Neurobiologiczny mechanizm bólu w anemii sierpowatej (SCD)
Ból jest związany z ludźmi żyjącymi z anemią sierpowatą, jednakże neurobiologia bólu w tej chorobie pokazuje złe zrozumienie. Podczas, gdy ten ból był pierwotnie związany z uszkodzeniami wewnętrznych i somatycznych tkanek z naczyniowo-zamkniętym przypadkiem. Badania wykazały, że składnik bólu SCD może być związany z procesem neuropatycznym. Znacząca wiedza została uzyskana z badań molekularnych i neurobiologicznych mechanizmów prowadzących do i utrzymujących ból neuropatyczny. Niektóre z najbardziej obiecujących dowodów sugerują większą rolę kinaz proteinowych C i CA2+/calmodulinozależnych kinaz proteinowych 2 i ich interakcji z receptorami N-metylo-D-aspartanowymi i potencjalnie krótkotrwałymi receptorami - receptorami wanilloidowymi w rozwoju bólu neuropatycznego. Ostatnio dowód badań sugeruje, że te ścieżki są ważne w bólu SCD. Poprzez łączenie z powstającymi parami zwierząt z bólem SCD, możemy zacząć wyjaśniać neurobiologiczny mechanizm podkreślający ból w SCD, który może prowadzić do lepszego zrozumienia i efektywnych terapii.
Wprowadzenie
Ból i SCD są tak blisko splecione, że afrykańskie plemienne słowo dla tego schorzenia wymawiane od stu lat zanim Herrick opisał tą chorobę w zachodniej literaturze jest onomatopeją dla bólu. Z drugiej strony, były prowadzone znaczące badania, które wyjaśniały neurobiologiczne mechanizmy, prowadzące do innych chronicznych warunków bólu, obejmujących ból neuropatyczny. Ból neuropatyczny jest definiowany jako uporczywy ból, wynikający z uszkodzeń zewnętrznych części układu nerwowego lub zaburzonej komunikacji pomiędzy układami nerwowymi. Ten syndrom jest często widoczny u pacjentów chorych na takie choroby jak cukrzyca, opryszczka, fibromylagia, AIDS i syndrom bólu kompleksu regionalnego tak samo, jak te z postradiacyjnym bólem. Dużo z tych doświadczeń pacjentów jest wytrwale spontanicznym bólem i jednocześnie bólem stymulowanym. Ten drugi jest charakteryzowany poprzez allodynię (ból normalnie nieszkodliwy i stymulowany nisko-przedsionkowo) oraz hiperalgezję (uwydatniający ból w odpowiedzi na szkodliwą stymulację). Niedawne dowody badań nad pacjentami z SCD i transgenicznymi modelami SCD sugerują obecność bólu neuropatycznego. Zjawisko bólu neuropatycznego w SCD jest przeciwne do powszechnie wiadomego wierzenia, że ten ból jest tylko nocyceptywny i to może mieć źródło w naszym rozumieniu SCD. Mechanizmy molekularne podkreślające ból neuropatyczny, które mogą być związane z bólem SCD: z naciskiem na sygnalizację, zawierające kinazę proteinową. Niektóre inne aspekty mechanizmu związanego z bólem neuropatycznym zawierającym aktywację gleju przeciwzapalne lub pronoceptywne cytokiny i receptory chemokinowe i transportery mogą być znalezione w wielu, świetnych pracach naukowych. Te mechanizmy nie są zwykle stosowane w badaniach nad bólem SCD.
Ból neuropatyczny u dorosłych z SCD
Przyjęcia w szpitalu dla przypadków bolesnych były zanotowane jako prognoza i połowa hospitalizowanych pacjentów została znowu przyjęta po miesiącu po zwolnieniu. Więcej badań opartych jest na prowadzeniu kartotek, dokumentacji przez 6 miesięcy: znaleziono, że u 55% pacjentów zanotowano ból w połowie tych dni i 29% pacjentów z bólem przez 95% tych dni. 145 dorosłych z SCD wypełniło kwestionariusz osobowy McGilla w specjalistycznej klinice SCD. Ten przedmiot badany był w zakresie 3,6 pozycjach bólowych. Bazując na wyliczonych normach stwierdzono, że ból SCD był mocniejszy niż ból rakowy i ból porodowy. Uderzająco pacjenci z SCD wybrani poprzez werbalny opis jakości bólu polegający na obecności bólu neuropatycznego. Ponad 90% z tych 140 pacjentów wybrało opis neuropatycznego bólu, a 59% kontynuowało opisywanie bólowe. Badania stosujące ilościowe testowanie czucia stwierdza hiperalgezję i allodynię cechę charakterystyczną bólu u tych pacjentów. Wynaleziono również długotrwałą dotykową allodynię i termalną (zimną i ciepłą) hiperalgezję u transgenicznych myszy SCD.
