急性疼痛的病理生理学：动物模型

急性疼痛的病理生理学：动物模型

本综述目的：创伤、手术和烧伤是与急性疼痛显著相关的3种主要临床情况。本综述利用3种临床前模型描述了急性疼痛的病理生理：手术、烧伤和骨折。

最近的研究发现：总体上，大家对于急性疼痛的外周介质的兴趣越来越大。研究表明针对于神经生长因子、白细胞介素和类缺血介质的处理能为急性疼痛的治疗提供有用的途径。且通过外周镇痛治疗能减少副作用。

小结：急性疼痛的外周介质取决于外伤的类型。在未来针对于这些具体外伤后介质的治疗能提高急性疼痛的治疗的疗效。

关键词：烧伤；骨折；痛觉过敏；切口；伤害性感受

前言

外科、烧伤和骨折可导致严重的急性疼痛。充分的疼痛控制是患者尽早开始康复的一个关键因素，这对于术后恢复功能和减少这些急性事件后的发病率和死亡率是至关重要[1–3]。当前镇痛疗法的有效性往往是有限的[4]，这些治疗在某些情况下可产生有害的副作用。因此，针对这些外伤后的疼痛需要无副作用的新型止痛药；此外，需要更好的了解这些急性事件所造成疼痛来引导开发新的治疗方法。

骨折性疼痛的动物模型

现已经发展了两种啮齿类动物的骨折性疼痛的临床前动物模型，一个股骨封闭性骨折疼痛模型小鼠及大鼠[5,6]和一个胫骨封闭性骨折的小鼠疼痛模型[7]。这两种模型是从常见的骨折模型后发展起来

的，已被用于骨重建和骨愈合[8,9]的研究。

在股骨骨折模型中，骨折引起的自发性疼痛相关行为包括退缩和防卫[5,10]。这些行为持续到骨折后约18天。骨折引起的疼痛也可通过测量活动诱发退缩和防卫来评估[10]。活动诱发的退缩和防卫出现时间与自发性行为相似，在骨折后2天达到高峰，后逐渐下降持续到骨折后18天（图1）。与自发的行为相比，运动诱发的这些行为的幅度更显著且当患者利用其断裂的肢体时疼痛明显加重[11]。此外，在这个模型中也发现骨折肢体的承重能力下降[5,12]。

在胫骨骨折模型中，也观察到防卫行为[7]。这种自发的疼痛相关行为在胫骨骨折（骨折后2小时）后达到高峰后，并一直持续到骨折后第7天。与股骨骨折疼痛模型相反的是，胫骨骨折后没有发现自发性退缩。胫骨骨折引起的疼痛也是通过测量动物的机械和热刺激的反应进行评估。机械和热伤害性相关行为在骨折后即刻最明显并持续7天。

这些动物模型的骨折性疼痛通过现有止痛药有效治疗骨折患者的疼痛得到了进一步验证。如果患者的止痛药也可以减少这些模型动物的疼痛行为，则表明患者骨折和模型之间有相似的病理生理。股骨骨折后第7天，使用吗啡可产生剂量相关性自发退缩和防卫减少，也提高了骨折肢体的负重[5]。在胫骨骨折后第1天或第2天，吗啡和酮洛芬（一种非选择性环氧合酶1和2抑制剂），减少了自发性疼痛有关的行为，以及机械和热伤害性感受[7]。

图1.雌性大鼠股骨闭合性骨折后的防卫、缩足和负重情况

研究了3组大鼠：安慰剂组和扎针组低于扎针加骨折组（P<0.05），安慰组和扎针组之间无差别

要点

优化临床前动物疼痛模型对于阐明急性疼痛的病理生理是至关重要的。

对比化学物质或神经结扎导致的慢性疼痛模型，使用临床相关损伤来模拟临床前急性疼痛模型。

不同类型的急性组织损伤可能会导致这些啮齿动物模型的疼痛相关行为的具体模式。

非诱发性持续疼痛是急性疼痛的一个重要和不可忽视的组成部分，并很可能通过增加的自发性活动在伤害性传导路中传输。

现已提示外周敏化可能在急性疼痛的发展和数个外周靶点起了关键作用。

烧伤性疼痛的动物模型

已经开发了几个研究烧伤致痛机制的临床前动物模型。准备的这些模型中，使用不同的热损伤参数（温度范围和燃烧持续时间）、损伤部位和热设备，因此产生不同的疼痛有关行为。所有的灼伤是在动物全身麻醉下实施的。在大鼠后爪足底放置热板后的轻度烧伤（52.5±1.08。C持续45秒）能够产生短期持续的原发热痛觉过敏，它仅仅在损伤后30分钟出现[13,14]。没有观察到明显的机械性痛觉过敏。轻度烧伤区域外在烧伤后30-60分钟继发机械性痛觉过敏达到高峰，并在烧伤后3小时逐渐消失。但没有发现继发性热痛觉过敏。王等人

