疼痛病学诊疗手册:手术与创伤后疼痛病分册
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第三节 手术与创伤后疼痛的发生机制

一、手术与创伤后急性疼痛的发生机制
(一)伤害性感受器的痛觉传感
1.伤害性感受器
伤害性感受器是由Sherrington在1906年首次提出的,即痛觉感受器,可以感受伤害性或持续性的刺激,是感受机械、化学、热等刺激的基本功能单位,也是一种产生痛觉信号的外周换能装置。其广泛分布于皮肤各层、肌肉、关节、内脏器官以及小血管周围。在手术与创伤后,周围损伤组织的伤害性感受器选择性的接收刺激。
2.伤害性传入纤维
手术与创伤后疼痛的传导是通过传导神经纤维来实现的(图1-3)。伤害性的传入纤维分为两类:Aδ纤维和C纤维。手术或创伤导致组织损伤后,传导痛觉信号的纤维主要为Aδ纤维和C纤维。研究证实:Aδ纤维有髓鞘,传导伤害性刺激的速度较快,主要传递刺痛感(锐痛);而C纤维则无髓鞘,传导伤害性刺激的速度也较Aδ纤维要慢,往往传递灼痛感(钝痛);但是并非所有的术后疼痛都由这两种纤维传导,也有可能是粗纤维Aα纤维所传导的。由于两者传导刺激信号的速度有差异,因此Aδ纤维总是比C纤维更早地将伤害性信息传递到皮层,因此引起的是快痛,这种痛发生很快,但是消失也快,兴奋阈低;而C纤维引起的是慢痛,这种痛定位难,发生慢,消失也慢,兴奋阈高,因此往往会使疼痛患者产生情绪上的反应。Aδ纤维主要投射到脊髓背角深层细胞,通过新脊丘束上行,投射到丘脑的腹后外侧核,再投射到躯体的感觉皮层,形成外侧痛觉系统。C纤维主要投射到脊髓背角浅层细胞上,通过旧脊丘束上行,投射到丘脑内侧核群,再投射到前扣带皮层,构成内侧痛觉系统。这两种纤维的投射之间有一定的关联性。最新的研究指出,Aδ纤维和C纤维本身就是手术后创伤而产生的一个疼痛点,能够引起机体在生理、形态、生化上的许多变化,如外周初级传入终末或背根节的活动异常。
图1-3 疼痛投射到大脑的回路示意图
手术切割伤口会激活伤害感受器,导致创伤,造成炎症反应,伤害性刺激会产生电脉冲,通过初级传入A纤维和C纤维传入到脊髓,初级传入神经元突触与脊髓背角的刺激传入神经元可通过侧脊髓丘脑和脊髓网状途径把冲动带到更高的冲动中心,进而产生疼痛。长期增强继发性痛觉过敏是中枢敏化的关键。上发条效应可重复激活C纤维和N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDAR)上的谷氨酸,在正常条件下,镁离子可以阻止NMDAR,但在疼痛的刺激下,镁离子能够被消除,第二级神经元的反应被放大,这就解释了NMDAR激动剂如何对阻止上发条效应有效。二级神经元的反应会放大最初的刺激,导致痛觉过敏,激活背角中的二级神经元也能使炎症范围以外的疼痛阈值降低
3.痛觉的信息传递
疼痛的感觉信息由外侧痛觉系统传递,而痛情绪则由内侧痛觉系统进入中枢。在中枢,疼痛信息经由包括初级和次级的躯体感觉皮层、岛叶、扣带回、小脑、等皮层区域,以及海马、杏仁、丘脑、基底神经节、中脑、脑桥、延髓在内的皮层下区域处理后产生相关疼痛。
研究发现,痛觉通过Aδ纤维和C纤维传递到脊髓后角的T细胞,兴奋的T细胞会通过脊髓丘脑束传递疼痛信息到脑内,并且Aδ纤维和C纤维与T细胞交汇之前,先与脊髓背角罗氏胶质区(SG)的细胞相连。当粗纤维传入冲动时,T细胞和SG细胞同时兴奋,SG由于是调节疼痛的传导,因此它的兴奋可以抑制T细胞的兴奋,从而一定程度上减轻了细纤维的传导,这就是胶质细胞对T细胞的闸门样作用,被称为Melzack闸门控制学说。
(二)痛觉的上行传导通路
手术以及创伤引起的组织损伤可以激活脊髓伤害性感受器向神经元投射,形成从脊髓到脑干和丘脑的上行投射。主要包含以下五个通路:
1.脊髓—丘脑束(spinal thalamic tract,STT)
从脊髓直接投射到丘脑,传递痛觉、温觉、痒觉。STT终止在6个区域,分别为:腹内侧核后部、腹后核、腹外侧核、中央外侧核、束旁核、背内侧核腹尾部。
2.脊髓—脑干投射
这种投射在伤害性刺激的整合和自稳态行为的加工处理中起到了重要的作用。投射经过脑干的整合后,会有另一部分通路间接传导伤害性刺激到前脑。并且,脊髓到脑干的投射影响并调节脊髓和前脑的活动,进而产生疼痛。脊髓-脑干投射终止在4个区域,分别为:儿茶酚胺细胞群、臂旁核、导水管周围灰质、脑干网状结构。
3.脊髓—下丘脑通路(spinal hypothalamic tract,SHT)
伤害性刺激可以激活下丘脑神经元,它可以调节强刺激下的自主神经、内分泌、情绪和行为反应。这条通路可以直接从双侧脊髓背角深层和外侧颈核经过侧索投射到下丘脑。也有些细胞会投射到杏仁核、伏核、膈区,产生痛情绪。
4.突触后背柱通路(dorsal column postsynaptictracts,PSDC)
这个通路主要传递书写觉、两点辨别觉、位置觉。突触后背柱通路由背角Ⅲ层和Ⅹ层的神经元发出,在背柱内上行到达背柱核,换元后沿内侧丘系浓密地投射到腹后外侧核和前顶盖核,此外,有一些会延伸到丘脑后核群,另一部分还浓密地投射到未定带的咀端和腹部以及内侧和外侧的膝状体之间的外侧带。
5.脊—颈—丘脑束(spinocervical tract,SCT)
这条通路来自脊髓背角Ⅳ-Ⅵ层和Ⅹ层细胞,它的轴突上行在外侧索背部,终止于外侧颈核。这是一个可能的传递伤害性信息到达外侧丘脑的通路。
一级传入纤维进入脊髓后,在平行的1-2节内交叉至对侧的腹外侧,与二级神经元形成轴突,并组成上行束。感受伤害刺激的细胞主要集中在脊髓背角,特别是第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅴ层,第Ⅱ层的胶状细胞能够对伤害性刺激信号的传导起调节作用。而第Ⅴ层细胞对触觉、温觉及各种伤害性刺激都能发生反应。
手术与创伤后在脊髓传导通路中有许多受体参与疼痛信号的传导。这些受体包括:阿片受体和兴奋性氨基酸受体,如N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid,NMDA)受体、辣椒碱受体、神经激肽1型(neurokinin-1,NK-1)受体以及大麻素受体等。其中阿片受体是疼痛信号传递过程中最重要的受体。阿片受体不仅仅分布于脊髓背角和脑这些中枢神经系统中,还分布于整个神经系统,包括外周神经系统和中间神经元。当致痛因子激活一些痛觉信号转导受体时,痛觉信号的传递会变得异常复杂。在脊髓背角中,短时程反应的兴奋性氨基酸系统由非NMDA受体介导,而P物质与兴奋性氨基酸共存的长时程反应系统由神经激肽1型受体和NMDA受体同时介导。
在痛觉传导的过程中,疼痛信息不断变化着传递到更高的结构。在脊髓内,神经元相互连接,并释放一些物质组成网状结构,统一控制次级信号的传递。脑啡肽中间神经元可以调整投射到神经元上的刺激,也具备释放内啡肽等物质的作用。所以Aδ纤维不仅能影响投射神经元,也会影响脑啡肽能中间神经元,可改变内啡肽的释放。阿片物质的释放和作用也受其他因素的影响,当C纤维受刺激时,不仅会传递到投射神经元,也会传递到其他不同的中间神经元和γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)中间神经元。神经递质GABA也可抑制脑啡肽能神经元。
(三)皮层和边缘系统的痛觉整合
丘脑不仅是各种躯体感觉信息进入大脑皮质之前最重要的传递中枢,也是重要的痛觉整合中枢,如髓板内核群,包含中央核、中央外侧核及束旁核等结构。中央核可能是一个调制痛觉的中枢结构,而中央外侧核及束旁核则可能是痛觉冲动的接收中枢。