Ból nocyceptywny
Główne nocyceptory aferentne (PAN), które odpowiadają na termiczną, mechaniczną i chemiczną stymulację są zewnętrznymi włóknami nerwowymi z pseudounipolarnych neuronów sensorycznych, które rezydują w ganglionie (dla twarzy) lub w grzbietowym korzeniu gangliona (dla ciała). Neurony sensoryczne otrzymują stymulację zewnętrzną bólu od ich celowych organów i transmitują sygnały nocyceptywne poprzez ich centralną projekcję, która kończy się na na sznurze grzebieniowym rogów grzbietowych. W zależności od typów włókien nerwowych nocyceptywnych i bólu, różne włókna rozwiązują w różnych warstwach rogów grzbietowych. Uszkodzenia wewnętrznych i somatycznych tkanek produkują różne związki chemiczne, które powodują reakcje neuronalne potencjalnie w PAN. Niektóre chemiczne produkty uboczne komórkowych uszkodzeń (n.p. bradykania, serotonina, histamina, sekrecja potasu, noradrenalina) pobudzają PAN, natomiast inne (np. leukotrieny, prostaglandyny, substancje P) uczulają na efekty innych mediatorów neuronalnej transdukcji, które jeśli tylko wystarczająco wielki, rezultat jest w potencjale czynnościowym transmitowany do rdzenia kręgowego. Specyficznie, kiedy komórka jest uszkodzona, fosfolipidy i inne substancje są uwalniane z komórki. Uwolnienie fosfolipidów rozpoczyna szlak kwasu arachidonowego poprzez kolejno 5-lipooksygenazę i cyklooksygenazę syntezy leukotrienów i prostaglandyn. Wydarzenia te są ukazane na rycinie nr 1.
Leukotrieny i prostaglandyny uczulają PAN na aktywację poprzez małe bodźce. Na przykład, natężenie światła nie jest postrzegane jako bolesne w normalnych warunkach, ale niekiedy jest odczuwane jako ból (allodynia), jeśli jest zapalna odpowiedź leukotrienin albo prostaglandyn ułatwiająca potencjał czynnościowy w PAN. W dodatku w szlaku arachidonowym, wiele substancji chemicznych aktywuje PAN, kiedy wyciekają z komórki albo są uwalniane do przestrzeni wewnątrzkomórkowej jako składnik odpowiedzi zapalnej. Na przykład, potas i histamina są wydzielane ze zniszczonej komórki i bradykinina jest niszczona z kininogenu osoczowego, jako składnik wydzielania zapalnego. Inne związki chemiczne są uwalniane z płytek (serotonina) albo komórek tucznych (histamina). Wystarczająca koncentracja tych związków chemicznych wokół PAN może powodować, że PAN jest transdukowany z potencjałem czynnościowym i potem transmitowany do grzbietowego, kręgowego rogu. Te związki chemiczne biorą udział w kombinacji pobudzania PAN, umożliwienie to zapala z bodźcami mniejszymi niż zazwyczaj. Ponadto, jeśli PAN jest transdukowany i potencjał czynnościowy jest zapoczątkowany, PAN uwalnia z siebie związki chemiczne, jeden z nich jest substancją P, która jest akumulowana w końcowych zakończeniach PAN i uwalniana poprzez retrogradowy proces. W tym wypadku substancja P uwrażliwia PAN, rozszerza pobliskie naczynia krwionośne, które prowadzą do lokalnego obrzęku i powodują uwolnienie histaminy z komórek tucznych. W podsumowaniu, uszkodzenie tkanek (np. zamknięcie naczyń lub zapalenie) powodują produkcję i uwalnianie wielu substancji chemicznych wokół PAN. Związki te mogą uwrażliwiać lub transdukować głównie (nocyceptywny ból) oraz poprzez drugorzędne procesy (zwykle nocyceptywny ból, jeśli tkanki nerwowe nie są uszkodzone, skutkuje neurotycznym bólem.) Te związki chemiczne zwykle opisywano jako składniki w zewnętrznym środowisku otaczającym PAN. Jeśli jeden albo wszystkie związki zostaną usunięte ze środowiska zewnętrznego, to potencjał czynnościowy PAN może nie być transmitowany do CNS. Liczne nieopioidowe leki przeciwbólowe hamują te związki chemiczne i skutkuje to usunięciem składników środowiska zewnętrznego, co powoduje aktywację PAN. Leki, które blokują produkcję lub uwalniają te związki chemiczne mogą być silnymi lekami przeciwbólowymi, dlatego tworzą pierwszą linię terapii przeciwbólowej.