[15]建立了烧伤疼痛的另一个模型大鼠，他将大鼠后足背部部分浸入热水浴（85。C持续12秒）并测量未受伤跖侧的行为反应。这种烧伤导致明显的继发性机械和热痛觉过敏，其在烧伤后第1天出现，并持续到未来7天。

烧伤区域（操作性疼痛）的原发机械性痛觉过敏是烧伤病人最严重类型的疼痛[16,17]。为了努力开发能够显示烧伤导致原发机械性痛觉过敏的动物模型，夏季等[18]使用了具有良好温度控制的热探头（52.5±1.08。C持续45秒）。在这种模式下，烧伤后30分钟观察到受伤部位的机械性收足阈值降低60％。这种原发的痛觉过敏在烧伤后第3天达到高峰，并持续到第7天。Chang等人最近开发的一个模型也发现了明显的原发性机械痛觉过敏[19]。在这个模型中，将大鼠后爪足底放置一热板（85.0±0.5。C持续15秒）。在烧伤后第1天观察到原发机械性痛觉过敏，并持续到整个为期8周的研究（图2）。

图2. 表皮烧伤后的行为研究

（a）烧伤模型机械回缩阈值的时间过程。机械性痛觉过敏持续到8周。痛觉过敏未受伤的对侧爪子也表现很明显。（b）热痛觉过敏是短暂的，仅在表面烧伤后第1天和1周表现明显。数据根据均数加减标准差绘制。与损伤前相比损伤后差异有统计学意义（*P<0.05）。

烧伤性疼痛的机制

现正在研究使用这些临床前的动物模型来揭示烧伤性疼痛的外

周和脊髓机制。最近报道大麻素（CB）受体作为一种治疗烧伤疼痛的靶点在未来可得到利用[20]。在大鼠后爪烧伤部位局部注射CB受体激动剂，可剂量依赖性逆转原发性机械和热痛觉过敏。这种镇痛的作用在CB1拮抗剂联合注射CB受体激动剂时会大量减弱，但与CB2的拮抗剂联合时不会。

烧伤引起的伤害性感受也通过神经生长因子（NGF）及其受体介导，即酪氨酸激酶A（TrKA）途径。在大面积烧伤后（占体表面积的25％），通过上调NGF愈合，并通过抗NGF治疗来预防损伤引起的痛觉过敏发生[21]。烧伤引起的痛觉过敏也可通过反义寡核苷酸（ODN）来下调初级感觉神经元的TrkA来减弱[18]。

烧伤痛的发病机制还涉及炎症部分。在被烧伤的组织中，发现白细胞介素-6（IL-6）持续局部增加6天[22]。通过敲除转导IL-6受体亚基的信号蛋白-糖蛋白（GP130）来干扰IL-6信号传导，即在初级感觉神经元中通过反义寡核苷酸或使用抗IL -6抗体功能性阻断细胞因子来减弱烧伤诱发的痛觉过敏。

在脊髓中，烧伤诱导了小胶质细胞活化，其可通过脊髓背角小胶质细胞密度增加和p38MAPK的磷酸化增强（P-p38MAPK）获得支持，并主要被小胶质细胞占据[19，23]。使用特异性抑制剂（SB203580和SD-282）或米诺环素抑制胶质p38 MAPK的激活能抑制烧伤后痛觉过敏的发展[23,24]，表明了脊髓小胶质细胞在烧伤痛的发展起了作用。

术后疼痛的动物模型

为研究术后疼痛的病理生理已发展了一些啮齿动物的模型。其中足底切口模型已被最广泛使用[25]。这种模型仅有一个简单的切口，即在全身麻醉下切开大鼠皮肤、筋膜、后爪跖侧深部肌肉组织。足底切口后，动物表现出非诱导的防卫行为，即在后爪切口后出现的姿势。它在切开后4小时即刻达到高峰，并在3-4天内消失。非诱导的防卫可能与在手术后患者的静息痛相关。在大鼠后爪足底做一切口也会诱发机械和热痛觉过敏[26]。最大程度的原发机械和热痛敏出现在切口后2小时。原发机械性痛觉过敏通常在5-6天内消失，然而原发热痛觉过敏往往持续时间更长，超过7-10天才能回到切开前水平。此外，在足底切口模型中观察到继发性机械性痛觉过敏，但未发现继发性热痛觉过敏[26]。

在足底切口模型中的疼痛相关行为可被全身吗啡剂量依赖的差

异性抑制，其类似于人类术后疼痛研究[27]。非诱导性防卫对吗啡最敏感，可被0.03毫克/千克剂量吗啡减弱。大剂量可减少机械（1毫克/公斤）和热（0.3毫克/千克）痛觉过敏。