在边缘系统的一些结构中,如扣带回、海马和下丘脑等结构也可测探到痛敏细胞,这可能和痛情绪的发生有关。刺激膈区和视前区可导致疼痛阈提高,也能缓解患者的慢性疼痛症状。尾状核是基底神经节中最大的一个核团。电刺激尾状核可能缓解癌症患者的慢性疼痛。
总之,整个大脑皮质在痛觉的整合过程中的关键作用就是对痛觉进行感受和分辨。
脊髓丘脑束进入丘脑后形成二级神经元,发出的纤维会与以下5个结构相互作用,产生一系列机体生理功能的改变。
1.白质、扣带回和额叶
纤维到达这一部分,会导致躯体产生痛觉,机体可以感知疼痛的性质、强度和位置。
2.网状结构和丘脑核
纤维在于网状结构和丘脑核相连时,当人体感到疼痛的时候,呼吸和循环会受到影响。
3.边缘系统、额叶和扣带回
当纤维延伸到边缘系统、额叶和扣带回这个部位,人的情绪会受到很大的影响。
4.垂体
当纤维与垂体相连,机体内分泌系统会受到严重影响。
5.上行网状激活系统
当纤维与上行网状激活系统相连,会影响到人的注意力和警觉力。
(四)下行性抑制系统和神经介质对痛觉的调控
下行痛觉调控是痛觉信号的重要调控系统。内源性痛觉调制系统不仅能感受和分辨疼痛信号,而且还可能产生较强的自身镇痛作用。
在脊髓背角胶质区存在大量GABA能中间神经元,其轴突及含囊泡的树突与传入神经C纤维末梢形成突触连接。在GABA受体亚型中,GABA B亚型主要集中在脊髓背角Ⅰ、Ⅱ层,C纤维末梢上存在这类受体。GABA B受体激动剂可以对脊髓背角神经元的伤害性反应产生持续时间较长的抑制。在脊髓背角胶质区存在大量参与背角痛觉信号调节的内源性阿片肽(脑啡肽和强啡肽)、中间神经元及各类阿片受体。以下将介绍下行性抑制系统中的几个重要结构。
1.中脑导水管周围灰质(periaqueductal grey,PAG)
PAG在内源性痛觉调控系统当中起到了关键作用。它的强大力量不仅仅在于它可以产生巨大的镇痛能力,更重要的是它可以激活高级中枢产生更大的镇痛效应。因此,手术与创伤后的镇痛作用只有少部分是通过PAG实现的,还有一部分与内源性阿片肽的参与有关。值得一提的是,PAG神经元自发放电频率低,对外周刺激能做出多种反应,有的只对伤害性刺激做出反应,有的只对非伤害性刺激做出反应,并且PAG内还存在与伤害性刺激反应相关的启动神经元和停止神经元。此外,PAG中含有多种神经递质和神经肽,比如阿片肽、P物质、5-HT、GABA和神经降压素等。PAG在产生下行抑制时输出兴奋的神经元,然而阿片肽突触是抑制的,所以阿片肽的镇痛作用是抑制了GABA神经元这样一个中间神经元,来使PAG输出神经元兴奋的。资料证明,PAG通过神经降压素和5-HT纤维投射来激活下一级疼痛调制中枢。
2.延髓头端腹内侧结构(rostral ventromedial medulla,RVM)
这个结构起源于PAG的脑干下行冲动大多抑制经过其他核团的中继到达脊髓,在PAG区域给一个电刺激,会使RVM神经元产生兴奋反应。RVM结构包含4个核团,并且RVM神经元自发放电频率高低不一,自发放电频率较低的一般为被伤害性刺激兴奋的神经元,而自发放电频率较高的一般为被伤害性刺激抑制的神经元。并且,RVM神经元的外周感受大到遍及全身。另外,RVM可分为3类:停止神经元、启动神经元和中性神经元。
3.蓝斑、蓝斑底核、外侧网状核
这些源于PAG的下行抑制作用,除主要经由RVM的5-HT递质系统介导外,还可经脑桥背外侧被盖的蓝斑、蓝斑底核和延髓尾端外侧网状核的NE神经系统作用于脊髓。另外,伤害性刺激可明显提高蓝斑、蓝斑底核神经元的放电频率。外侧网状核也是脑干对伤害性信息产生紧张性下行抑制的重要核团,损毁这一核团可减弱电刺激PAG对脊髓背角伤害感受性神经元的抑制,因此它在PAG镇痛中起到一个接替的作用。另外,它通过5-HT系统和脊髓α2受体介导也可产生镇痛作用。