Centralne uczulenie i ból neuropatyczny
Ważna OUN neuroplastyczność pojawia się po nerwowych uszkodzeniu, skutkując w centralnym uczuleniu. Centralne uczulenie wymaga, w części, aktywacji receptorów NMDA, ponieważ rozwój uczulonego stanu może blokować agonistów receptorów NMDA. Receptor NMDA jest dla ligandu bramką kanału jonowego i jest otwierany, kiedy receptor jest wiązany do glutaminianu, a błona jest wystarczająco zdepolaryzowana. Potem jest odpowiednio odłączany magnez, który znajduje się w porze i blokuje kanał w stanie spoczynkowym. Aktywowany receptor NMDA jest wysoce przepuszczalny dla przepływu wapnia. To może być także pokazywane w taki sposób, że antagonistyczny receptor NMDA (konkurencyjny lub nie) zarządzany wcześniejszym zapalnym bólem lub uszkodzeniem nerwu zewnętrznego tłumi lub opóźnia napad hiperalgezji i łagodzi w pełni rozwiniętą hiperalgezję, kiedy zostaje podany po uszkodzeniu. Interesująco, magnez może być przekazywany jako korzyść dla bólu SCD. Aktywacja receptoru NMDA i kolejne aktywacje syntazy tlenku azotu (NOS) poprzez napływ wapnia i Ca2+/CaM- zależny szlak są dobrze ustawione. Inhibitory NOS zgodnie pokazują bycie skutecznymi w innych przewlekłych modelach bólu. NOS/NO szlak jest szczególnie związany z SCD. Jednakże, kliniczne aplikacje inhibitorów NOS w SCD mogą postępować z ostrożnością, NO może być zarówno korzystny i szkodliwy w SCD. Między trzema izoformami: nerwowy, śródbłonkowy i indukowany, nerwowy NOS jest najważniejszy dla bólu. W ten sposób, farmakologiczna na ból w SCD może ogniskować lub hamować ten typ NOS. Mechanizm aktywacji kompleksu receptoru NMDA podczas rozwoju bólu neuropatycznego jest niepewny. Wytrwała aktywacja receptoru NMDA przez receptor fosforylacji był proponowany, ponieważ receptor NMDA może być fosforylowany i aktywowany przez kilkanaście kinaz proteinowych, w tym kinazę proteinową C (PKC) i Ca2+/calmodulino-zależną kinazę proteinową II (CaMKII). W dodatku, PKC może aktywować receptor NMDA przez zmniejszenie blokady magnezu.
