白细胞介素-1β与慢性疼痛相关痛觉过敏的关系及其临床应用前景

梁 枫 李少华 巩 超

1 背 景

慢性疼痛是一种严重影响人类生活质量的疾病，严重的慢性疼痛与多种疾病死亡率的升高有关[1]。关于慢性疼痛的发生机制众说纷纭。有学者认为，持续性疼痛与中脑边缘-前额叶环路的神经发生可塑性改变有关[2]；也有学者认为，外周伤害性刺激通过改变感觉神经元的DNA甲基化和组蛋白修饰而改变基因的表达，从而参与慢性疼痛的发生[3]；还有观点认为，慢性疼痛是一种复杂的生物心理社会经历，不一定存在病理学改变[4]。1995年的研究[5]结果证实，炎症反应在慢性疼痛的发展中发挥重要作用，慢性疼痛模型中的多种促炎症细胞因子(简称促炎因子)和生长因子水平升高。之后的研究结果表明，弗氏佐剂诱导的慢性炎症性疼痛[5-6]和神经损伤性疼痛[7-8]中IL-1β均呈高水平。此外，由于慢性疼痛长期存在，高水平的IL-1β可能参与机体生理学的改变，造成认知和情绪障碍，如短期记忆下降、抑郁的发生[7]。

IL-1β是一种相对分子质量为17 500的促炎因子，是IL-1家族中早期被发现的细胞因子之一，可由多种细胞产生，如单核细胞、成纤维细胞、滑膜细胞、受损的内皮细胞等[9]。由于未经过高尔基体加工，IL-1β储存在细胞质中，在细胞受到外界刺激或死亡时释放至细胞外[10]。释放后的IL-1β通过与其特异性的受体结合，经过信号转导，发挥多种生物学效应，如调节免疫、促进炎症、对抗入侵的病菌等。近年来，文献[11-13]报道，IL-1β参与慢性疼痛的发生和发展。

目前慢性疼痛患者数量众多，对镇痛治疗的需求较大。然而，现有的治疗方法疗效欠佳，亟需新的角度与切入点。IL-1β在由痛觉过敏等造成的慢性疼痛反应中发挥重要作用，可作为慢性疼痛的治疗靶点。

2 IL-1β的来源与产生机制

在慢性炎症性疼痛和神经病理性疼痛中，IL-1β主要来源于胶质细胞，包括小胶质细胞和星形胶质细胞[14]。20世纪90年代的研究[15]发现，经内毒素处理后，大鼠大脑内有广泛的、短暂的IL-1β水平升高，经免疫组织化学染色后可见小胶质细胞和升高的IL-1β存在共定位。Watkins等[16]在慢性炎症性疼痛的大鼠模型中发现活化的胶质细胞可分泌一些促炎因子，如IL-1β和神经生长因子(nerve growth factor, NGF)等。提示小胶质细胞是疼痛状态下IL-1β的主要来源之一。

众多关于胶质细胞分泌IL-1β调节机制的研究结论不尽相同。主流的观点是胶质细胞作为神经系统的免疫细胞，在神经受损时被激活，释放包括IL-1β在内的多种炎症介质[14]。此外，Wong等[17]的研究发现，皮下注射前列腺抗原诱发的免疫反应也可引起胶质细胞活化，IL-1β水平升高，从而引起慢性疼痛。调控IL-1β的释放机制涉及不同的受体。Zarpelon等[18]在坐骨神经慢性缩窄性损伤(CCI)模型中发现，少突胶质细胞来源的IL-33通过作用于IL-33受体来促进小胶质细胞的增殖，并参与调节IL-1β在脊髓中的释放。也有研究[19]结果表明，经过激动剂或ATP的长时间刺激，位于胶质细胞的细胞膜表面且对ATP敏感的离子通道型P2X7受体，可引起细胞活化，导致钙内流，使细胞内钙浓度迅速升高，促进IL-1β的释放。

