Molekylære mekanismer ved akutte og kroniske smerter

Lars Jørgen Rygh, Kjell Hole, Arne Tjølsen Om forfatterne
Artikkel

De perifere sensoriske nevronene som registrerer smertefulle stimuli (nociseptorene) og deres forbindelser i ryggmargen er blitt nøye studert de siste tiår. I denne artikkelen vil vi beskrive nye molekyler og cellulære mekanismer som medvirker ved normal og patofysiologisk smerte. Patofysiologisk smerte kan forårsakes av nerve- eller vevsskade, og gir hyperalgesi og allodyni (fig 1). Vi omtaler hendelser i nociseptorene og ved nociseptive synapser i ryggmargen og fremhever interessante angrepspunkter for nye analgetika (1).

Ved vevsskade vil stimulering av nociseptorene i dette området gi økt smerte (primær hyperalgesi). Videre vil stimulering av nociseptorene i uskadet vev i tilstøtende områder kunne utløse en økt smerterespons (sekundær hyperalgesi). Smertefulle sensasjoner utløst av normalt ikke-smertefulle stimuli som stryk og annen berøring betegnes som allodyni. Allodyni i uskadet vev og sekundær hyperalgesi skyldes sentral sensitivisering. Primær hyperalgesi skyldes sensitivisering av nociseptorene (perifer sensitivisering)

Hensiktsmessig og uhensiktsmessig smerte

Akutt nocisepsjon er grunnlaget for vår evne til å oppdage og reagere på potensielt vevsødeleggende stimuli. Det å kunne reagere på og fjerne seg fra potensielt skadelige omgivelser er en generell egenskap hos alle dyr (2). Etter en vevsskade vil stimuli som normalt er lite smertefulle kunne utløse intense smerter. Denne hypersensitiviteten for stimulering av skadet og omkringliggende, uskadet vev betegnes som henholdsvis primær og sekundær hyperalgesi. I tillegg kan stimulering som normalt ikke er smertefull, utløse smertefulle sensasjoner. Dette kalles allodyni (fig 1).

Primær hyperalgesi i skadet vev skyldes sensitivisering av nociseptorene som innerverer området (perifer sensitivisering), mens sekundær hyperalgesi i tilstøtende vev skyldes sensitivisering i ryggmargen (sentral sensitivisering). Allodyni blir på samme måte betraktet som et resultat av både perifer (i skadet område) og sentral sensitivisering (i uskadet område). Utviklingen av hyperalgesi og allodyni etter en skade er hensiktsmessig og gjør oss mer oppmerksom på den skadede delen av kroppen, slik at vi holder denne i ro til den er frisk. I de fleste tilfeller vil allodynien og hyperalgesien forsvinne når vevsskaden er tilhelet, men noen vil få en uhensiktsmessig vedvarende hyperalgesi og/eller allodyni selv etter at den opprinnelige skaden er leget.

Under eksperimentelle forhold kan allodyni observeres hos mennesker i og omkring et område hvor afferente nevroner er blitt stimulert kjemisk eller elektrisk (3). Allodyni er mest uttalt etter nerveskade, og er ofte langvarig, intermitterende og responderer lite på analgetika. Det er vanskelig å forklare mekanisk hyperalgesi i områder utenfor det skadede området (sekundær hyperalgesi) bare med forandret sensitivitet i perifere reseptorer. En undersøkelse støtter antakelsen om at et nociseptivt stimulus kan gi forandringer i den sentrale prosesseringen av afferent informasjon, som igjen kan lede til hyperalgesi og allodyni (3).

Humane studier tyder på at et utløsende nociseptivt stimulus er tilstrekkelig til å forårsake langvarige sentrale forandringer som varer i timer og gir sekundær hyperalgesi. Videre opptrer allodynisk smerte ved stimulering av lavterskel mekanoreseptorer, og man har tenkt seg at pågående aktivitet i perifere nociseptive fibrer er nødvendig for å vedlikeholde en sentral allodynisk tilstand (4).

Temperatur

Store fremskritt er blitt gjort når det gjelder forståelse av transduksjonsmekanismene i nociseptorene. Ionekanalen som er best studert, er reseptoren for smertefull varme (43 – 53 °C) og capsaicin, (ikke-selektiv kationkanal i plasmamembranen, TRPV1) (5). Ved vevsskade og inflammasjon skjer sensitivisering av nociseptorene raskt og gir perifer sensitivisering. TRPV1 kan få økt følsomhet for temperatur ved en direkte interaksjon med ekstracellulære protoner (H+) og lipidmetabolitter som anandamid. TRPV1-aktiviteten ser også ut til å kunne økes ved at endogene substanser som nervevekstfaktor og bradykinin bindes til sine respektive reseptorer i nociseptormembranen og stimulerer fosfolipase C-signalveier. Dette vil igjen kunne føre til hydrolyse av lipider i plasmamembranen og påfølgende stimulering av proteinkinase C (fig 2) (6).