4.脑桥中脑外侧顶盖(dorsolateral pontine tegmentum,DLPT)
这一部分在脑干痛觉下行调控系统中也起到了一定的作用。电刺激DLPT能抑制防御性脊髓反射和背角伤害性感受神经元活动。临床实践证明,刺激DLPT能明显缓解疼痛。
此外,痛觉调控系统还参与镇痛药物的镇痛作用机制。例如,吗啡、芬太尼等阿片类止痛药属外源性阿片,其作用与内源性阿片相似。外源性阿片是通过激活脑、脊髓背角、神经节的阿片受体发挥镇痛作用。当外源性阿片与阿片受体结合时,将与抑制性G蛋白结合,减少环磷腺苷生成,直接或间接抑制Ca 2+及Na +通道的离子电流,减少P物质释放,从而抑制疼痛信号转导,达到镇痛作用。三环类抗抑郁药则是通过选择性抑制神经末梢对神经递质去甲肾上腺素和5-HT的再摄取而发挥辅助镇痛作用。
二、手术与创伤后急性疼痛向慢性疼痛转变的发生机制
目前认为,手术或创伤对人体产生了二重伤害,一是损伤组织对机体产生持久的伤害,二是伤口愈合产生的炎症反应。无论是哪个方面,伤害性信息都能传入疼痛的传递通路,发生敏化。敏化产生机制对急性手术后痛转为手术后慢性痛的过程极其重要,可分为外周敏化和中枢敏化,外周敏化会使伤害性刺激传入的阈值下降,而中枢敏化则会使脊髓神经元的兴奋性增加(图1-4)。
图1-4 手术与创伤后疼痛导致外周和中枢敏化示意图
损伤(手术或创伤)可释放炎性介质,使伤害性感受器放电性能增加,感觉神经元的活动增强导致数小时内背根神经节中肽水平的升高(降钙素基因相关肽、P物质、脑源性神经营养因子)并释放入骨髓和损伤组织。双频率相关效应发生在脊髓,被称为上发条效应和LTP。这些都需要背角神经元中NMDAR的活化。背角神经元中其他受体,如酪氨酸激酶B(tyrosine receptor kinaseB,TrkB)和NK1受体。活化的小胶质细胞也可释放脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF),从而降低带电的氯离子途径对钾氯共转运体(K +-Clcotransporter,KCC2)的转运作用,进而转化成兴奋性的抑制作用,导致伤害性途径放电增强。钙离子的流入参与基因转录机制来激活第二信使,导致伤害性感受器作用的延长。因此,用药物阻断中枢敏化可以大大降低手术后痛的发病率
(一)外周敏化
手术或创伤导致损伤组织后,组织中原有的,或者随后募集来的巨噬细胞、淋巴细胞、肥大细胞等会释放大量炎症介质,导致血管扩张,血浆蛋白渗出,并作用于释放化学介质的炎症细胞。这些作用会相互影响使炎症介质释放,并产生放大效应,因此很小的刺激也可引起疼痛。临床通常表现为:自发性疼痛、痛觉过敏和触诱发痛。这一系列因手术与创伤导致的外周伤害性感受器的激活和进行性的活化称为外周敏化。受损的神经、肌肉、肋骨等在重新修复过程中发生了异位放电,神经纤维异位增生,局部产生了致炎因子、神经生长因子(nerve growth factor,NGF)和痛觉递质,多种离子通道发生改变,最后周围组织敏感化增加,不仅促进了痛觉的形成,更有助于痛觉从急性疼痛向慢性疼痛转变。
(二)外周交感纤维活动与疼痛
交感神经系统在慢性疼痛的形成和持续过程中也起着关键的作用。手术与创伤能够导致交感神经系统的紊乱,并在局部形成复杂的疼痛综合征,主要表现为局部痛觉过敏、触碰诱发痛。当损伤周围神经后,形成的新芽对α-肾上腺能激动剂敏感,而背根神经节上存在α-肾上腺能受体,背根神经节与交感传出纤维终末之间形成了支配,因此交感神经传出纤维的活动能使周围传入纤维的活动发生异常。
(三)中枢敏化
