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力学转导是生物体感知力学刺激,并将其转化为化学信号,进而调控机体生理病理的过程。细胞力学传感器,例如PIEZO、TRPV4 和整合素等,已被发现可以响应静水压力、细胞外基质(extracellular matrix, ECM)的刚度、流体剪应力和拉伸力等多种力学刺激。在
1. 癌痛
癌痛是指癌症、癌症治疗相关病变及抗癌治疗所致的疼痛,其主要分为癌症相关疼痛和癌症治疗相关疼痛两大类。癌症相关疼痛进一步细分为神经病理性癌痛(neuropathic cancer pain, NCP)、骨癌痛(cancer-induced bone pain, CIBP)和内脏性癌痛(visceral cancer pain),涵盖炎症性和神经病理性两种作用机制。内脏
癌症治疗相关疼痛则是由手术、化疗和放疗等癌症治疗手段引起的组织或神经损伤所致。癌痛的传导机制是复杂的多级神经元交互过程,主要涉及三级神经元的序贯激活与协同作用。具体而言,位于感觉神经元末梢的伤害传感器将伤害性刺激转化为电信号,即神经冲动。这些神经冲动接着由初级感觉神经元(一级神经元)传递至脊髓背角的二级神经元,并通过脊髓背角的复杂神经回路进行初步处理。
随后,疼痛信号通过特定的上行神经通路,如脊髓丘脑束,传递至丘脑和脑干的三级神经元,最终在大脑皮层的多个功能区域整合形成疼痛感知。值得注意的是,这一传导过程还受到下行神经通路的调控,该通路对疼痛感知的最终体验具有显著的影响。
癌痛通常是肿瘤压迫周围组织或器官,导致神经受损而产生的疼痛感觉。近年来国内外众多研究学者发现,在肿瘤生长过程中,肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME) 中力学的改变可激活PIEZO、TRPV4 及整合素等细胞力学传感器。这些传感器的激活不仅参与调节肿瘤的发生和发展,而且它们在TME 中的激活也可能在癌痛的产生中扮演着关键角色。因此,这些细胞力学传感器在癌痛中的作用机制是一个值得深入研究的学术方向,它们可能为开发新的癌痛治疗策略提供潜在的靶点。
2. PIEZO
2. 1 PIEZO 的生物学特性
2010 年,Coste 等发现了一种Ca2+ 渗透性非选择性阳离子通道,该通道允许多种阳离子如Ca2+、Na+、K+、Mg2+ 通过,其中Ca2+ 的通透性最高,Mg2+的通透性最低。这一通道被命名为PIEZO,来源于希腊语中的“pi′esi”,意为压力。PIEZO 家族包含两个成员:PIEZO1 和PIEZO2,它们在不同物种中高度保守。PIEZO1 在非感觉组织中高度表达,尤其是在肺和膀胱中。与PIEZO1 不同,PIEZO2 主要在感觉组织中表达。具体来说,PIEZO2 在背根神经节(dorsal root ganglion, DRG)、三叉神经节(trigeminal ganglion, TG)以及皮肤中的特定感觉细胞均有发现。该通道可被多种力学刺激激活,包括但不限于剪切应力、拉伸力、静水压以及ECM 刚度等。
激活后,PIEZO 会触发ATP 信号通路和钙蛋白酶信号通路,进而调节特定的生理病理活动。其中,PIEZO1 在血管形成、血管
2. 2 PIEZO 在癌痛中的作用
PIEZO 在肿瘤中的异常表达与癌症进展密切相关。肿瘤转移引起的炎症反应和神经压迫是癌痛的两个主要原因。最新研究指出,PIEZO 的激活不仅伴有TNF-α、IL-6、IL-1β 和缓激肽等致痛因子的表达上调,而且对炎症性和