Berta等[20]在吗啡诱导的急性抗伤害和痛觉过敏模型中发现，吗啡可导致星形胶质细胞产生的IL-1β水平升高，而IL-1β则可缩短吗啡的镇痛时长，起到调节作用；进一步研究发现，经吗啡处理后，大鼠背根神经节的星形胶质细胞内金属基质蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9, MMP9)表达上调，消除或者抑制MMP9可减少星形胶质细胞活化，从而使IL-1β水平下降。Grace等[21]的研究发现，吗啡通过诱导脊髓背角小胶质细胞的NOD样受体蛋白3，产生炎症小体而参与IL-1β的释放。这提示MMP9可能是IL-1β的上游刺激因子，作用于胶质细胞，调节炎症小体的产生，进而调控IL-1β的生成。

3 IL-1β在慢性疼痛相关痛觉过敏中的作用机制

痛觉过敏是慢性疼痛的主要表现之一，其发生机制与神经系统的可塑性有关，包括一些受体、离子通道、突触网络连接的改变等[22]。IL-1β可以影响整个痛觉传导通路，其由胶质细胞分泌，与受体结合后作用于胶质细胞本身，也可作用于外周神经系统的神经元(如背根神经的感觉神经元)，通过不同的信号通路，引起神经元的敏感性改变和活性因子的释放，参与痛觉过敏的发生过程。

3.1 IL-1β对外周伤害性感受器的影响 IL-1β可诱导外周伤害性感受器中降钙素基因相关肽释放，发生痛觉过敏。体外实验[23]结果表明，IL-1β刺激皮肤的伤害性感受器之后，可引起降钙素基因相关肽的分泌增多，导致机体产生热痛觉过敏，且降钙素基因相关肽增多程度与IL-1β剂量之间存在量效关系，提示IL-1β可能是一些炎症和神经病变热痛觉过敏的重要始动因素。实验[5]结果也表明，在弗氏佐剂诱导的慢性炎症性疼痛动物的背根神经节中发现降钙素基因相关肽表达上调。

此外，IL-1β可以使NGF水平增高，在炎症性痛觉过敏中发挥重要作用。既往关于慢性疼痛模型的研究[5,16]已发现，在大鼠足底注射IL-1β可以引起短时的热痛觉过敏，且可测到皮下NGF水平增高。IL-1β受体拮抗剂可抵消IL-1β升高NGF水平的作用；抗NGF抗体可减少痛觉过敏发生，但并不影响在IL-1β刺激下NGF水平的增高。升高的NGF作用于感觉神经末梢，通过与其表面的原肌球蛋白受体激酶和神经营养因子受体p75结合，引起下游信号传导，从而促进轴突过度生长而参与痛觉过敏的发生[24]。

3.2 IL-1β对感觉神经元的影响 IL-1β可以与感觉神经元相应的受体结合参与痛觉过敏发生过程。IL-1β受体Ⅰ型(IL-1βr1)表达于感觉神经元，参与疼痛的发生过程[25]。IL-1β与IL-1βr1受体结合，形成受体复合物，引起酪氨酸激酶聚集，进而引起下游蛋白激酶C的激活，后者可引起辣椒素受体发生磷酸化，使神经元对热刺激的感受阈值降低，即局部对伤害性热刺激敏感化。使用非特异性蛋白激酶抑制剂，如酪氨酸激酶抑制剂、蛋白激酶C抑制剂均可减少IL-1β引起的热敏感反应[25]。Yang等[26]通过对40%甲醛溶液诱导的炎症性疼痛模型研究发现，IL-1β刺激后可引起丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)途径中的关键分子——细胞外信号调节蛋白激酶(ERK)1/2和p38的磷酸化表达上调，此两者均可见于脊髓背角神经元中，后者表达于小胶质细胞中，增加机体对伤害感受的敏感性。通过采用小胶质细胞抑制剂和细胞外信号调节蛋白激酶的激酶(MEK，ERK的上游分子)抑制剂，可减轻IL-1β诱导的疼痛过敏。MAPK途径是IL-1激活后的经典途径，可能通过IL-1β受体(IL-1βr)在产生和维持痛觉过敏中发挥作用。

