谷氨酸与慢性偏头痛关系的研究进展

郭梦霞，王俊丽，牛争平

偏头痛是一种由神经血管功能紊乱所致的原发性头痛，具有单侧性、搏动性、疼痛程度中度至重度、反复发作等特点，常伴有恶心、呕吐、畏光和畏声等症状，少数典型者发作前有视觉、感觉、运动障碍等先兆，可有家族史。根据每月发作天数，分为发作性偏头痛(episodic migraine，EM)和慢性偏头痛(chronic migraine， CM)。与EM相比，CM对药物反应性更差，影响机体其他系统，加重社会负担。每年有2.5%的EM病人进展为CM[1]，针对CM形成机制及寻找相关治疗药物的研究较多，获得认可的有效预防和治疗药物目前只有肉毒杆菌毒素注射。对于CM的机制研究集中在下丘脑和三叉神经血管系统激活、皮层扩散性抑制、外周和中枢敏化的作用、一些分子物质的释放等方面。现从谷氨酸可能参与的皮层扩散性抑制、周围和中枢敏化两方面对CM发生机制的相关研究进行综述。

1 CM的发病机制

CM是人类第2位致残性神经系统疾病，机制不明确。2004年，国际头痛协会发布的国际头痛分类第2版(ICHD-Ⅱ)中CM作为偏头痛并发症出现，在国际头痛分类第3版(ICHD-Ⅲ)中才将其作为一个独立的诊断与先兆性偏头痛和无先兆性偏头痛并列出现[2]。迄今为止，CM机制及其病理生理作用没有得到明确的定论，目前，痛觉敏化、参与疼痛过程的分子物质、疼痛调节网络异常等被认为是其可能的机制。

1.1 痛觉超敏 中枢敏化和外周敏化都属于痛觉超敏。中枢敏化是指中枢神经系统中的感觉神经元的激活阈值降低，非伤害性刺激也可以诱导伤害性神经元反应[3]。外周敏化主要表现在非伤害感受器痛觉阈值降低，CM敏化作用发生的解剖学基础依赖于三叉神经血管系统，在CM的发生机制研究中，三叉神经血管系统占大部分。三叉神经血管系统包括三级神经元：一级神经元是接受源自硬脑膜血管传入冲动的三叉神经节，其将冲动继续传至二级神经元-三叉神经尾状核及C1、C2节段的脊髓后角表浅层，两者共同构成三叉颈复合体。二级神经元再将冲动传导至丘脑的三级神经元。在CM的模型中，中枢敏化是通过激活脑膜周围血管痛觉纤维而引起的持续疼痛[4]。周围三叉神经感觉传入的敏化可能导致三叉神经颈复合体和丘脑敏感性增加[5]，这解释了在偏头痛发作期间大部分病人所表现的外周结构的疼痛[2]。突触可塑性也被发现参与了中枢敏化，反复的疼痛发作和疼痛强度可能与不良功能的可塑性有关[6]，突触可塑性常被视为是一种所谓的疼痛记忆，在影像学研究中发现，随着发作频率的增加，静息状态下的功能连接增强，从而促进疼痛发生[7]。

1.2 参与疼痛的分子物质 在偏头痛发生过程中起作用的分子似乎也参与了偏头痛的慢性化过程。如在偏头痛机制研究中的降钙素基因相关肽(calcitonin gene related peptide，CGRP)、5-羟色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)、垂体腺苷酸环化酶及谷氨酸等[8-9]。CGRP是偏头痛研究中的关键分子，被发现可参与CM形成的敏化作用，在初级传入纤维外周和中央末端释放增强，参与伤害感受器敏化和痛觉过敏[8]，越来越多的针对CGRP药物在临床中应用并取得了较好的效果。对谷氨酸水平变化的研究中，中枢神经元过度兴奋引起谷氨酸能神经递质增多和N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)激活，与CM机制中突触可塑性形成产生中枢敏化有关[10]。目前也认为在偏头痛机制中有胶质细胞的参与，主要通过胶质细胞功能改变影响神经元的功能，但具体作用机制还未有明确定论。

1.3 疼痛调控网络 丘脑是感觉传导通路的重要中心，也参与了CM的形成。各种传导痛觉相关的纤维联系在CM中的变化也得到了验证，其中，影像学上发现在无先兆偏头痛的病人中，其皮质丘脑之间的功能联系减少，这可能参与了多感觉整合异常及疼痛注意缺陷、疼痛调节的异常[6]。在对先兆性偏头痛的研究中，先兆发生时，能观察到丘脑与其他皮质下区域结构之间关系的异常[11]。中脑导水管周围灰质(periaqueductal gray，PAG)是疼痛调控的关键部位，参与疼痛信息上行激活和下行抑制的过程，在频繁发作的偏头痛中，PAG区域神经元反复被激活，上行激活，同时下行抑制减弱[9]。