手术与创伤造成组织损伤之后,不仅引发原发性痛觉过敏,即对切口处的机械性刺激或热刺激反应增强,使得正常的非伤害性触碰也能诱发严重的局部疼痛,如切口疼痛、受损的神经支配区域的疼痛;而且还引发继发性痛觉过敏,即对切口组织周围的未损伤区域或与受损神经邻近的正常神经的支配区域对机械性刺激或热刺激反应也增强。后者源于脊髓背角痛觉神经元过度兴奋所引起,即中枢敏化(图1-5)。初级传入神经元C纤维反复持久地进行刺激,使得中枢神经系统的功能和活性发生变化,手术与创伤造成组织损伤之后,伤害性刺激通过C纤维传入,释放出一系列的神经递质,如谷氨酸、P物质、降钙素基因相关肽(Calcitonin gene related peptide,CGRP)、NGF、ATP等。这些神经递质作用于相应的受体,有NMDA受体、非NMDA受体,神经激肽1受体,P2X受体,使得脊髓背角神经元的兴奋性升高。伤害性刺激会使初级传入纤维肽类递质释放增加,导致Ca 2+内流增加,第二信使系统被激活,蛋白激酶的活性发生了改变,并且蛋白质磷酸化。另外,损伤期间,蛋白激酶的激活产生转录变异,最终导致脊髓背角细胞对现存传入冲动和原来的阈下传入的反应性提高,对正常刺激提高了反应性,新近传入冲动激活阈值降低,接收区域扩大等反应。在中枢敏化形成中,伤害性的神经递质谷氨酸以及P物质分别作用于NMDA受体和NK1受体而激活细胞内各种生化反应,这些生化反应主要包括蛋白激酶C、一氧化氮代谢通路和丝裂原活化蛋白激酶(mitogenactivated protein kinase,MAPK)等,最终使得神经元的可塑性发生变化。并且在术中,神经遭到牵拉、压迫甚至切断,通过神经免疫反应会产生一系列的炎症递质和疼痛介质,不停地刺激着中枢,因此脊髓背角神经元产生兴奋,并通过基因表达改变神经元的功能,最终发生中枢敏化,产生持久的疼痛。而超前镇痛的原理就是使手术创伤所产生的伤害性刺激无法通过脊髓并向脊髓以上的高级中枢传导,使脊髓背角神经元不产生异常的兴奋,减少损伤在脊髓以上传递过程中的记忆痕迹,防止了外周损伤冲动传入中枢神经的一种治疗方式。
图1-5 中枢敏化机制示意图
中枢敏化是由谷氨酸过度激活NMDAR介导的,能够产生并维持疼痛。NMDA受体广泛分布于哺乳动物的脑内。图1-5中,GLU通过激活NMDA受体不仅可以引起Ca 2+的大量内流,而且可以通过NMDAR/PSD-95/nNOS复合物激活下游的nNOS,引发神经兴奋性损伤从而导致疼痛。但是,nNOS和NMDAR与学习记忆能力有关,直接抑制nNOS或NMDAR会造成记忆力减退、精神失常等副作用,因此不直接抑制nNOS或NMDAR,而是选择性地阻断NMDAR与PSD-95或者nNOS与PSD-95的相互作用,可以在不影响nNOS、NMDAR对中枢神经系统的正常作用的前提下抑制疼痛中NO的释放。在目前开发的NMDAR/PSD-95/nNOS复合物阻断剂中发现,阻断下游的PSD-95/nNOS要优于阻断上游的NMDAR/PSD-95通路
长时间的C纤维伤害性感受器兴奋能引起中枢神经系统释放谷氨酸,进而作用于突触后离子型谷氨酸受体,谷氨酸作用于α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异 唑丙酸(α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid,AMPA)受体,而C纤维反复、高频刺激会激活NMDA受体使兴奋反应扩大,就是上发条效应。正常情况下,NMDA受体的离子通道会被镁离子阻塞,但随着刺激的不断持续,镁离子移除,这种增强NMDA受体的作用在急性疼痛转为慢性疼痛中起到了重要的作用,导致继发性痛觉过敏。虽然NMDA在术后痛中发挥了重要的作用,但单一的NMDA受体阻滞剂并不能很好地镇痛。因此,在多模式镇痛技术中应用小剂量的NMDA受体阻滞剂对于手术后急性疼痛向慢性疼痛转变有着很好的治疗效果。