PKC i ból neuropatyczny
Izoformy PKC regulują funkcje różnych substratów fosforylacji. Ta klasa enzymów jest zaangażowana w różne komórkowe procesy, różnicowanie i wzrost komórki do długotrwałego wzmocnienia synaptycznego nerwowej aktywności. Kinazy PKC są klasyfikowane do trzech grup na podstawie ich struktury pierwszorzędowej i kofaktórów dla aktywacji. Klasyczna grupa PKC zawiera: PKC alfa, beta I, beta II i gamma, które aktywne są przy udziale wapnia oraz fosfatydyloseryny, w przeciwieństwie do nowych PKC, które nie potrzebują do aktywacji wapnia. Ludzkie homologii kinaz mysich, należą do nietypowych kinaz, których mechanizm aktywacji nie został jeszcze poznany. Kinazy PKC okazały się przemieszczać do błony na napływ wapnia. Inhibitory proteinowych kinaz, w tym stosunkowo selektywne dla kinaz, wykazały blokowanie behawioralnych objawów bólu dla modelowych zwierząt. Bardziej szczegółowo, badania wiązały izoformy PKC z bólem. PKC gamma immunoreaktywność odnotowano, że wzrosła po uszkodzeniu nerwów obwodowych i
zapaleniu. Jednak nie tylko izoformy PKC biorą udział w neuropatycznym bólu. Hiperalgezja indukowana epinefryną lub kwasem octowym była wyraźnie atenuowana na myszach pozbawionych PKC epsilon genów. Prądy receptora pośredniczącego NMDA są nasilone przez PKC i PKC aktywatory. Aktywowane receptory NMDA są przepuszczalne dla jonów wapnia, co z kolei może włączyć PKC. Jednakże pozytywne sterowanie sprzężeniem między PKC a NMDA receptorem może istnieć, choć taki mechanizm nie został jeszcze przetestowany bezpośrednio w bólu neuropatycznym.
CaMKII i ból
CaMKII jest wielofunkcyjnym, CaM-aktywowanym seryną/treoniną klasą kinaz proteinowych, , która jest kluczowym elementem wewnątrzkomórkowej wapniowej sygnalizacji ścieżek. Na znaczny wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia Ca2+ ma wpływ to, że kalmodulina jest aktywowana przez zmiany konformacyjne po związaniu wapnia w miejscach wiążących wapń. Wiązanie to prowadzi do aktywacji CaMKII, gdzie potem jest związana z Ca2+ / CaM. Kluczowy krok w aktywacji CaMKII jest autofosforylacja
treoniny 286/287 na wiązanie Ca2+/CaM. Autofosforylacja sprawia, że kinazy są w pełni aktywne i to może pozostać aktywne nawet po ustąpieniu wapnia.
CaMKII jest wszędzie rozprowadzana w OUN i stanowi około 1% do 2% całkowitej masy białka mózgu. W OUN, CaMKII jest zaangażowana w wiele Ca2+- pośredniczących procesów komórkowych, w tym w biosyntezę neurotransmiterów, wydzielanie hormonów, uwalnianie neuroprzekaźników, ekspresję genów i plastyczności neuronalną. W tej rodzinie kinaz, CaMKII alfa jest najbardziej intensywnie badanym izoformem, stwierdzono, że reguluje transdukcję synaptyczną przez fosforylację kanałów jonowych i sygnałową transdukcję cząsteczek w postsynaptycznej gęstości. Uwalnianie wapnia z przestrzeni wewnątrzkomórkowej i przepływ wapnia w wyniku aktywacji receptora lub kanałów jonowych może aktywować kalmoduliny i CaMKII. Aktywacja krótkotrwałego receptora waniloidowego receptora 1 (TRPV1) lub receptorów NMDA będzie
prowadzić zarówno do napływu Ca2+ i aktywacji CaMKII. Unikalna
interakcja między CaMKII i NMDA jest intrygująca i