Når nociseptorer utsettes for substanser som frisettes ved inflammasjon, endres eksitabiliteten gjennom en rekke intracellulære mekanismer. Figuren viser modulering av vanilloid-reseptoren TRPV1 og spenningsstyrte Na-kanaler (NaV1.8). Responsen til TRPV1 på varme kan økes ved direkte påvirkning på kanalen av H+-ioner eller lipidmetabolitter, slik som anandamid (AEA). TRPV1-aktiviteten kan også økes av f.eks. NGF og bradykinin, som binder til egne reseptorer (hhv. TrkA og BK) og stimulerer fosfolipase C (PLC). Dette fører igjen til hydrolyse av lipider i plasmamembranen og stimulering av proteinkinase C-isoformer, slik som PKC-ε. Prostaglandiner (PGE₂) og andre inflammasjonsprodukter som aktiverer adenylsyklase (AC) gjennom Gs-koblede reseptorer øker også eksitabiliteten. Dette skjer delvis gjennom en syklisk AMP-avhengig proteinkinase (PKA)-avhengig fosforylering av NaV1.8

Den eksakte molekylære mekanismen for hvordan TRPV1 blir sensitivisert av endogene hyperalgetiske signaler som for eksempel nervevekstfaktor (7) utskilt fra lokalmiljøet ved skade, er omdiskutert (8 – 11). TRPV1 er absolutt nødvendig for nervevekstfaktoravhengig termisk hyperalgesi (11). Dette bekrefter at sensitivisering av perifere nociseptorer for varme ved inflammasjon er hovedmekanismen for hyperalgesi overfor varme. Videre har to forskningsgrupper identifisert et annet medlem at TRP-familien av ionekanaler som reagerer på kalde temperaturer og på mentol (12, 13).

Mekanotransduksjon

Det er mindre kjent hvordan nociseptorene reagerer på mekaniske stimuli. Den eneste ionekanalen som er vist å være nødvendig for normal mekanisk sensibilitet hos virveldyr kalles DRASIC (14). Genetisk screening av fluer og makk tyder på at mekanotransduksjon er en prosess som krever flere interagerende proteiner, inklusive ekstracellulær matriks (15, 16).

Smerter utløst av lette, strykende bevegelser ved allodynitilstander er oftest blitt forklart med aktivering av tykke myeliniserte Aβ-fiber-mekanoreseptorer. En annen gruppe av mekanoreseptorer, D-hår-reseptorene, har tynne myeliniserte aksoner som kan formidle stryking. Disse nevronene karakteriseres ved at de utrykker et gen for en spenningsstyrt T-type kalsiumkanal, CaV3.2, og blokkering av denne kanalen kan selektivt redusere D-hårenes respons på mekaniske stimuli (17). I tillegg til å ha markører for disse mekanoreseptorene, kan denne og andre T-type kalsiumkanaler være mål for nye analgetika mot nevropatisk eller visceral smerte (18, 19).

Selektive ionekanaler på nociseptorene

Flere ionekanaler er så å si kun uttrykt på nociseptive sensoriske nevroner, og blir derfor sett på som interessante angrepspunkter for nye analgetika. Et eksempel er en tetrodotoksinresistent spenningsstyrt natriumkanal NaV1.8 (20). Denne ionekanalen kan også sensitiviseres lokalt og øke nociseptorens eksitabilitet ved vevsskade og inflammasjon. Dette kan skje ved at prostaglandiner og andre inflammatoriske produkter aktiverer adenylylsyklase gjennom Gs-koblede reseptorer. Dette foregår delvis via en syklisk adenosinmonofosfat- og proteinkinase A-avhengig fosforylering av NaV1.8 (fig 2). Andre studier tyder på at denne NaV1.8-kanalen kan spille en avgjørende rolle for spontan aktivitet i skadede og uskadede nervefibrer i modeller for nevropatisk smerte (21, 22). Spontan aktivitet i A-fibrer og muligens også i C-fibrer (21, 23) er sannsynligvis avgjørende for å vedlikeholde visse sentrale hypereksitabilitetstilstander. Imidlertid er det antakelig ikke nok bare å danne flere og/eller sensitivisere natriumkanaler for å generere spontan aktivitet i en skadet nerve. Et redusert antall og/eller svekket funksjon av noen typer kaliumkanaler er sannsynligvis også nødvendig (24).