骨癌痛是一种常见的癌痛形式,通常由癌细胞转移到骨骼引起。这种转移破坏了骨骼的稳态平衡,导致骨微环境的变化。在这一过程中,癌细胞和成骨细胞(osteoblast,OB)释放的RANKL 与破骨细胞(osteoclast,OC)的RANK 结合,激活 OC,产生大量的H+ ,引发溶骨性骨破坏和骨痛。此外,骨微环境中的缓激肽敏化神经元中的PIEZO,这是诱发CIBP 的关键机制之一。
更重要的是,随着癌块的生长、骨质破坏导致的
进一步的研究指出,OB 中PIEZO1 和PIEZO2 共同缺失会引起更严重的骨吸收现象。该结果表明,OB 中的PIEZO 通道可能通过调节骨代谢平衡,间接参与CIBP 的发生。此外, 星形胶质细胞中PIEZO1 活性在炎症状态下的增强可能在CIBP 中起着关键作用。类似地,在巨噬细胞中,炎症介质脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)激活的Toll 样受体4 ( toll-like receptor-4, TLR4 ) 能够触发PIEZO1,导致Ca2+内流显著增加,进而激活CaMKIIMst1/2-Rac 轴,促进促炎因子释放,加剧炎症反应。小胶质细胞,作为中枢神经系统的特化巨噬细胞,其TLR4 的激活与CIBP 的发病机制密切相关。上述结果提示,巨噬细胞可能通过激活PIEZO1 来引发炎症反应,介导CIBP 的发生。
研究发现,在骨骼组织中,PIEZO2 的表达主要集中在Aδ 感觉神经纤维, 这些纤维可能通过PIEZO2 来感知骨骼内部压力的变化,从而触发骨痛。Nencini 等通过鞘内注射PIEZO2 反义寡核苷酸,降低了Aδ 骨传入神经元对骨髓腔内压力的反应性。此外,DRG 中PIEZO2 的表达下调,几乎完全阻止了神经生长因子( nerve growth factor,NGF)诱导的骨传入神经元机械敏感性的增强。Jing 等研究证明,抗NGF 抗体可以显著减轻CIBP 相关的骨痛并减少骨破坏。这些发现揭示了感觉神经元中的PIEZO2 在NGF 诱导的CIBP 发生中的关键作用。在另一项实验中,研究者观察到CIBP 小鼠鞘内注射环腺苷酸结合蛋白1(exchange proteins directly activated by cAMP 1,Epac1)反义寡核苷酸(Epac1-ASODN )和NR2B 拮抗剂ifenprodil能有效减轻机械痛,并降低 DRG 中PIEZO2 的表达。
相反,足底注射Epac1 激动剂8-pCPT 以及鞘内注射NR2B 激动剂N-甲基-D-天冬氨酸(N methyl-D-aspartic acid,NMDA)则加剧了小鼠的机械性疼痛,并提高了DRG 中PIEZO2 的水平。尽管ifenprodil 能够逆转8-pCPT 引起的疼痛和PIEZO2表达的上调,而Epac1-ASODN 对NMDA 的效应则无逆转作用。
这些发现指出Epac1-NR2B-Piezo2 信号通路在CIBP 调控中的重要性。其潜在的作用机制涉及力学刺激激活DRG 神经元中G 蛋白偶联受体(G protein-coupled receptors, GPCRs),促使ATP转化为cAMP。cAMP 随后激活Epac1, 调节含NR2B 的NMDA 受体。NMDA 受体的激活导致Ca2+内流增加,激活细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK) / 钙依赖性蛋白激酶(calcium-dependent protein kinase, CaMK),最终促进PIEZO2 mRNA 的表达和PIEZO2 的磷酸化,引起神经元兴奋性增加和外周痛觉过敏。
