Ⅲ型代謝型谷氨酸受體在痛覺調控中的作用

王靜，高進賢，高琲，葛斌，吳樹金，3*（1. 寧夏醫科大學藥學院，銀川 750004；. 甘肅省人民醫院藥劑科，蘭州 730000；3. 蘭州大學藥學院，蘭州 730000）

谷氨酸（glutamate，Glu）是哺乳動物中樞神經系統中主要的興奮性神經遞質，存在于整個大腦、脊髓和外周，并在傷害性刺激和組織、神經損傷時釋放增多，參與痛覺的傳遞及慢性疼痛相關的中樞敏化。谷氨酸通過激活兩類受體來介導其作用，分別是離子型谷氨酸受體（ionic glutamate receptor，iGluR）和代謝型谷氨酸受體（metabotropic glutamate receptor，mGluR）[1]。

關于iGluR類的藥物因為不良反應多，研究受到限制。如氯胺酮具有強大的鎮痛特性，然而，由于其潛在的擬精神作用，對氯胺酮這類iGluR藥物的使用僅限于可以進行臨床監測的環境[2]。近年來對mGluR在疼痛中作用的研究日益深入。mGluR是C家族G蛋白偶聯受體，參與調節整個中樞神經系統的突觸傳遞和神經元興奮性，在整個神經系統的突觸前膜和突觸后膜表達。根據氨基酸序列同源性、胞內G蛋白偶聯信號轉導機制及配體選擇等藥理學特性（見圖1），將mGluR分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型共計8種（見表1），其中Ⅲ型包括mGluR4、mGluR6、mGluR7和mGluR8。除mGluR6僅在視網膜內存在外（與疼痛無明顯相關性），其他Ⅲ型mGluR都在外周和中樞神經系統中廣泛表達，在不同的解剖區域具有一定的亞型特異性[3]。本文就近年Ⅲ型mGluR在不同腦區的分布、突觸的定位及可能的突觸前受體調節模式在痛覺調控中的作用進行綜述，以期為Ⅲ型mGluR痛覺調控的相關研究提供參考。

圖1 mGluR介導的化學和分子信號通路示意圖Fig 1 Signaling downstream pathways of mGluR

表1 代謝型谷氨酸受體分型Tab 1 Classification of mGluR

1 Ⅲ型mGluR的結構和生理功能

1.1 mGluR的結構

mGluR由1個大的細胞外親水性N端（N-terminal）結構域、7個跨膜結構域（hepatahelical domain，HD）和1個大的細胞內C端（C-terminus）組成。N端包含1個配體結合區域，并包含1個高度保守的富半胱氨酸區域（cysteine-rich domain，CRD）。N端配體結合域類似于金星捕蠅器的嘴，稱為金星捕蠅器結構域（venus flytrap domain，VFD），它包含谷氨酸結合位點。VFD通過CRD與HD相連。這7個跨膜結構域由胞內和胞外環連接，隨后是1個可變長度的細胞內C端（見圖2）[4-5]。

圖2 mGluR的結構Fig 2 Structure of mGluR

1.2 Ⅲ型mGluR的生理功能

一般情況下，Ⅲ型mGluR定位于突觸前。在突觸前位置，mGluR4和mGluR8通常位于突觸外位置，而mGluR7則高度定位于活性區。Ⅲ型mGluR活化后，通過抑制突觸前鈣離子內流來抑制谷氨酸或γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）的釋放。在突觸后末端，谷氨酸與谷氨酸門控離子通道N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）、α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異噁唑丙酸（α-amino-3-hydroxyl-5-methyl-isoxazole-4-prorionate，AMPA）和紅藻酸鹽（kainate，KA）結合后，使細胞內鈉離子或鈣離子增加，促進細胞興奮性（見圖3）[5]。

