逐漸增加。IGF-I 具有促進神經再生的作用。慢性癌性疼痛時，局部升高的IGF-I，是否上調TRPV1 的表達？

離體實驗發現，在原代培養DRG 神經元上，IGF-I 不僅劑量依賴性的上調TRPV1 蛋白質表達，還可以增加辣椒素電流。這說明IGF-I 不僅上調TRPV1 蛋白表達量，還可以增強其功能。在體實驗發現，抑制IGF-1 可以緩解熱痛敏和機械痛敏[13]。

以上結果表明，轉移到骨髓腔內的癌細胞產生病理濃度的甲醛，通過激活神經纖維末梢上的TRPV1 受體，引起感覺神經纖維的興奮性增高而導致骨癌痛。這些甲醛的產生來自于癌細胞系高表達的甲醛合成酶絲氨酸羥甲基轉移酶 (SHMT1和SHMT2) 和賴氨酸特異性組蛋白去甲基化酶(LSD1)。另一方面，癌細胞骨轉移之后，在局部導致破骨作用的同時激活了成骨細胞，后者釋放出來的IGF-I，通過細胞內的信號傳導通路上調TRPV1的表達，從而加劇慢性癌性疼痛[17]。

三、總結

自1997 年TRPV1 受體被克隆以來，本課題組致力于TRPV1 受體參與慢性疼痛的機制研究,學術貢獻主要如下：①率先提出了TRPV1 受體在慢性炎性痛中的作用；②率先提出了TRPV1 受體參與內源性甲醛導致慢性癌性疼痛及其調控的分子機制。2021 年，TRPV1 受體作為諾貝爾獎明星分子，將再次成為科學家的研究焦點。期待以此為靶點，開發出高效低毒的藥物，用以治療慢性疼痛等疾病，從而詮釋諾貝爾生理學或醫學獎獎章上的一句話—“新的發現使生命更美好”。