może służyć jako mechanizm długotrwałej plastyczności w bólu neuropatycznym. CaMKII fosforyluje receptor NMDA, co prowadzi do aktywacji receptora. Napływ wapnia poprzez aktywację receptorów NMDA aktywuje CaM i prowadzi do autofosforylacji, a następnie pełnej aktywacji CaMKII. Dlatego pozytywne sprzężenie utrzymuje ścieżki aktywne nawet po ustąpieniu lub zaniku sygnalingu wapnia. W rzeczywistości, ból zapalny i uszkodzenie nerwu wykazują wzrost poziomu glutaminianu w rdzeniu rogu grzbietu, które zostały zablokowane przez antagonistów receptora NMDA. Nadekspresja podjednostki NR2B z
receptora NMDA powoduje zwiększenie mechanicznej alodynii w warunkach
z bólem zapalnym, natomiast hamowanie NR2B lub obniżanie rdzeniowych receptorów NMDA z oligonukleotydami antysensowymi zapobiegają chemicznie indukowanej hiperalgezji. Dlatego CaMKII może działać w porozumieniu z receptorami NMDA w rozwoju i utrzymania neuronowych zdarzeń prowadzących do hiperalgezji. W rdzeniu kręgowym i pierwszorzędnych nerwach aferentnych, CaMKII alfa jest specyficznie ekspresjonowana w powierzchniowych płytkach rogu rdzenia grzbietowego i małych oraz średnich pierwszorzędnych nerwów czuciowych w zwojach grzbietowych, gdzie nocyceptywne sygnały są przekazywane i przetwarzane. Willis i inni poinformował, że działalność CaMKII znacznie wzrosła w rdzeniu kręgowym w ciągu kilku minut po podskórnej iniekcji kapsaicyny. Ponadto, podawany rdzeniem kręgowym inhibitor CaMKII KN93, ale nie nieaktywny analog KN92, zatrzymał wzmocnienie odpowiedzi rdzeniowych nocyceptywnych receptorów i zmiany w badanym zachowaniu po wstrzyknięciu kapsaicyny. W szczurzych neuronach zwoju nerwu trójdzielnego, Hargreaves i inni stwierdzili, że kapsaicyna powoduje wzrost aktywnośći CaMKII i TRPC1-pozytywnych nerwów. W tych neuronach zwoju nerwu trójdzielnego, kapsaicyna lub wywołane n-arachidonoylo-dopamino-kalcytoniny genozależne peptydy uwolnione były przez hamowanie KN93. Dane te sugerują, że istnieje funkcjonalna interakcji między CaMKII i TRPV1. Mechanicznie, CaMKII fosforyluje TRPV1, a tym samym reguluje aktywność TRPV1. TRPV1 reguluje napływ Ca2+ i wewnątrzkomórkowy poziomów Ca2+, w skutek czego wpływa na aktywność CaMKII. Dlatego może istnieć funkcjonalna zależność między CaMKII i TRPV1, podobnie jak między CaMKII i kompleksem receptoru NMDA. Rola CaMKII w trwałych stanach zapalnych lub bólu neuropatycznym została zaproponowana. Jedna grupa wykazała, że inhibitory CaMKII w bardzo małych dawkach ograniczyły ucisk nerwu wywołane uszkodzeniem przez ból neuropatyczny u myszy, chociaż dokładne eksperymentalne szczegóły nie zostały dostarczone. W innych badaniach, badacze dowiedli mieszanych efektów , że KN93 jest zapobiegawczy, ale nie odwrotnie, termalna hiperalgezja i mechaniczna allodynia po skurczu szkody wywołane bólem neuropatycznym. Musimy ogłosić krytyczną rolę CaMKII w kompletnym środku Freunda wzmacniającym ból hiperalgezji, podwiązanie nerwu kręgowego wywołane przez ból neuropatyczny, hiperalgezji spowodowanej opioidami. Podsumowując, CaMKII alfa wydaje się być krytycznym regulatorem centralnego uczulenia, co prowadzi do wielu, jeśli nie wszystkich, rodzajów bólu przewlekłego.