神经病理性癌痛是癌痛的另一种特殊类型,主要源于癌症本身引起的神经损伤和化疗诱导的周围神经病变。
尽管VCR 处理降低了DRG 中PIEZO2 的表达水平,却显著增强了DRG 神经元中PIEZO2 MA 电流,而PIEZO2 shRNA 以及CD 抑制了这种增强。这表明VCR 诱发的PIEZO2 依赖性NCP 与PIEZO2 表达量并不直接相关,而主要是PIEZO2 MA 电流的增强导致。值得注意的是,VCR 组与PIEZO2 shRNA和Gd3+处理组行为学变化表现出显著的差异,该差异可能源于VCR 引起的PIEZO2 MA 电流的增强,这种增强可能掩盖了由于PIEZO2 表达水平降低而引发的MA 电流减弱。
综上所述,PIEZO 通道在癌痛的发展中扮演关键角色,尤其是在CIBP 和NCP 中。其中,PIEZO1在骨细胞、星形胶质细胞和巨噬细胞的表达,通过调节骨代谢和炎症反应,参与CIBP 调控。尽管其详细的细胞机制还需进一步探索,但以上证据表明PIEZO1 在这一过程中的作用不容忽视。对于感觉神经元中的PIEZO2 而言,NCP 的发生与PIEZO2介导的电流增强有关,并不与PIEZO2 表达量的减少直接相关。
这与CIBP、炎性痛以及神经病理痛模型中PIEZO2 表达量的关键作用形成鲜明对比。在CIBP 中,PIEZO2 通过Epac1-NR2B-PIEZO2 信号轴发挥核心作用,而在炎性痛和神经病理性痛模型中,PIEZO2 的表达上调分别由炎性因子IL-1β 和IL-6 触发,从而在炎性痛和神经病理性疼痛的发生中起着关键作用。这些发现揭示了PIEZO 通道在不同疼痛状态下的特异性作用,并为癌痛治疗提供了新的指引。
3. TRPV4
3. 1 TRPV4 的生物学特性
TRPV4 作为一种非选择性的Ca2+ 渗透阳离子通道,在多种组织器官中广泛表达,如肺、肾脏、心脏、骨骼肌、皮肤以及血管等。TRPV4 又称为多模式传感器,因其激活机制涉及多种刺激因素,包括力学刺激、高温、H2O2、酸性环境、低渗条件、紫外线B 和受体作用信号等。此外,PIEZO1 的激活能够促进TRPV4 的依赖性激活,这也为理解这两种传感器在细胞内如何协同工作提供了新的视角。激活后的TRPV4 在诱发瘙痒、参与疼痛感知以及调节骨骼稳态等方面发挥重要作用。
3. 2 TRPV4 在癌痛中的作用
TRPV4 是一种与疼痛感知密切相关的Ca2+ 通道,其激活可促进Ca2+ 内流,进而触发 NO-cGMP-蛋白激酶C(protein kinases C, PKC)信号通路,引起痛觉信号的传递。据报道,TRPV4 在炎性疼痛和神经病理性疼痛的发生中扮演着重要角色。鉴于癌痛的发病机制常涉及这些病理改变,TRPV4在癌痛中的作用不容忽视。
事实上,已有研究证实,TRPV4 在CIBP、舌癌痛、肿瘤细胞损伤周围神经引起的疼痛,以及化疗药物引起的癌症治疗相关痛等多种癌痛类型中均有显著的介导作用。TRPV4 在CIBP 中扮演着多重角色,不仅参与痛觉信号的传递,还与骨代谢的调节有关。Heo等通过实验发现,
研究发现,CIBP 大鼠 DRG 中TRPV4 表达增加,伴随着脊髓星形胶质细胞中白细胞介素-17A(interleukin-17A, IL-17A) mRNA 水平的上升, 而TRPV4 拮抗剂和IL-17A 抗体的鞘内注射能显著提高机械痛阈值并降低IL-17A 表达。该结果表明,DRG 中TRPV4 通过促进脊髓星形胶质细胞中IL-17A 的表达来介导CIBP。进一步的研究指出,DRG 神经元中TRPV4 的上调与去甲基化酶1(teneleven translocation 1,TET1) 的上调表达相关联,且TET1 抑制剂Bobcat339 能逆转这一现象,暗示TET1 可能通过去甲基化增加TRPV4 的表达,最终导致CIBP 的发生。