(四)神经损伤
在手术和创伤对组织造成损伤之后,组织局部募集的炎症细胞会释放一些化学介质,如缓激肽、5-HT、前列腺素(prostaglandin,PG)、组胺、神经肽、血清素、钾离子、白三烯、去甲肾上腺素、NGF等。这些化学介质会刺激痛觉神经终末感受器,激活外周伤害性感受器,此时伤害信息向中枢神经系统传递,一并介导神经源性炎症的产生,引起外周神经递质,如CGRP和P物质的释放,从而导致血管舒张,引发疼痛,其他的物质由神经末梢释放。并且造成末梢神经的损伤,末梢神经远端会沿着髓鞘发生非特异性改变,在损伤的神经一侧形成新芽,此时痛觉神经感受器和轴索因过敏而产生异常兴奋。由于局部损伤而导致痛阈降低,并逐步扩大到损伤周边的部位,因此,就算是很小的刺激也能激活Aδ、C纤维,使其致敏而诱发剧烈的疼痛。
神经损伤后会在组织局部导致神经纤维瘤的生长,这很大程度上诱发了慢性神经病理性疼痛。例如开胸术,在术中开胸器压迫了神经,手术牵拉,对肋间进行处理,以及术后炎症的发生,均会导致肋间神经的损伤,并且这种损伤往往恢复困难。
三、手术与创伤后慢性神经病理性疼痛发生机制
(一)神经胶质细胞参与慢性疼痛
除了前面所提及的神经元的机制,中枢神经系统中的胶质细胞,尤其是星形胶质细胞和小胶质细胞在神经病理性疼痛的发生发展中起到重要作用。活化的胶质细胞通过多种途径持续释放痛觉递质参与疼痛的形成。首先,神经胶质细胞激活后能产生并释放一些炎症介质和与疼痛有关的活性物质,如氧自由基、一氧化氮、ATP、花生四烯酸、白三烯、前列腺素、兴奋性氨基酸等。其次,胶质细胞释放这些物质通过自分泌作用和旁分泌作用对脊髓中更多的胶质细胞起到活化的作用,形成了胶质细胞活化的正反馈。另一方面,胶质细胞被激活后会合成并分泌大量的致炎因子,这些致炎因子产生并维持着手术与创伤后的疼痛。
在众多的致炎因子中,最重要的是肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor,TNF-α),在手术或创伤造成的神经损伤之后,外周神经系统和中枢神经系统首先产生TNF-α,从而引起白介素1(interleukin-1,IL-1)和白介素6(IL-6)的产生,并且极其微量的致炎因子就可以引起强大的生理效应。因此,两种甚至更多致炎因子协同作用,便会产生显著的致痛作用。另外这些致炎因子对痛觉具有双向调节作用,即急性作用和慢性作用。急性作用就是致炎因子与特异性受体结合,激活胶质细胞和神经元,改变细胞膜上钙通道和钠通道的通透性,迅速提高神经元兴奋性,导致神经病理性疼痛。而慢性作用就是致炎因子可以通过调控初级感觉神经元上的离子通道的表达,持续兴奋神经元,并使脊髓背角突触传递效率明显增强,引起外周敏化和中枢敏化。因此,抑制这些致炎因子可以有效减轻手术与创伤后造成的神经病理性疼痛。
在脊髓背角,神经元周围围绕着星形胶质细胞的突起、初级传入神经元末梢和突触后神经元,这三者相互间形成了三合体突触。星形胶质细胞的突起包裹着突触,其表面表达了多种受体和离子通道,可敏感地感知损伤后脊髓背角神经元的周围的变化,这时可以释放各种介质作用于小胶质细胞和神经元,增强突触传递信息,诱导释放突触后神经元递质并活化小胶质细胞。另外,星形胶质细胞之间的缝隙连接可传播神经信号至远处,神经元和星形胶质细胞递质的诱导可使小胶质细胞迅速激活并合成释放大量致炎因子,在进一步活化的同时还会作用于未活化的胶质细胞形成“瀑布”效应。
(二)细胞因子参与慢性疼痛的发生
组织损伤之后,神经胶质细胞、神经元附近浸润的免疫细胞,如巨噬细胞、淋巴细胞等会产生并释放大量细胞因子,这些细胞因子包括致炎因子和抗炎因子,对慢性神经病理性疼痛的形成和维持起到了重要的作用。此外,研究还发现,趋化因子也同样发挥着重要的作用。