在炎症性疼痛模型的脊髓双侧神经元中均可以检测到环氧合酶2(cyclooxygenase, Cox-2)mRNA的表达量增高。通过在鞘内注射IL-1β或IL-1β阻滞剂，可分别使Cox-2 mRNA表达量增高或降低，提示IL-1β可促进脊髓神经元的Cox-2生成，导致脑脊液中前列腺素E2(prostaglandin E2， PGE2)水平升高，造成痛觉过敏。抑制IL-1β诱导的Cox-2生成，或者直接抑制中枢的Cox-2活性，可减轻炎症性疼痛的痛觉过敏[27]。Lopshire等[28]的研究结果显示，PGE2可作用于感觉神经元，通过环磷酸腺苷(cAMP)传导通路提高辣椒素诱导的离子电流，从而参与痛觉过敏的发生。关于IL-1β引起Cox-2水平升高的机制研究众多，如Narita等[29]的研究结果表明，在炎症性疼痛模型的同侧脊髓神经元中，IL-1β可提高细胞内NF-κB的水平，即依赖NF-κB的转录途径，诱导Cox-2生成，引起热痛觉过敏；也有研究[30]结果表明，IL-1β可引起转录因子cAMP反应元件结合蛋白磷酸化增多，从而促进Cox-2的生成。

有研究结果显示，除了上述的炎症因子外，神经元中趋化因子的表达也有改变。在抗癌药奥沙利铂引起的慢性疼痛反应中，IL-1β可能通过信号转导和转录激活因子3途径引起背根神经节的C-X-C基序趋化因子12(C-X-C motif chemokine 12, CXCL12)水平升高，进而引起痛觉过敏[31]。在瑞芬太尼引起的痛觉过敏模型的脊髓背角神经元中也可检测到的CXCL12水平升高。研究[32]结果表明，CXCL12可通过作用在脊髓背根神经元的C-X-C基序趋化因子受体4，引起N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate, NMDA)受体的NR2B亚基磷酸化，从而参与痛觉过敏的发生过程。

综上，IL-1β可活化多种神经元内信号通路，但不同信号通路之间是否存在交叉关联，以及通过何种分子表达而影响痛觉过敏等，鲜见相关研究。

3.3 IL-1β促进中枢敏化 长期慢性疼痛可以引起中枢敏化，提高神经元的敏感性，在产生和维持痛觉过敏中发挥重要作用。中枢敏化由兴奋性突触传递增加和(或)抑制性突触传递减少引起。Kawasaki等[30]在大鼠模型的脊髓神经元中发现，IL-1β可提高兴奋性突触传递的频率和幅度，减少抑制性突触传递的频率和幅度。IL-1β可通过IL-1受体(IL-1R)，增加位于大鼠脊髓背角神经元中α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸和NMDA诱导的电流强度，从而促进神经元的中枢敏化[33]，且IL-1β导致的突触后NMDA诱导增强作用可持续存在。这种神经元的可塑性改变参与持续性疼痛的发生和发展过程。此外，CXCL12引起的痛觉过敏也与中枢敏化有关。

3.4 IL-1β促进炎症和调控其他炎症因子的表达 慢性疼痛所致的痛觉过敏发生机制涉及众多促炎因子(包括IL-1β、IL-6、TNF-α等)水平的改变，这些促炎因子作为重要的炎症介质，参与胶质细胞对神经元的影响，进而引起痛觉过敏[34]。IL-1β在其中发挥重要的调节作用，其可作用于胶质细胞，释放炎症因子，也可以调控NGF、Cox-2、PGE2等因子的表达，促进炎症发生。此外，IL-1β作为早期炎症因子，作用于星形胶质细胞的MAPK/p38和NF-κB通路，促进诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)的表达和NO的释放[35]，引起痛觉过敏。Kuboyama等[36]研究发现，一氧化氮合酶(NOS)基因敲除小鼠的疼痛模型的痛觉反应明显减弱，小胶质细胞的活化水平也有所降低。进一步研究后发现，NO可上调炎症因子(如IL-6)和一些受体(如P2X受体)的表达。提示在慢性疼痛中，高表达的IL-1β可通过iNOS/NO途径，调控其他促炎因子并作用于其受体，参与痛觉过敏发生过程。

4 IL-1β在慢性疼痛中的临床应用前景

4.1 IL-1β可作为临床上慢性疼痛的辅助诊断指标 Bowles等[37]对骨关节炎小鼠模型的慢性疼痛进行研究，通过测定血清IL-1β水平和小鼠痛阈，发现血清IL-1β水平与疼痛敏感性有很强的相关性。Koch等[38]通过比较慢性疼痛患者与正常人血清中炎症因子水平，发现血清中IL-1β水平与疼痛的程度相关。同时，发现慢性疼痛患者血清NO水平也显著升高。提示可以通过测定血清中IL-1β水平或IL-1β下游的活性分子来评估疼痛的严重程度，为选择治疗方案提供量化指标。此外，由于慢性疼痛存在中枢敏化和胶质细胞活化，脑脊液中的IL-1β水平的变化也可能与疼痛程度相关，但目前缺乏相关研究。