圖3 Ⅲ型mGluR細胞定位和細胞功能Fig 3 Cell localization and function of group Ⅲ mGluR

2 Ⅲ型mGluR在中樞及外周神經系統中的表達

Ⅲ型mGluR在整個痛覺上行及下行調控神經軸中都有表達。在中樞神經系統中表達情況如下：在丘腦、杏仁核、前額葉皮層中有mGluR4、mGluR7和mGluR8表達；在導水管周圍灰質中有mGluR7和mGluR8表達；在脊髓中有mGluR4和mGluR7表達。除此之外，在外周痛覺感受器中，mGluR4、mGluR7和mGluR8都有表達[6]。近期研究表明，mGluR8在脊髓中也有表達（見圖4）[7]。

圖4 Ⅲ型mGluR在疼痛通路中的表達示意圖Fig 4 Schematic representation of the expression of group Ⅲ mGluR within the pain pathways

3 中樞神經系統Ⅲ型mGluR在痛覺調控中的作用

3.1 杏仁核中Ⅲ型mGluR調節疼痛的作用

中央杏仁核（central amygdala，CeA）是情緒認知活動的整合中心，CeA突觸前Ⅲ型mGluR可能是緩解深層組織炎癥病變引起疼痛的潛在治療靶點。

有研究將mGluR7激動劑AMN082注射到正常大鼠CeA中，結果大鼠的后肢屈肌反射閾值顯著降低了，增加了對無害和有害刺激的超聲波發聲時間，并增加了焦慮樣行為，提示mGluR7激動劑在正常大鼠中具有促傷害性作用和焦慮樣作用；但在關節炎大鼠中則無以上改變，這表明關節炎相關的變化可能阻斷了mGluR7介導的作用[8]。給予mGluR8選擇性激動劑DCPG則顯示，在關節炎大鼠中，顯著提高了大鼠的脊髓后肢屈肌反射閾值，部分逆轉了機械超敏反應，顯著降低了對無害和有害刺激的超聲波發聲時間，逆轉了關節炎的影響，同時顯示出一定的抗焦慮作用，但對正常大鼠則無上述影響，提示mGluR8選擇性激動劑在疼痛模型中具有抗傷害性和抗焦慮樣作用。綜上表明，CeA中的mGluR7和mGluR8在痛覺調控中發揮著相反的作用[8]。

上述情況產生的機制可能是AMN082增加了正常大鼠腦切片中的單突觸興奮性突觸后電流（excitatory postsynaptic currents，EPSCs）和動作電位，但對疼痛模型無此作用；此外，還與AMN082降低了正常大鼠單突觸和多突觸抑制性突觸后電流（inhibitory postsynaptic currents，IPSCs）有關。因此，在正常大鼠中，激動突觸前 mGluR7，抑制了CeA中抑制性突觸傳遞，促進興奮性傳遞，增加了谷氨酸能在CeA腦區的投射，從而產生促傷害性作用，但在疼痛時對突觸傳遞沒有影響。與之相反，DCPG在關節炎大鼠腦切片中比在正常大鼠腦切片中更有效的抑制EPSCs的峰值，而對抑制性突觸的傳遞無影響。因此，激動疼痛模型突觸前 mGluR8產生的抗傷害性作用是通過抑制CeA中疼痛相關的興奮性突觸傳遞發揮的[9]。

3.2 導水管周圍灰質中 Ⅲ型mGluR調節疼痛的作用

導水管周圍灰質（periaqueductal grey，PAG）是痛覺下行調控的重要處理中心，谷氨酸和GABA在PAG水平上的痛覺處理中發揮著至關重要的作用[10]。