2 谷氨酸

谷氨酸是中枢神经系统内主要的兴奋性神经递质，参与学习、记忆和认知[12]。谷氨酸通过与不同的受体结合，在中枢神经系统发挥作用，其受体包括离子型谷氨酸受体(ionotropic glutamate receptors，iGluR)和G蛋白耦联的代谢性谷氨酸受体(the G protein-coupled metabotropic glutamate receptors，mGluR)。iGluR分为NMDAR、α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-proprionate receptor，AMPAR)和红藻氨基酸受体(2-carboxy-3-carboxymethyl-4-Isopropenylpyrrolidine receptor，kainateR)，mGluR分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，Ⅰ类主要位于突触后，激活磷脂酶C。Ⅱ、Ⅲ类受体位于突触前，激活腺苷酸环化酶，减少谷氨酸释放，是抗伤害感受性受体[3]，广泛分布在疼痛传导的通路上，这些受体都存在于三叉神经复合体，三叉神经节在偏头痛病理生理功能中是至关重要的。

星型胶质细胞内的谷氨酸合成酶可以将细胞内谷氨酸转化为谷氨酰胺，是从细胞外空间有效清除谷氨酸的前提[13]。细胞外没有可以清除谷氨酸的酶[13]。谷氨酸能神经递质的调节受突触后受体释放及星型胶质细胞对谷氨酸摄取。在星型胶质细胞中，谷氨酸通过谷氨酰胺合成酶转化为谷氨酰胺，然后将谷氨酰胺转运回神经元，并通过线粒体谷氨酰胺酶转化为谷氨酸[14]。

哺乳动物前脑中表达了3种谷氨酸转运蛋白基因，即兴奋性氨基酸载体1(excitatory amino acidcarrier 1，EAAC1)、谷氨酸天冬氨酸转运蛋白(glutamate aspartate transporter，GLAST)及胶质谷氨酸转运蛋白1(glial glutamate transporter-1，GLT-1)[15-18]。在成年大鼠脑中，GLAST和GLT-1主要在星型胶质细胞中表达，而EAAC1在神经元中高度表达[19]。其中，GLT-1是大鼠脑内95%的谷氨酸盐清除的主要转运蛋白，其主要表达在围绕突触的星型胶质细胞膜上[20]。

3 谷氨酸与慢性偏头痛

谷氨酸是中枢神经系统兴奋性神经递质的重要组成部分，在痛觉信号传递和痛觉维持中起重要作用[21]，谷氨酸浓度的增高会产生兴奋性毒性作用。兴奋性毒性是指高细胞外谷氨酸浓度引起的神经元损伤及其受体的过度活化[22]，与许多神经退行性疾病有关。谷氨酸作为兴奋性神经递质，其过度活动会影响脑内抑制与兴奋性皮质回路[23]，脑内抑制性与兴奋性皮质回路的失衡也是偏头痛机制的一部分[11，23]。在三叉神经血管通路上，谷氨酸水平增高可能通过兴奋伤害性神经元，发挥传递痛觉信息及产生中枢敏化的作用。

3.1 谷氨酸与中枢敏化 中枢敏化和功能失调的下行痛觉调节系统在CM症状的进展和持续发作中起重要作用，持续的中枢敏化状态可导致偏头痛更容易被触发，导致偏头痛发作频率增加[2]，加速了EM的慢性化进程。

3.1.1 谷氨酸受体 谷氨酸受体分为离子型受体和代谢型受体，在CM中，谷氨酸离子型受体(NMDAR和AMPAR)活性增加，使得面部和头皮发生皮肤异常性疼痛，并产生额外的触痛[24-25]，长期的NMDAR激活会导致痛觉敏化形成，中枢致敏过程是由三叉神经节假单极神经元的纤维在三叉神经尾核处的谷氨酸释放诱导的。细胞内钙水平的升高会激活蛋白激酶C，从而导致NMDAR的磷酸化。磷酸化的NMDAR敏感度增加，导致神经元超兴奋能力增加，敏化和过度兴奋是偏头痛和神经痛形成的常见机制。这两个过程都涉及谷氨酸能神经传递功能的改变和NMDAR活性的增加[10]，N-甲基-D-门冬氨酸受体2B(NR2B)是构成NMDAR的亚基之一，含NR2B亚基的NMDAR在病理性疼痛中发挥主要作用，在偏头痛症状明显改善的病人中可观察到NR2B受体表达显著降低[26]。目前，动物实验中观察到大鼠脑内的代谢性谷氨酸受体也参与了突触可塑性形成，如mGluR3和mGluR5[26-27]。其中，当谷氨酸与mGluR5受体结合增加，通过蛋白激酶C(PKC)/NR2B信号调节突触可塑性[27]。