Neurobiologiczne mechanizmy bólu SCD
Wczesne badania na temat molekularnych mechanizmów bólu neuropatycznego
były utrudnione ze względu na brak odpowiednich modeli doświadczalnych, dopiero kilka eksperymentalnych neuropatycznych uszkodzeń zostało opracowanych na szczurach. Od
wtedy, modele te były szeroko stosowane w celu zbadania
neuroanatomicznych i neurochemicznych zmian w rdzeniu kręgowym i regionów ośrodkowego układu nerwowego, które przyczyniały się do rozwoju i utrzymania
bólu neuropatycznego. Widzieliśmy podobne ograniczenia w
badania bólu w SCD. Jednak transgeniczne mysie modele SCD są bardziej odpowiednimi modelami w badaniach chorób, a także bólu SCD. Pierwsza generacja mysich modeli SCD była transgeniczna, ekspresjonowała ludzkie alfa i beta5 transgeny globin bez delecji endogenowych mysich genów alfa i beta. Ograniczone wytwarzanie krwinki czerwonej było obserwowane w tej myszy in vivo. W celu zwiększenia wytwarzania krwinki czerwonej gen beta-globuliny z trzema mutacjami(wyznaczone SAD) został wprowadzony. Dodatkowe modele myszy zostały wyprodukowane w celu uzyskania modeli
różnym nasileniu niedokrwistości hemolitycznej i innych objawów SCD. Przełom nastąpił, gdy linie SCD myszy zostały wytworzone do przeniesienia wyłącznie ludzkich genów do wybicia mysich genów globin. Wśród tych modeli myszy SCD, Berkeley komórki anemii sierpowatej myszy transgenicznych ekspresjonowały wyłącznie ludzkie hemoglobiny anemii i miały taki fenotyp, że blisko naśladowały wiele cech ciężkiej SCD u ludzi, w tym ciężką niedokrwistość hemolityczną, nieodwracalne sierpowate krwinki czerwone i obszerne uszkodzenia organów. Dodatkowe podobieństwa do choroby u ludzi
to naczyniowe rozszerzenie, niedokrwistości hemolityczne, rozległej hematopoezy (zwiększenie produkcji krwinek), kardiomegalia (powiększenie serca), stwardnienie kłębuszków nerkowych, trzewnych zatorów, krwotoków, wielonarządowe zawały, pyknozy neuronów, postępująca żelazica, kamieni żółciowych i priapizmu. U myszy, które są heterozygotycznego miotu dla genu HBB nie rozwija się niedokrwistość hemolityczna lub inne objawy charakterystyczne dla SCD. Myszy NY1DD, o łagodnej patologii SCD i braku hemolizy, zostały zbadane pod kątem zachowań bólu. W cieplnych testach nocyceptywnych, w których ciepło promieniowania było zastosowana na grzbietowej stronie ogona, opóźnienie szybkiej odpowiedzi trzepnięciem ogona było porównywane u myszy NY1DD i C57B1/6 myszy kontrolnej. W czasie 10 tygodni, myszy NY1DD wykazały więcej szybkich trzepnięć ogonem, sugerując obecność cieplnej hiperalgezji. Jednak w czasie 6 tygodni, opóźnienia pokazane przez dwie grupy myszy, nie były inne. Dane te sugerują, że NY1DD sierpowate komórki myszy mają zależne od wieku wystąpienia cieplnej hiperalgezji. W toczących się badaniach Berkeleya sierpowate komórki myszy, są zaangażowane próby, które są głównie przeznaczone do wykrycia bólu neuropatycznego, w tym zimną allodynię, cieplną hiperalgezję i mechaniczną allodynię. Zaobserwowano znacznie silniejszą odpowiedź na ból i zmniejszenie progu nocycepcji które utrzymywało się przez co najmniej 4
miesięce w badaniach Berkeley u komórek sierpowatych myszy w porównaniu z miotem
myszy niesierpowatych (Chen i in. obserwacje niepublikowane). Te dane są zgodne z naszymi klinicznymi objawamy obecności bólu neuropatycznego u dorosłych z SCD. Co więcej, okazało się, że aktywacja PKC i CaMKII była znacznie wyższa w rdzeniu neuronów rogu tylnego, która była podobny do tego, co obserwujemy w innych przewlekłych stanach bólowych.
Podsumowanie
Intrygujące dowody od dorosłych z SCD oraz transgenicznych komórek sierpowatych myszy zmieniły istniejące założenia dotyczące bólu w SCD. Podczas, gdy ból SCD był uważany za podobny do uszkodzeń wewnętrznych i somatycznych tkanek, następnie do zamknięcia naczyń, inny składnik bólu może być związany z procesami neuropatycznymi. Niektóre mechanizmy związane z bólem neuropatycznym obejmują PKC oraz CaMKII, które mogą być istotne dla bólu SCD . Nasza grupa charakteryzowała mechanizmy bólu w komórach sierpowatych transgenicznych myszy Berkeley'a. Scharakteryzowaliśmy termiczną i mechaniczną allodynię i hiperalgezję u dorosłych pacjentów z SCD. Aktualnie ze100-letnią rocznicą badań naukowych nad SCD, spostrzeżenia z tych badań sugerują istotne dowody dotyczące roli bólu neuropatycznego w SCD.