有研究表明，在福爾馬林炎癥性疼痛大鼠模型中，全身給藥或腹外側導水管周圍灰質（ventrolateral periaqueductal grey，VL PAG）內局部注射mGluR8選擇性激動劑（S）-3，4-DCPG，能顯著減少福爾馬林誘導的雙相傷害性行為；mGluR7拮抗劑MMPIP進行VL PAG內局部注射，也能產生與（S）-3，4-DCPG相同的鎮痛效應，但全身給藥無效。在角叉菜膠炎癥性疼痛大鼠模型中，全身給藥或VL PAG內局部給藥（S）-3，4-DCPG均顯著增加了熱刺激誘發的縮足潛伏期和機械刺激誘發的縮足閾值（paw-withdrawal mechanical threshold，PWMT）。將Ⅲ型mGluR拮抗劑MSOP注射入VL PAG時，則可以抑制上述鎮痛效應[10-11]。在坐骨神經結扎（spare nerve injury，SNI）神經病理性疼痛大鼠模型中，注射MMPIP 到VL PAG中相比假手術組顯著增加了SNI組的甩尾潛伏期。而當全身給藥時，未顯示出鎮痛作用[10]。在另一項研究中，SNI損傷3 d后腹腔內注射（S）-3，4-DCPG顯著增加了熱刺激誘發的縮足潛伏期和機械刺激誘發的縮足閾值，7 d后注射（S）-3，4-DCPG則沒有改變[11]。以上結果表明，激動mGluR8受體可緩解炎性及早期神經病理性疼痛大鼠的痛覺過敏，而對于持續性神經病理性疼痛，其效果較差。在正常小鼠中，VL PAG內注射（S）-3，4-DCPG增加了其甩尾潛伏期，注射AMN082則降低了其甩尾潛伏期[12]。以上研究結果提示在PAG中激動mGluR7和mGluR8起著相反的作用。

近期有研究顯示，在糖尿病神經病變小鼠模型中，潛在的mGluR8激動劑Homo-AMPA注射入VL PAG增加了小鼠的甩尾潛伏期和縮足閾值；降低了延髓頭端腹內側核團（rostroventromedial medulla，RVM）ON細胞的持續活性、爆發的頻率和爆發的持續時間。在對照組中，Homo-AMPA增加了其甩尾潛伏期，降低了ON細胞的持續活性、爆發的頻率和爆發的持續時間；還增加了RVM OFF細胞持續活性，減少并延遲了OFF細胞的暫停[13]。以上研究表明，PAG的鎮痛作用主要是通過調節RVM內的神經元產生的，其對脊髓背角的投射抑制了傷害性神經元的活動和疼痛反應[13]。

3.3 脊髓中Ⅲ型mGluR調節疼痛的作用

3.3.1 Ⅲ型mGluR選擇性激動劑L-AP4 在脊髓神經損傷大鼠模型中，鞘內注射Ⅲ型mGluR選擇性激動劑L-AP4可以顯著提高機械刺激誘導的縮足閾值，降低了大鼠的機械痛覺敏化；而鞘內注射Ⅲ型mGluR的選擇性拮抗劑MAP4則可以抵消這個作用，雙向證實了在脊髓水平激動Ⅲ型mGluR受體后對病理性神經痛發揮著鎮痛的作用。然而鞘內注射L-AP4并不能改變正常大鼠的痛閾值，但是鞘內注射MAP4卻可以誘發正常大鼠出現痛覺過敏和痛覺超敏，降低傷害性刺激痛覺閾值，相關機制尚不十分清楚，或許與正常情況下谷氨酸釋放的基礎水平相關，從而限制了Ⅲ型mGluR的作用[14]。其他研究也證實，鞘內給予Ⅲ型mGluR激動劑ACPT-Ⅰ或mGluR4激動劑PHCCC對正常大鼠機械或熱刺激后的傷害性感受閾值沒有影響，但顯著降低了炎癥性疼痛和神經性疼痛大鼠的機械痛覺過敏，使用MAP4消除了ACPT-Ⅰ對以上兩個模型的抗痛覺過敏作用。此外，ACPT-Ⅰ和mGluR4選擇性激動劑PHCCC僅逆轉了炎癥和神經性疼痛動物模型的痛覺過敏，并未起到完全鎮痛的作用。ACPT-Ⅰ的抗痛覺過敏作用可能是通過激活mGluR4來發揮的[15]。