神经胶质细胞没有产生动作电位的能力,不能直接参与痛觉的传递,所以神经胶质细胞必须通过释放出的细胞因子和趋化因子来改变神经元的兴奋性,从而发挥致痛作用。下面将介绍几种在手术与创伤后疼痛中起到重要作用的细胞因子。
1.TNF-α
TNF-α是神经损伤之后最早释放的致炎因子,它在引起手术与创伤后慢性神经病理性疼痛中起到了核心的作用。TNF-α有两种受体,即肿瘤坏死因子α受体1和受体2,其中,TNF-α受体1起到了关键的作用。TNF-α受体1可激活MAPK家族中的C-jun N端激酶(JNK)、P38MAPK和蛋白激酶A(PKA)引起慢性疼痛。神经损伤后,首先产生的TNF-α会引起其他细胞因子的表达。研究发现,阻断TNF-α受体可以减轻神经病理性疼痛。此外,TNF-α还可引起外周敏化和中枢敏化。研究发现,脊髓局部使用TNF-α的中和抗体或敲除TNF-α受体1可以防止脊髓背角的C纤维产生长时程增强(long term potentiation,LTP)。
2.IL-1β
神经元和胶质细胞都可以分泌IL-1β,研究证明,IL-1β参与疼痛的调节。与TNF-α相似,敲除IL-1β会产生痛觉超敏,脊髓局部使用IL-1β会引起脊髓背角的LTP。并且研究发现,术后痛引起外周神经损伤和中枢神经损伤时,IL-1β的mRNA水平明显升高,同时IL-1β可直接兴奋伤害性感受器或兴奋伤害性感受器的传入纤维,通过诱导NGF、NO、缓激肽和PGs等疼痛介质的产生来引起疼痛。
3.IL-6
IL-6是炎症和免疫反应中一个重要的神经递质,在中枢神经系统的多种功能如细胞间的信号、神经免疫反应的协调、保护神经元免受伤害以及神经元的分化、生长和生存中都发挥着重要的作用。研究证明,术后引起神经损伤导致的疼痛中,IL-6均明显升高。最新发现,TNF-α合成可以诱发IL-6的上调,这表明TNF-α可以促进IL-6的释放进而引起痛觉过敏。
4.趋化因子
目前已经发现的趋化因子近50种,并且每个趋化因子含有4个保守的半胱氨酸,可以将这些趋化因子分为4类:CC类,不插入其他氨基酸残基,即β类趋化因子,如单核细胞趋化蛋白-1;CXC类,插入1个氨基酸残基,即α类趋化因子,如白介素18;CX 3C类,插入3个其他氨基酸,如Fractalkine;XC类。目前发现的趋化因子大多属于α类趋化因子和β类趋化因子。研究证明,趋化因子在疼痛的调节中是十分复杂的,损伤神经后,外周的趋化因子使多种细胞上调,动员血液中的白细胞到达受损神经,导致外周敏化,而中枢的趋化因子可以激活脊髓中的胶质细胞,进而引起中枢敏化。
(三)慢性炎症
局部长期存在的慢性炎症也是诱发手术后慢性神经病理性疼痛的原因之一。慢性炎症会导致炎症介质的改变与神经损伤导致的外周敏化和中枢敏化互相影响,共同促进慢性疼痛的过程。手术与创伤后产生各种炎症介质,如白介素、前列腺素、P物质、组胺、缓激肽、5-HT等,细胞内一系列复杂的生化过程被激活,感觉神经阈值随之降低,伤害性感受器变得敏感,最终可以引起创口周围组织产生痛觉超敏,疼痛的程度增加,并且疼痛持续的时间变得更长。另外,慢性炎症还可通过脊髓背角神经将疼痛信号放大,导致中枢敏化,进而产生慢性疼痛。在部分手术中,还会在体内植入物体,也是诱发慢性炎症介导慢性疼痛产生的重要原因。当外周神经接触到植入物体时,会发生神经髓鞘的退变,进而产生水肿和组织的纤维化。非甾体抗炎药可以降低植入手术慢性疼痛的发病率,这就说明抗炎镇痛可以减少慢性疼痛的发生。
大量临床案例证明,手术与创伤后急性疼痛若不控制,脊髓背角会产生新基因的表达,可逐渐转变成慢性疼痛,因此术后镇痛以及镇痛时机、镇痛强度和镇痛方式对防止患者手术后急性疼痛转变为慢性疼痛尤为关键。
(刘文涛 杨颜菁)
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