在CIBP 的病理过程中,感觉神经元中TRPV4 的激活不仅响应力学刺激,还可能对骨微环境中的酸性条件高度敏感。同时,H2O2 的存在也可能触发TRPV4,促进痛觉神经递质的释放,加剧痛觉信号的传递。值得注意的是,TRPV4 的作用不仅限于CIBP 的痛觉传递,它还通过促进骨吸收参与了骨转移的过程。因此,基于上述研究结果,认为TRPV4 可能通过使感觉神经元敏感或促进骨破坏等多种机制在CIBP 中发挥作用。
在另一项针对舌癌痛模型的研究中,大鼠舌头注射鳞状癌细胞后,机械性缩头反应阈值降低,这一现象与肿瘤诱导的舌头上
进一步的研究发现,使用胰蛋白酶抑制剂STI、PAR2 拮抗剂FSLLRY-NH2 和TRPV4 拮抗剂RN-1734,均能减轻伤害性疼痛,其中,FSLLRY-NH2 还能降低TRPV4磷酸化的水平。这些结果揭示了胰蛋白酶/ PAR2/TRPV4 信号轴在舌癌痛发生中的作用,提示PAR2激活后可能通过蛋白激酶A (protein kinases A,PKA) / PKC 信号通路促使TRPV4 磷酸化, 而TRPV4 磷酸化可能是导致舌癌痛觉过敏的关键环节。
与舌癌痛类似,Maqboul 等在大鼠坐骨神经癌痛模型中也揭示了 TRPV4 的关键作用。在该模型中,通过大鼠坐骨神经注射AT-1 肿瘤细胞,模拟了肿瘤浸润导致的周围神经损伤和机械疼痛的发生。结果显示,在肿瘤注射后3 d,DRG TRPV4 和ERK1/2 在神经元中的共表达及过表达现象,指出了两者在机械痛产生中的潜在协同作用。
随着时间的推移,这两种蛋白的表达水平在第7 ~14 d 有所下降,提示机械痛的持续可能与TRPV4 的高激活状态有关。值得注意的是, TRPV4 拮抗剂HC-067047 能有效抑制该肿瘤引起的机械痛,进一步证实了TRPV4 在癌痛介导中的功能。此外,TRPV4 还被发现参与了由化疗药物如
在肿瘤微环境中, 多种因素如H+、TNF-α、H2O2, 整合素α2β1、Src 酪氨酸激酶、PAR2 等,都可能通过激活下游的PKA 和PKC,促进神经元中的TRPV4 的活化。这种活化导致大量Ca2+内流,最终诱发了TRPV4 依赖的NCP。综上所述,TRPV4 在肿瘤引起的机械痛和化疗药物引起的NCP 中扮演着重要角色,这些发现为开发针对TRPV4 的疼痛治疗策略提供了重要的分子机制基础。
4. 整合素
4. 1 整合素的生物学特性
整合素是一个由18 种α 亚基和8 种β 亚基组成的跨膜蛋白家族,它们以异二聚体形式存在,至少包含24 种不同的整合素,在多种细胞类型中广泛表达。据报道,整合素能够被包括力学刺激在内的多种刺激而激活,这些刺激包括ECM 刚度、细胞外液的流动、ECM 配体以及非ECM 配体,如生长因子、激素和一些小分子。作为一类跨膜连接蛋白,整合素不仅可以在机械上将细胞外基质与细胞内部分连接起来,而且还具备双向信号传递的能力。整合素通过其双向信号传导机制,激活了Ras/ Raf、PI3K/ AKT 以及RhoA/ Rock 等关键信号通路,调控肿瘤发展、侵袭和转移等。
4. 2 整合素在癌痛中的作用
在癌痛领域的研究中,整合素在CIBP 中的作用备受关注。特别是在骨膜上的感觉神经元中,整合素作为力学传感器,不仅响应骨微环境中升高的压力,还能被OC 分泌的TGF-β 激活,导致神经元致敏并引发疼痛。此外,整合素通过调节癌细胞的生长和转移,直接压迫、损伤周围神经,进一步诱发癌痛。同时,整合素在介导炎性痛和神经病理性痛,调控OC 活性以及促进骨转移方面的功能,进一步强调了其在CIBP 发生中的关键角色。