其它类型的外科手术也已被用于术后疼痛动物模型。与足底切口模型光洁的皮肤切口相比，有毛皮肤切口模型即在大鼠背后有毛部位的做一皮肤切口[28]。此模型的切口附近和远处均产生了机械性感觉过敏。为了关注继发性痛觉过敏，采用了一个大鼠腓肠肌切口模型，其涉及在大鼠后爪做一切口和测量同侧后爪的行为反应[29,30]。腹部手术模型，包括卵巢子宫切除术和肋下切口模型来模拟患者的手术操作[31,32]。这些模型具有明显的临床意义并包括内脏器官的损伤。延

长回缩的组织是临床手术的常见操作。这涉及两个动物模型，开胸疼痛模型和一个切开皮肤/肌肉回缩（SMIR）模型[33,34]。在这两种模型中长期切口的组织回缩引起长期的疼痛相关行为（约20-40天）。术后疼痛的机制。

在足底切口模型的基础上，一系列行为和神经生理学方法研究的使用丰富了我们了解术后疼痛的原因。在大鼠后爪足底切口诱导初级传入伤害感受器和脊髓伤害感受神经元的过度兴奋[35-41]。外周和中枢敏化的过程被认为是术后疼痛的神经学基础。做切口后痛觉传导通路中的自发活动显着增强[35-40]。这些神经元的自发活动的升高与非诱导性防卫行为的发生相关。此外，脊髓背角神经元的自发活动增加可以逆转局部麻醉药渗透到切口组织，表明外周传入促使脊髓水平的神经元的高兴奋性[38-40]。

最近的研究仔细检查了导致不同组织疼痛相关的行为和神经元高兴奋性特定因素。切开深部组织（筋膜和肌肉），而不是皮肤在非诱导性防卫、感受器的自发活动（图3）和背角神经元伤害性感受的起源起主导作用，而仅在皮肤切口也足以引起机械和热痛觉过敏[39,42]。这种皮肤与深部组织切口导致的疼痛差别也已被人类研究所揭示[43-46]。

切口疼痛的几个介质也已通过临床前研究所揭示。后爪足底切口诱导局部组织持续pH值下降（最低pH值=6.8）和乳酸浓度增加（峰值=5 mmol/ L）[47,48]。切口后这些局部化学物质的变化与疼痛相关的行为相平行。此外，与完整的组织的相比，切口组织中的感受器表

现出对乳酸的敏感性增加[36,49]。上述表明，切口后缺血样信号导致了疼痛。

图3.4组传入神经纤维的自发性活动：假手术后1天，切皮后1天，切皮加深部组织后1天合切皮加深部组织后7天。

（a）皮肤加深部组织切口后一天C-伤害感受器的动作电位数字示波器迹线（插图是代表单个动作电位）。（b）四组的自发活动传入的百分比。（c）各组间平均活动比较。*P <0.05，**P <0.01。

NGF是另一个局部化学环境的组成部分，它可以识别切口周围的痛觉神经末梢。切开后数小时内受伤组织的NGF表达增加，在大约7天后返回到基线[50-52]。毗邻切口的成纤维细胞和雪旺氏细胞是NGF的来源[51,52]。抗NGF抗体治疗存在剂量依赖性减弱非诱导性防卫行为的作用[50]。抗NGF也能温和的抑制热痛觉过敏，但对后爪切口的机械反应没有影响。

瞬时受体电位香草酸亚型1（TRPV1）受体被认为是各种伤害性刺激的分子整合器。在切口引起的病理条件下，TRPV1受体拮抗剂（AMG0347）只对热痛觉过敏的产生温和的抑制，并没有影响到防卫或机械反应[27]。在TRPV1受体基因敲除的小鼠做后爪足底切口后也发现了类似的结论[53]。

尽管辣椒素受体本身不是术后疼痛的一种重要介质，TRPV1受体表达感受器可能是术后疼痛的关键传入器。稀释的辣椒素治疗（0.025-0.10％），即一种特异的辣椒素激活剂，可剂量依赖性减弱非诱导性防卫行为[54]。它也抑制了热痛觉过敏，但没有改变机械性

刺激过敏。进一步的研究表明，低浓度的辣椒素可能选择性地影响伤害性信号，因为它干扰药物敏感性和热敏感性，而不是C-感受器的机械敏感性[55]。

结论

已经开发了多个手术、骨折和烧伤疼痛的临床前动物模型，并表现出不同的形式疼痛相关行为。在这些模型中疼痛的背后复杂机制可能包括炎症、缺血和神经病理性成分。目前正在外周和脊髓水平探讨导致这些急性损伤后疼痛的主要炎症介质如神经生长因子、大麻素、IL-6、缺血性介质和辣椒素等。

杨冯睿译