疼痛(Pain)是具有生物学意义的警戒信号,对机体具有自身保护作用。然而,急性痛长期迁延不愈时就会诱发慢性痛,不仅能造成感觉神经系统功能障碍,同时也会导致焦虑、抑郁和认知障碍等精神共病,严重影响人们的工作、学习和生活。既往50年的研究在伤害性信号从外周到脊髓的神经传导,以及外周敏化和脊髓中枢敏化机制等方面上取得较大进展。但是,由急性痛向慢性痛的演变过程,及其神经调控机制至今仍旧不清。这为临床有效诊治慢性痛设置了障碍。目前,探索疼痛发生、发展和慢性化机制的研究既是国际前沿神经科学研究的热点,也是医学难题之一。外周组织损伤和持续性炎症对机体是一种非常强烈而长期的有害刺激。组织损伤后,组织内的ATP、H+、K+等炎症介质释放,从而引起P2X3、TRPV1、TRPV2等通道激活,促使脊髓伤害感受性神经元保持高兴奋状态,并伴随交感神经活化。同时,外周组织损伤和炎症导致伤害性感受器阈值降低,引起外周敏化。当持续性的伤害性刺激信号传导至脊髓背角后,能够引起伤害性感受神经元的激活和敏化即出现所谓的神经可塑性变化,如后放电、wind up现象、LTP等中枢敏化现象。脊髓胶质细胞的活化、抑制性神经元活性降低以及源自脊髓上位脑结构,包括丘脑、皮层、扣带回、岛叶、脑干等的下行痛抑制系统作用的削弱和下行易化系统作用的增强都参与和诱导伤害性反应在脊髓背角的表达和敏化,最终导致脊髓前角运动神经元兴奋性增强,进而易化伤害性反射,形成持续性自发痛、痛敏、异常痛敏以及镜像痛(或痛敏)。经过10余年的持续性研究,我们实验室证实蜜蜂毒(bee venom,BV)痛模型能够很好地模拟临床炎性痛的病理性状态特征。向大鼠足底注射蜜蜂毒溶液,不仅可以即刻引起大鼠局部注射区组织出现长时程的红肿、渗出等炎性痛表现,而且还可以诱发出单相、时程持续达72~96小时的自发性缩足反应行为以及抬足、舔足等特别关爱受伤足部的行为活动。此外,BV注射后2小时,注射部位可出现原发性热痛敏和原发性机械痛敏,而注射部位远端出现继发性热痛敏,注射对侧足出现镜像热痛敏等。蜜蜂毒模型与以往的福尔马林、角叉菜胶、酵母多糖等疼痛模型不同,它不仅无种属差异性,还具有较多的疼痛表型。因此,蜜蜂毒模型是研究病理性痛涉及外周和中枢敏化机制的一个理想的疼痛模型。本课题工作主要基于两方面目的,一方面探索何种脊髓或者外周信号分子参与蜜蜂毒引起的伤害性反应和相应痛觉敏化现象的发生和维持过程;另一方面,以临床治疗为目的,通过蜜蜂毒模型,为临床病理性痛的防治提供新的药物治疗靶点,从而有效缓解患者的持续性或慢性痛。Rac1,又称Ras的C3肉毒素底物1(Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1,Rac1)蛋白是一种Rho家族成员小G蛋白。大量研究表明,Rac1参与对细胞增殖、分化、凋亡的调节,还与神经元的发育、存活和神经退行性病变密切相关。有研究指出,Rac1不仅与神经元突触的可塑性变化相关,而且参与调节神经病理性痛状态下的脊髓神经元树突棘的形态以及突触的兴奋性和信号传递过程。Tan等在多种神经病理性痛模型中发现,外周神经损伤后10天、脊髓损伤和烫伤后28天,脊髓树突棘的数量、棘头的大小和长度都发生改变,且背角WDR(wide dynamic range)神经元超兴奋,出现热痛敏和机械痛敏现象;鞘内连续3天给予Rac1特异性抑制剂NSC23766可翻转树突棘的异常改变,并降低脊髓背角WDR神经元的兴奋性,从而有效缓解神经病理性痛相关行为。然而迄今为止,在炎性痛条件下涉及脊髓Rac1信号通路的作用并未见报道。基于此,本课题通过蜜蜂毒模型研究Rac1-PAK信号通路是否参与外周炎性痛的发生和发展。