3.1.2 谷氨酸浓度 谷氨酸是兴奋性神经递质，参与神经系统的兴奋性毒性作用，影响谷氨酸浓度的因素包括谷氨酸释放、受体结合及胶质细胞、神经元对谷氨酸的摄取等，当谷氨酸释放减少或与受体结合能力降低则会导致痛觉过敏的丧失，从而减轻疼痛[21]。GLT-1是影响谷氨酸的主要因素，能将95%的谷氨酸转运至细胞内处理，当GLT-1表达减低时，三叉神经尾状核处谷氨酸浓度升高且下游疼痛相关肽升高，影响突触结构、突触可塑性，进而影响中枢敏化[28]。

3.2 谷氨酸与外周敏化 增加三叉神经节的谷氨酸浓度可导致皮肤和肌肉的敏感性增加，外周敏化作用增强，可能与谷氨酸参与CM的发生和引起持续性炎症过程有关。偏头痛中的一些分子物质，如GCRP、物质P、谷氨酸等分子，可以舒张血管，释放一些炎性介质，如前列腺素、生长因子、趋化因子、细胞因子等，产生无菌性神经炎症，这些炎症物质可进一步降低激活的阈值，增加对有害刺激的反应性；也有研究发现，谷氨酸可以维持神经源性炎症过程，进一步促进外周敏化的发生，影像学方面也证明了CM病人血浆谷氨酸水平高于阵发性偏头痛病人[26]。

3.3 谷氨酸与皮层扩散性抑制学说 皮层扩散性抑制学说是指神经胶质细胞和神经细胞膜的去极化，导致离子梯度中断，细胞外钾浓度升高，谷氨酸释放，一过性地升高，随之脑血流量减少[2]，谷氨酸的大量不规则释放被认为在皮层扩散性抑制(CSD)的发生机制中发挥重要作用。星型胶质细胞在谷氨酸与皮层扩散性抑制形成中起关键作用，充当细胞外谷氨酸和钾的吸收池，并且通常充当引发和传播皮质扩散性抑制学说的离子和神经化学变化的缓冲剂[29]。谷氨酸的释放是由电压门控钙通道调节的细胞内钙内流介导的，转运蛋白介导的星型胶质细胞对突触钙的摄取是由钠-钾-三磷酸腺苷酶(Na+-K+-ATP酶)泵的活性维持的钠梯度驱动的[30]。谷氨酸影响细胞兴奋传递的过程主要由星型胶质细胞表面的转运蛋白保证[13]。在GLT-1敲除的小鼠中更为明显地展示了细胞外的谷氨酸累积及导致皮层扩散性抑制的敏感性增加[31]。其中，GLT-1作为星型胶质细胞表面最主要转运谷氨酸的转运体，在星型胶质细胞表面是高度可移动的，蓝斑激活释放去甲肾上腺素可以作为内源性的镇痛物质发挥作用，星型胶质细胞GLT-1的正常表达是蓝斑功能所必需的，下调蓝斑中GLT-1的表达增加细胞外谷氨酸是损伤大鼠诱发内源性镇痛的关键[32]。在动物实验中也发现，神经元泛通道连接蛋白(pannexin 1，PANX1)能与激活的嘌呤能P2X7受体紧密结合形成P2X7-PANX1孔隙复合体来介导谷氨酸盐的释放，此过程与皮层扩散性抑制生成的易感性有关，抑制P2X7-PANX1孔隙复合体能降低皮层扩散性抑制的频率并提高其阈值，减少下游的炎症反应和三叉神经血管系统激活[33]。

3.4 谷氨酸与治疗和预防CM的药物 目前，曲谱坦类药物是研究较为广泛的治疗和预防偏头痛的药物，一项临床试验发现，在CM病人中，过度使用曲谱坦类药物的病人脑脊液内谷氨酸水平较低，可能提示了谷氨酸在CM中的作用，关于曲谱坦类药物影响谷氨酸水平的机制有以下几种说法：抑制谷氨酸的释放、影响谷氨酸受体结合位点、增加神经胶质细胞摄取谷氨酸、增加神经元转运蛋白或减少三叉神经核神经元的放电，目前具体信号机制的研究均在进行中[34]。同时，针对谷氨酸的各种受体、转运体等的作用靶点进行检测及对CM的行为学变化的研究也在进行。β-内酰胺类抗菌药都是有效的GlT-1 mRNA表达的刺激物，通过GLT-1转运谷氨酸的功能是否可以在治疗CM中起作用，还需要更多的研究进一步明确，以期为CM寻找新的治疗靶点。

4 小 结

对CM发生机制的研究发现谷氨酸水平的变化与CM的皮层扩散性抑制学说、中枢和外周敏化学说过程存在重叠。控制谷氨酸及其受体的作用，在CM模型研究中具有明确的镇痛效果，调节谷氨酸的方式可能是有效的治疗策略，也需要更进一步的研究明确其调控机制和影响因素，作为未来开发治疗CM药物的精准定位切入点[10]。