由此可见,整合素可能是治疗CIBP 的潜在靶点。研究发现,癌细胞中特定整合素亚型在骨破坏和CIBP 中扮演着特定角色。例如,整合素α2β1 在
同样,在OC 中,整合素的作用也不容忽视。尤其是整合素αvβ3,它在OC 中的高表达是介导骨破坏的核心分子。靶向整合素αvβ3 的拮抗剂已被证实能够显著抑制骨破坏,这一点在整合素β3 基因敲除的小鼠中也得到了验证,这些小鼠显示出骨量增加和OC 功能减弱。在前列腺癌骨转移模型中,整合素αvβ3 的拮抗剂环
此外,在针对C57BL/6 小鼠构建的
特定的整合素亚型,如整合素α2β1、αvβ3 以及裂解整合素α6,已在CIBP 中被证实具有潜在的治疗价值。其中,整合素β3 也通过其独特的β3/ SOCS3/ STAT3 信号通路在神经病理痛中发挥作用。值得注意的是,软骨细胞表达的整合素αvβ3 在
5. 总结与展望
在细胞力学传感器的研究中,除PIEZO、TRPV4和整合素外,钾电压门控通道亚家族A 成员1 的高表达、双孔结构域钾通道家族中TREK1 的抑制以及TRESK 表达的降低均被发现参与了CIBP 的发展。此外,在骨癌痛模型中,原钙黏蛋白20 通过增强脊髓背角的兴奋性突触传递,也介导了疼痛的发生。在癌痛的调节中,不同力学传感器之间的串扰可能通过复杂的信号网络实现。据报道,整合素可通过增强TRPV4 敏感性以及响应性来提高对疼痛的敏感性,暗示两者在癌痛中可能具有协同效应。
此外,PIEZO1 激活后引发的构象变化能够通过构象信号转导来调节TREK1 的功能,这为PIEZO1 和TREK1 共同参与CIBP 的发生提供了可能的机制依据。值得关注的是,在骨关节炎模型中,体外实验显示PIEZO1 和TRPV4 的激动剂均可引起细胞Ca2+ 内流,但当两者激动剂联合使用时,先使用的激动剂会抑制后续激动剂的效果,表明PIEZO1 和TRPV4 之间存在相互干扰。炎性成分作为癌痛的作用机制之一, 这一发现支持了PIEZO1 和TRPV4 可能共同参与癌痛调节的观点。
鉴于癌痛机制的复杂性,以上结果提示,可能需要多个细胞力学传感器的联合作用于癌痛的发生。这些传感器可能通过激活PI3K/ AKT、FAK/ Src、RhoA/ Rock 和YAP / TAZ 信号通路来调节NF-κB 和P53 等核因子,促进炎性因子的合成,对癌痛的发展产生显著影响。特别是,这些信号通路在肿瘤进展中的作用对于癌痛的调控尤为关键。尽管如此,它们在癌痛中的具体作用机制尚不完全清楚,仍需进一步的研究来探索和验证。
近年来,研究者们开发出多种针对细胞力学传感器的抑制剂,这些抑制剂特别靶向整合素、YAP /TAZ 及TRPV4 等关键分子。在临床研究中,整合素αvβ3 和αvβ5 抑制剂西伦吉肽、YAP / TAZ 抑制剂维替泊芬均已证实具有显著的抗肿瘤效果。鉴于肿瘤的生长和转移是癌痛的主要诱因,这些抑制剂可能通过控制肿瘤进展间接减轻癌痛。此外,高浓度辣椒素作为TRPV4 的抑制剂,在癌痛治疗中已被采纳为国际推荐方案。
尽管PIEZO 的药理研究尚处于起步阶段,但超声波激活PIEZO1 以诱导癌细胞死亡的发现,为超声调控PIEZO 治疗癌痛提供了新的可能性。随着对细胞力学转导在癌痛中作用的深入了解,未来的研究应聚焦于力学传感器以及信号通路之间的相互作用和潜在的串扰,为开发新型针对癌痛的镇痛药物提供理论基础。
来源:刘畅,李海艳,杭黎华.细胞力学传感器介导癌痛的研究进展[J].医用生物力学,2025,40(04):1040-1049.DOI:10.16156/j.1004-7220.2025.04.033.