在坐骨神經慢性壓迫性神經損傷（chronic constriction injury，CCI）大鼠模型中，L-AP4鞘內注射既降低了假手術組的痛覺傷害性反應，也降低了CCI組大鼠福爾馬林誘導的痛覺傷害性反應。在完全弗氏制劑（complete Freund’s adjuvant，CFA）炎癥大鼠模型中，L-AP4鞘內注射不影響辣椒素誘導的傷害性反應，但降低了正常大鼠對辣椒素誘導的傷害性反應。這些結果與L-AP4降低了福爾馬林誘導的CCI大鼠脊髓谷氨酸釋放的增加，但不影響辣椒素誘導的CFA大鼠谷氨酸釋放的增加相類似。因此L-AP4可緩解神經病理性或福爾馬林誘導的炎癥性大鼠的痛覺過敏，但不影響CFA炎癥性大鼠的傷害性反應[16]。使用L-AP4對福爾馬林炎癥性疼痛綿羊模型機械痛覺過敏沒有影響，這與在大鼠中使用L-AP4的結果不同，其原因尚不清楚，可能與劑量或物種相關[17]。

在一項對脊髓損傷的大鼠電生理研究中，由初級傳入神經誘發的谷氨酸能EPSCs的基線振幅顯著大于對照組，但神經損傷大鼠的 GABA 能和甘氨酸能IPSCs基線頻率遠低于對照組大鼠。注射L-AP4后對神經損傷大鼠EPSCs 振幅的抑制作用大于對照組，然而，L-AP4對GABA能和甘氨酸能 IPSCs 的抑制作用并無顯著差異。該研究表明，神經損傷增加了來自初級傳入神經的谷氨酸能輸入，但減少了脊髓背角神經元的GABA能和甘氨酸能輸入。Ⅲ型mGluR激動劑對神經病理性疼痛發揮抗傷害性作用的原因可能是激活Ⅲ型mGluR會減弱神經損傷大鼠初級傳入的谷氨酸能輸入[18]。

L-AP4可以激活mGluR4和mGluR7，抑制傷害性刺激誘發的淺背角神經元的動作電位，從而抑制炎性和神經病理性疼痛，但是L-AP4不改變正常動物的痛閾值[14]。Wang等[19]研究了mGluR4選擇性激動劑VU0155041和mGluR7激動劑AMN082，發現鞘內注射 VU0155041減弱了神經病理性疼痛模型大鼠的機械痛覺過敏和熱痛覺過敏，而鞘內注射AMN082并沒有該作用。此外，與L-AP4的作用相似，VU0155041和AMN082均未能在正常大鼠中誘導任何抗傷害性感覺。這些觀察結果表明，體內脊髓mGluR4（而非mGluR7）可能與神經性痛覺過敏相關。mGluR4的mRNA表達在脊髓背角呈現彌散性分布，包括灰質和白質，主要在非傷害神經元和背角中間神經元，但在Ⅰ、Ⅱ板層表達很少。因此它可能參與非傷害性信息在脊髓傳遞過程中遞質釋放的調控。

3.3.2 mGluR7激動劑AMN082 雖然AMN082并沒有抑制神經病理性疼痛模型大鼠的痛覺過敏，但在另一項研究中，鞘內注射AMN082可以抑制福爾馬林炎癥性疼痛綿羊模型患肢機械痛覺過敏，對健側肢沒有影響。這是因為使用AMN082增強了脊髓內源性mGluR7受體活性，抑制炎癥性綿羊的急性傷害性感受處理和痛覺過敏[17]。還有研究表明，鞘內注射AMN082對角叉菜膠和爪切口誘發的炎癥大鼠的熱痛覺過敏有顯著的抑制作用，且在誘發炎癥前后均能抑制熱痛覺過敏，但對機械痛覺超敏沒有影響[20]。