采用蜜蜂毒模型和鞘内给予Rac1抑制剂的方式,利用免疫荧光组织化学技术观察Rac1在大鼠脊髓背角中的表达和细胞定位分布;应用western blotting法观察Rac1及其下游信号分子蛋白的表达变化;利用行为药理学的方法评估Rac1抑制剂对蜜蜂毒所致自发痛、热痛敏和机械痛敏的抑制作用。实验结果如下:一、Rac1在大鼠脊髓背角中的表达和细胞定位分布免疫荧光组织化学技术显示Rac1在正常大鼠脊髓背角的浅层(I-II)和深层(III-VI)均有广泛分布,且Rac1与Neu N存在共标现象,而与GFAP和Iba1则极少共标。以上结果提示相对于星形胶质细胞和小胶质细胞,Rac1主要集中表达于神经元胞体中。在大鼠一侧足底接受生理盐水或BV注射后,免疫荧光双标记法发现Rac1仍然主要分布于神经元的胞浆中。尽管BV可以引起单位面积下大鼠脊髓浅层(I-II)和深层(III-VI)的GFAP和Iba1的数量增多,但是与Rac1共标的阳性数并没有明显增多,仍与GFAP和Iba1有极少的共标。二、脊髓Rac1信号通路在大鼠BV引起的炎性痛状态下的变化通过Western blotting法检测大鼠脊髓组织中目的蛋白,实验发现Rac1及其下游信号分子PAK磷酸化水平在大鼠足底注射蜜蜂毒2 h后明显增高,而经过致炎处理后脊髓组织中的Rac1和PAK总蛋白的相对表达量无明显变化。提示,在外周持续性痛状态下Rac1信号通路被激活。脊髓鞘内给予NSC23766后,Rac1及其下游信号分子PAK的磷酸化水平被有效翻转。此外,通过Rac1激活试剂盒检测Rac1活性,进一步发现一侧足底注射蜜蜂毒可引起脊髓双侧Rac1的活性水平显著增加,且Rac1的高活性表达可被鞘内注射NSC23766完全翻转。既往研究证明丝裂原激活蛋白激酶是GTP-Rac1-PAK的下游分子靶点,且课题组前期实验已证实炎性痛刺激可引起MAPK的激活,表现为ERK1/2和p38 MAPK磷酸化水平增加。因此,本实验中我们深入观察炎性痛状态下Rac1信号通路是否参与MAPK信号通路的调控。实验结果表明Rac1抑制剂NSC23766可显著降低BV引起的p-ERK和p-p38增加,而ERK和p38总蛋白没有明显变化。三、鞘内给药阻断Rac1信号通路对BV引起的炎性痛的作用在行为药理学水平上,BV注射前给予NSC23766能够剂量依赖性地完全抑制蜜蜂毒诱致的持续性自发痛反应和原发性热痛敏、镜像热痛敏,以及部分抑制原发性机械痛敏,但不抑制对侧机械痛敏;BV注射后2h给予NSC23766(后处理)能够完全抑制蜜蜂毒皮下注射所诱致的原发性热痛敏、镜像热痛敏,部分抑制原发性机械痛敏。四、鞘内注射NSC23766对大鼠运动功能的影响利用Rota-Rod装置我们检测了NSC23766对正常大鼠运动能力的影响。我们发现,在前三次实验中,正常大鼠在仪器上的运动时间呈线性增多,而后五次大鼠在仪器上运动的时间趋于稳定。与对照组相比,Rac1对正常SD大鼠的运动协调能力没有影响。结论1、细胞水平上,Rac1广泛分布在脊髓背角浅层(I-II)和深层(III-VI),并与Neu N存在共标,表明Rac1主要表达于神经元胞体中。然而Rac1与GFAP和Iba1有极少的共标。说明Rac1主要通过神经元发挥作用。2、外周炎性痛条件下,脊髓背角GTP-Rac1-PAK-ERK/p38 MAPK信号通路被激活,而特异性抑制剂可阻断Rac1的活性及其下游MAPK信号通路。3、大鼠行为药理学上,NSC23766能够完全抑制蜜蜂毒所致的持续性自发痛和原发性热痛敏、镜像热痛敏,部分抑制原发性机械痛敏;不能对大鼠基础热和机械痛敏产生抑制作用。表明脊髓Rac1信号通路的激活参与并调控蜜蜂毒炎性条件下所致的中枢敏化的病理过程,但不参与正常的生理痛过程。