Sentral sensitivisering

Sentral plastisitet etter nociseptive impulser spiller en viktig rolle for utvikling av kronisitet i smertesystemene (25). Ved en nerveskade foregår en betydelig reorganisering i dorsalhornet i ryggmargen (26). Woolf og medarbeidere (27) postulerte at knoppskyting av tykke myeliniserte lavterskelafferenter til nocireseptive områder i ryggmargen kunne forklare allodyni etter nerveskade. Imidlertid har en rekke nyere studier sådd tvil om knoppskytingen forekommer etter nerveskade (28 – 30). En studie som benytter en in vitro-modell i et preparat fra mus har vist at en subpopulasjon av myeliniserte nociseptorer med lavere mekanisk terskel også normalt ender i den nocireseptive substantia gelatinosa (lamina II) i tillegg til i andre lamina i ryggmargens bakhorn (31). Det er derfor mulig at anatomisk plastisitet i denne nylig oppdagede subpopulasjonen kan være årsak til plastisitet i lamina II etter aktivering av nociseptorer.

Sentral sensitivisering involverer både neurokinin 1- og NMDA-reseptorer (25, 32), og nyere undersøkelser har gitt flere detaljer om de cellulære mekanismene for sensitivisering i bakhornet (fig 3). Flere grupper har fokusert på elektrofysiologisk karakterisering av superfisielle og dype bakhornsnevroner både i intakte dyr (33 – 35) og i ryggmargsskiver (19, 36 – 38). Responsen til konvergente nevroner (såkalte WDR (Wide Dynamic Range)-celler som reagerer både på klyp og berøring) i dype deler av bakhornet kunne økes i mange timer etter kortvarig, men høyfrekvent stimulering av perifere C-fibrer (39). Både induksjon og vedlikehold av denne langtidspotensieringen av responsen er NMDA-reseptoravhengig (33, 34).

Noen av faktorene som regulerer eksitasjonen av nevroner i ryggmargens bakre horn. Åpning av kalsiumkanaler presynaptisk utløser frisetting av glutamat og peptider, som virker på forskjellige reseptorer postsynaptisk. Glutamat virker på AMPA-reseptorene og gir rask depolarisering, og reduserer Mg-blokaden av NMDA-reseptorene. Aktivering av NMDA-reseptorene gir en mer langvarig depolarisering, og aktivering av mGluR- metabotrope reseptorer og peptidreseptorer (f.eks. nevrokininreseptorer, NK1) øker eksitabiliteten ytterligere. Postsynaptisk får vi aktivering av proteinkinaser, mobilisering av intracellulært Ca++ og induksjon av tidlige gener. Nitrogenoksid (NO) og prostaglandiner (PG) virker tilbake på presynaptisk terminal, og dette gir en ytterligere økning av synaptisk overføring. Etter nerveskade kan mikrogliaceller stimuleres av ATP via P2X₄-reseptorer til en hyperaktiv fenotype som sannsynligvis skiller ut en hittil uidentifisert eksitatorisk signalsubstans

Liknende høyfrekvent stimulering av C-fibrer induserer NMDA-reseptoravhengig langtidspotensiering spesifikt i lamina I-projeksjonsnevroner som responderer på substans P (19). Denne plastisiteten samsvarer med økt intracellulær konsentrasjon av kalsium. Kraftig, naturlig (ikke-elektrisk) stimulering kan også indusere liknende langvarig økning av responsene til dype WDR-celler i intakte dyr (40). Videre er det nylig vist at høyfrekvent kutan C-fiberstimulering gjort på mennesker kan indusere langvarige perseptuelle forandringer forenlig med hyperalgesi (41).

Forandringer i synaptisk inhibisjon innad i bakhornet etter nerveskade eller aktivering av nociseptorene har opptatt mange i den senere tid (36, 38). Ahmadi og medarbeidere (38) beskriver et interessant fenomen hvor glysin frigjort fra synapser som i utgangspunktet er inhibitoriske, kan «renne over» og potensiere NMDA-reseptormediert nevrotransmisjon ved binding til et ikke-mettet glysinbindingssete på NMDA-reseptoren. Vedlikeholdet av sentral sensitivisering avhenger av NMDA-reseptoraktivering (25), og under slike forhold kan økt mengde frigjort glysin ha en paradoksal eksitatorisk effekt. Inhibering av glysinfrigjøring ved å benytte substanser som nocistatin kan redusere NMDA-reseptoraktivering uten de medfølgende motoriske bivirkninger som er observert ved bruk av NMDA-reseptorantagonister.