上述對神經病理性疼痛研究結果表明，脊髓mGluR可能在調節脊神經結扎所致神經病理性疼痛中發揮重要作用。然而，另一項研究結果顯示，Ⅰ型mGluR拮抗劑、Ⅱ型或Ⅲ型mGluR激動劑在脊髓神經結扎大鼠中均未表現出任何抗神經性疼痛的活性，表明脊髓mGluR并沒有直接參與脊髓神經結扎后神經性疼痛的發展。脊髓損傷后，周圍神經表現出自發的和持續的傳入放電，導致脊髓的敏化，從而驅動神經性疼痛的發展。在此研究中雖然單獨使用Ⅲ型mGluR激動劑ACPT-Ⅲ沒有抗神經病理性疼痛的活性，但是增加了嗎啡的鎮痛作用，使嗎啡的用量大幅下降，其具體機制尚不明確[21]。

3.3.3 Ⅲ型mGluR拮抗劑CPPG 近期有研究顯示[7]，在福爾馬林炎癥性大鼠模型中，Ⅲ型mGluR拮抗劑CPPG減弱了大鼠炎癥性階段的傷害感受行為和脊髓背角Ⅰ-Ⅱ板層興奮性神經元中fos細胞的表達[7]。而L-AP4對福爾馬林炎癥性大鼠模型則無作用，這與之前的Ⅲ型mGluRs激動劑具有鎮痛作用的研究結果不一致[14-20]。該研究發現，mGluR4和mGluR8mRNA優先表達于pax2陽性抑制性神經元，而非lmx1b陽性興奮性神經元。鑒于這些結果和正常條件下這些受體的細胞內信號（Gi/o），mGluR4和mGluR8的作用可能為抑制抑制性神經元，導致興奮性神經元的反應性增加。這些結果表明，Ⅲ型mGluR的拮抗劑有可能是抑制了mGluR4和mGluR8，觸發了抑制性神經元的去抑制，抑制了脊髓背角Ⅰ-Ⅱ板層興奮性神經元的興奮性，從而產生了抗傷害性行為的作用[7]。

綜上，多數研究表明，Ⅲ型mGluR激動劑具有一定的鎮痛作用。但仍有相反的研究結果，即Ⅲ型mGluR激動劑單獨使用無鎮痛作用，還有研究表明是Ⅲ型mGluR拮抗劑而非激動劑有鎮痛作用，因此需要進一步的研究。

3.4 背側紋狀體中Ⅲ型mGluR調節疼痛的作用

背側紋狀體（dorsal striatum，DS）作為基底神經節的一部分可能在痛覺處理過程中發揮作用。向假手術大鼠DS微量注射AMN082，促進了機械痛覺超敏和熱感受反應，增加了RVM ON細胞的活性，抑制了RVM OFF細胞的活性；增加了DS網狀核中總傷害性OFF神經元的活性。相反，AMN082則抑制SNI大鼠的痛覺超敏和甩尾潛伏期，抑制了RVM ON細胞的活性，增加了RVM OFF細胞的活性；抑制了DS網狀核中總傷害性OFF神經元的活性。但AMN082既降低了假手術組大鼠的谷氨酸水平也降低了SNI組谷氨酸水平。此外，在DS外1 mm處微注射AMN082未能改變假手術和SNI大鼠的機械刺激誘發的縮足閾值。AMN082對機械痛覺超敏和谷氨酸釋放的作用均可以被mGluR7選擇性拮抗劑ADX71743阻斷。通過向丘腦下核顯微注射利多卡因來阻斷間接通路（蒼白球外段-丘腦下核-蒼白球內段-黑質網狀部）后，利多卡因消除了AMN082對假手術大鼠總傷害性OFF神經元的影響，而對SNI大鼠則沒有影響[22]。因此，激活mGluR7在生理條件下促進疼痛的作用可能是由基底神經節的間接途徑介導的，在病理條件下抑制疼痛的作用可能是由基底神經節的直接途徑介導的[22]。