4.2 IL-1β在慢性疼痛中的治疗应用 针对IL-1β参与痛觉过敏发生的机制，有很多研究通过阻断信号传导或者阻滞活性分子来减轻疼痛。Wu等[39]通过在大鼠模型中采用糖蛋白120诱导免疫缺陷相关的痛觉过敏，经白藜芦醇治疗后发现痛觉过敏发生显著减少，其机制可能涉及抑制P2X7受体表达，减少胶质细胞的活化和IL-1β的产生，降低ERK1/2的磷酸化水平，以及促进IL-10的释放等多个方面。也有研究以硝酰基供体作用于CCI模型后发现，其在急性期可以通过环磷酸鸟苷/蛋白激酶G/ATP敏感的钾通道信号通路来抑制脊髓小胶质细胞的活化和IL-1β的释放，在慢性期可以通过抑制小胶质细胞和星形胶质细胞活化，降低IL-1β水平来减少痛觉过敏的发生[40]。

除了减少IL-1β的来源，也可以通过阻断IL-1β与下游分子之间的联系而减少痛觉过敏发生。刺囊酸可以通过阻断IL-1β引起下游活性分子的生成，如Cox-2、PGE2、iNOS、NO等，减轻IL-1β引起的炎症反应，从而缓解疼痛[41]。IL-1β受体阻滞剂用于动物模型有一定的效果，但其存在的不良反应，使其临床研究受限。

另外，一些植物提取物也具有镇痛效果。Wang等[42]发现，在慢性炎症性疼痛和神经损伤性疼痛模型中，通过应用萝卜硫素，可以明显减轻小鼠的疼痛反应，且存在一定的量效关系。其作用机制是可以减少促炎因子(如IL-1β)释放，增加抗炎症细胞因子释放，且能拮抗Cox-2和NOS的致痛作用。巴西一种植物的叶子提取物可减轻弗氏佐剂诱导的急、慢性疼痛反应，也可促使炎症部位的IL-1β水平下降[6]。

IL-1β还可能通过其他机制参与慢性疼痛的痛觉过敏的发生过程。将脂肪来源的干细胞注入慢性神经病理性疼痛模型后发现，小鼠的疼痛反应明显减轻，原因可能是脂肪来源的干细胞降低了炎症因子IL-1β的水平，提高了抑炎因子IL-10的水平，促进了NOS的表达，从而缓解疼痛[43]。此外，高压氧舱治疗慢性神经病理性疼痛有一定的疗效，Zhao等[44]通过大鼠模型研究发现，高压氧舱治疗可以抑制黏着斑蛋白kindlin-1的表达。kindlin-1增高可引起胶质细胞的激活和IL-1β水平升高，进而拮抗高压氧舱的治疗作用，提示抑制kindlin-1后可减轻神经病理性疼痛中的炎症反应而缓解疼痛。也有研究[45]将纳米材料用于慢性疼痛的治疗，将有机硒化合物放入纳米胶囊中，可提高药物靶向性，抑制IL-1β水平的升高，从而明显减少痛觉过敏的发生。

5 总结与展望

慢性疼痛是一种慢性炎症反应，IL-1β在其发生和发展过程中起重要作用。IL-1β可来源于多种细胞，在慢性疼痛中其主要来自于胶质细胞，并受不同细胞因子调节。IL-1β可作用于痛觉传导通路中的外周感受器、感觉神经元、中枢神经元等部位，导致其敏感化；并作为胶质细胞和神经元之间的重要介质，参与痛觉过敏的发生。然而，尚无关于IL-1β在痛觉调节通路上通过减弱抑制效应来参与痛觉过敏发生过程的研究。

目前，针对IL-1β来源或者其作用机制来治疗慢性疼痛的研究较多，可达到减少痛觉过敏发生的作用。一些药物的有效性提示了存在未被发现的痛觉过敏发生机制。临床上可针对IL-1β进行系统深入的研究，从而改善患者的生活质量。