Allodyni

Balansen mellom eksitatorisk og inhibitorisk tilførsel i bakhornet forandres etter nerveskade. Aniongradienten i lamina I-nevroner endres etter perifer nerveskade (36). Kalium/klorid-kotransportere blir nedregulert i postsynaptiske lamina I-nevroner ved nerveskade, og den påfølgende økningen i intracellulær kloridkonsentrasjon medfører at GABA- og glysintilførsel fra internevroner som vanligvis er inhiberende, i stedet fører til depolarisering. Blokkering in vivo eller «knockdown» av en kalium/klorid-ko-e-transporter reverserer allodynisk atferd hos rotter, noe som tyder på at dette er et relevant molekylært angrepspunkt for analgetika mot nevropatiske smerter.

Aktivering av både astrocytter og mikroglia er blitt observert i bakhornet etter nerveskade (42). Sannsynligvis er mikroglia involvert ved taktil allodyni (43). Nerveskade, men ikke perifer inflammasjon, gjør at mikroglia forandrer fenotype fra en hvilestilstand til å utrykke flere purinreseptorer (aktiveres av ATP) av typen P2X₄. Videre induseres allodyni hos naive dyr ved å injisere mikrogliaceller som er stimulert med ATP intratekalt, mens injeksjon av ikke-stimulerte mikroglia var uten effekt. Det ser derfor ut til at stimulering av P2X₄-purinreseptorene på spinale mikrogliaceller fører til frigjøring av et signalmolekyl som øker forandringene i synaptisk transmisjon som gir allodyni i ryggmargen (fig 3).

NMDA-reseptoren

NMDA-reseptorenes rolle i sentral sensitivisering er blitt synliggjort flere ganger de siste årene, i arbeider som viser enten nye modulatorer eller komponenter i NMDA-reseptorkomplekset som er involvert i smerte. Stimulering av tyrosinkinasereseptoren EphB i bakhornet kan gi hyperalgesi gjennom aktivering av NMDA-reseptorer (44). I tillegg gir genetisk ablasjon av de to proteinene PSD95 og PSD93 i den tetteste delen av postsynapsen (post synaptic density) redusert smerteatferd hos mus (45, 46).

Mange har studert lamina I-projeksjonsnevroner den senere tid, men det er fortsatt generell aksept for at de dype WDR-nevronene sannsynligvis, i hvert fall hos primater, utgjør den viktigste projeksjonen av nociseptive celler fra ryggmargens bakhorn til hjernen, inklusive thalamus og retikulærsubstansen (32, 47, 48). I en studie ble det sett på hvordan de indre membranegenskapene til disse nevronene kan ligge bak styring av sensorisk informasjon i ryggmargen (37). Nevroner i den dype delen av ryggmargens bakhorn utrykker en nociseptivspesifikk og NMDA-reseptoravhengig kortvarig plastisitet. Selv om denne plastisiteten er avhengig av NMDA-reseptoraktivering, har det vært foreslått at den også er avhengig av generering av såkalte platåpotensialer i disse cellene (49). Forekomsten av slike platåpotensialer er tidligere vist å være relativt lav. Nå er det imidlertid nylig funnet at balansen i aktivitet mellom eksitatoriske metabotrope glutamatreseptorer og inhibitoriske metabotrope GABAB-reseptorer i dype bakhornsnevroner bestemmer graden av platåpotensial og på den måten grunnleggende påvirker «input-output»-egenskapene i cellen. Ved basale forhold dominerer inhibisjon, og de fleste celler viser et tonisk, langsomt adapterende fyringsmønster. Forfatterne spekulerer i om et skift til platåtilstanden bidrar til sentral sensitivisering og har en rolle i allodyni, siden WDR-projeksjonsnevroner integrerer både ikke-smertefulle og smertefulle impulser.

Konklusjon

Moderne smerteforskere forsøker å avdekke molekylær og cellulær kompleksitet både i transduksjonsmekanismene og i hvordan smertesignalene prosesseres sentralt. Mangfoldet av nye smertemolekyler gir et betydelig håp for smerteklinikeren i form av angrepspunkter for nye analgetika, men det er fortsatt mange sorte hull i forståelsen av normal smerteledning og ikke minst i forståelsen av hvordan kroniske smerter oppstår og vedlikeholdes.

Manuskriptet ble godkjent 7. 4. 2005.

Anbefalte artikler