DS內微注射選擇性mGluR8激動劑（S）-3，4-DCPG，沒有改變假手術大鼠的甩尾潛伏期和機械刺激誘發的縮足閾值，也對其ON和OFF細胞的活性沒有影響；但（S）-3，4-DCPG增加了SNI大鼠的甩尾潛伏期和機械刺激誘發的縮足閾值，抑制了ON細胞活性，同時增加了OFF細胞的活性。而DS內注射選擇性mGluR4激動劑VU0155041，則對正常生理狀態和SNI大鼠的熱痛敏和ON、OFF細胞活性方面均無效[23]。這些結果表明，在神經病理性疼痛模型中刺激mGluR8可抑制熱感受反應和機械性痛敏，該作用與抑制RVM內的ON細胞和刺激OFF細胞有關，但在正常大鼠中激動mGluR8沒有改變疼痛反應的作用[23]。

4 外周系統中Ⅲ型mGluR調節疼痛的作用

外周神經元是感覺傳感器和傳遞器，在各種生理和病理條件下通過釋放谷氨酸與外周環境相互作用。強烈的有害刺激或炎癥條件導致初級傳入神經終末釋放谷氨酸到外周組織。動物研究的結果顯示，通過調節外周谷氨酸能系統，可以起到鎮痛作用[24]。

有研究顯示，在蜂毒誘發的大鼠足底炎癥性疼痛模型中，足底注射選擇性Ⅲ型mGluR激動劑L-AP4具有鎮痛作用，與對照組相比，對炎癥性疼痛模型大鼠的撤足次數產生了劑量相關的抑制作用，而選擇性Ⅲ型mGluR拮抗劑MSOP預處理則消除了這種抑制效應。但L-AP4對蜂毒誘導的機械性痛覺過敏沒有抑制作用，不能抑制縮足閾值的降低[25]。在角叉菜膠關節炎疼痛大鼠模型中，誘發疼痛期間和疼痛維持期間，用L-AP4治療，增加了大鼠的縮足閾值和負重值，表明 L-AP4激活Ⅲ型mGluR對角叉菜膠誘導的關節炎疼痛具有抗痛覺過敏作用[26]。在CFA關節炎疼痛模型中，大鼠膝關節注射高劑量L-AP4也能使負重值增加，還能抑制因為膝關節上的機械壓力造成的外周感覺神經末梢的神經元興奮性。但是，在非炎癥狀態下沒有顯著的抑制作用。因此，激活外周Ⅲ型mGluR可以抑制CFA炎癥大鼠神經末梢的神經元放電速率，從而在負性調節傷害性行為和疼痛傳遞中發揮重要作用[27]。近期有研究顯示，在福爾馬林炎性疼痛大鼠模型中，足底注射Ⅲ型mGluR激動劑減弱了炎癥性階段的傷害感受行為和脊髓背角fos蛋白的水平，降低了脊髓中促炎因子腫瘤壞死因子-α（tumour necrosis factor-α，TNF-α）和白細胞介素-1β（interleukine-1β，IL-1β）的水平。該研究表明，外周Ⅲ型mGluR通過減少外周感覺輸入和中樞敏化參與痛覺的傳遞[28]。

5 結論

mGluR在中樞、脊髓、外周痛覺感受器中廣泛表達，使得mGluR調節疼痛的機制和作用位點尚不清楚。目前的研究表明，在CeA、PAG中選擇性mGluR7拮抗劑和mGluR8激動劑均可發揮鎮痛效應；而應用AMN082激活mGluR7對正常動物則產生了促傷害反應。在DS中mGluR7和mGluR8激動劑在神經病理性疼痛模型中產生了相同的鎮痛效應，但是應用AMN082激活mGluR7對正常動物則產生了促傷害反應，這提示在生理病理條件下mGluR7是通過不同機制、途徑參與痛覺的調控。脊髓上的mGluR4與神經病理性痛覺過敏有關，這表明mGluR4在疼痛處理中的作用也很重要。綜上，關于Ⅲ型mGluR在痛覺調控中的作用尚不完全明確，目前的相關研究結果也存在一定的爭議，尚需要在生理和各種不同的病理情況下，在不同的痛覺調控水平上，進行深入的研究。