Toll-подобные рецепторы в механизмах формирования хронической боли

Согласно определению Международной ассоциации по изучению боли (International Association for the Study of Pain — IASP), боль — это неприятное сенсорное и эмоциональное переживание, связанное с действительным или возможным повреждением тканей, или схожее с таковым переживанием [1]. В зависимости от продолжительности болевого синдрома боль подразделяется на острую и хроническую [2]. В настоящее время под хронической болью понимают болевой синдром, сохраняющийся по окончании периода заживления поврежденных тканей, а условным временным критерием трансформации острой боли в хроническую считается продолжительность клинических проявлений более 3 мес [3—6]. На сегодняшний день развитие хронического болевого синдрома наблюдается примерно у 20% взрослого населения в развитых странах [7]. Несмотря на то что хроническая боль в большинстве случаев не становится причиной летального исхода, она является одной из основных причин снижения качества жизни и инвалидизации пациентов [8]. Одна из основных проблем при назначении анальгетической терапии — понимание механизма развития хронического болевого синдрома. С одной стороны, генерация ноцицептивного импульса осуществляется при наличии повреждения тканей организма. С другой стороны, IASP среди критериев хронического болевого синдрома выделяет превышение периода нормального заживления тканей, поэтому определение источника повреждения становится проблематичным. В то же время хроническая боль может носить нейропатический характер [9, 10]. Следует отметить, что длительно существующий болевой синдром зачастую обусловлен комбинацией нескольких механизмов развития [9]. Таким образом, обеспечение рациональной терапии хронического болевого синдрома подразумевает определение не только этиологии, но и патогенеза заболевания. На сегодняшний день большое внимание уделяется нейроиммунным взаимодействиям в механизмах формирования болевой чувствительности [11—14]. Одним из основных механизмов, обусловливающих такие взаимодействия, считается распознавание биологических медиаторов специфическими рецепторами, экспрессирующимися различными клетками [15]. Возникновение нарушений в физиологических механизмах нейроиммунных взаимодействий ассоциировано с развитием ряда патологических состояний [16—19]. Одними из основных рецепторов, обеспечивающих межклеточные реакции нервной и иммунной систем, являются рецепторы врожденного иммунитета, в частности, Toll-подобные рецепторы (TLRs) [20, 21].

При патофизиологической классификации боли можно условно выделить три этиопатогенетических типа: ноцицептивный, нейропатический и дисфункциональный. В клинической практике у пациентов с хронической болью, как правило, наблюдается сочетание указанных типов [22].

Ноцицептивной считается боль, возникающая при повреждении тканей и стимуляции ноцицепторов [23, 24]. Предполагается, что в случае развития хронического болевого синдрома происходит сохранение первичной и вторичной гипералгезии в структурах проведения болевой чувствительности, что обеспечивает генерацию потенциала действия по окончании срока заживления пораженных тканей [14, 25]. При этом уровень возникновения патологического очага локализуется как в ноцицепторах, так и в вышележащих структурах. В настоящее время предполагается, что патологической основой первичной и вторичной гипералгезии является развитие периферической и центральной сенситизации [22].

Под периферической сенситизацией понимают повышение чувствительности ноцицепторов вследствие снижения порога возбудимости под воздействием специфических медиаторов (таких как брадикинин, простагландины, лейкотриены, гистамин; провоспалительные цитокины, глутамат; субстанция P и др.) [26]. Условно в процессе развития периферической сенситизации выделяют две фазы: 1) модификация протеинов ноцицептора (посттрансляционная фаза), 2) изменение интенсивности экспрессии целевых генов. Этап посттрасляционных изменений включает в себя изменение функциональной активности мембранных рецепторов нервного окончания в результате их фосфорилирования протеинкиназами [27, 28]. Одним из результатов сигналинга рецепторов является активация цитокинового каскада, инициированного медиаторами воспаления. При трансдукции внутриклеточного сигнала также происходит увеличение интенсивности процессов транскрипции и трансляции, что обеспечивает синтез дополнительного количества функциональных белков [27, 29]. В дальнейшем указанные протеины транспортируются к мембране ноцицептора и также подвергаются фосфорилированию, обеспечивая повышение чувствительности ноцицепторов к болевым стимулам [30].

При возникновении острой боли описанные механизмы периферической сенситизации непродолжительны и нивелируются при восстановлении анатомической и функциональной целостности поврежденных тканей [31, 32]. Для возникновения хронического болевого синдрома необходимо формирование дополнительных механизмов, обеспечивающих пролонгацию сенситизации ноцицепторов [30]. На сегодняшний день среди факторов, способствующих сохранению периферической сенситизации, выделяют повышение концентрации медиаторов иммунных реакций в очаге изначального повреждения [30, 33]. Одним из медиаторов, способствующих поддержанию сенситизации, является NGF (nerve growth factor). NGF относится к классу нейтрофинов и представляет собой полипептид, тропный к рецептору тирозинкиназы A (receptor kinase A — TrKA) и p75 [34]. Активация TrKA на поверхности тучных клеток приводит к высвобождению дополнительного количества медиаторов, способствующих активации ноцицепторов и поддержанию воспалительной реакции в очаге повреждения [10]. Связывание NGF с TrKA и p75 на поверхности ноцицепторов инициирует специфический сигналинг с последующим синтезом нейротрансмиттеров и рецепторных белков, участвующих в генерации и проведении болевого импульса [26].

Помимо периферической сентитизации в изучении механизмов формирования болевой чувствительности используют понятие центральной сенситизации: центральная сенситизация (ЦС) — это повышение возбудимости ноцицептивных нейронов в задних рогах спинного мозга и других структурах центральной нервной системы [35]. Среди факторов, способствующих развитию ЦС, выделяют избыточную стимуляцию ноцицепторов, наличие ревматических и аутоиммунных заболевания в анамнезе, высвобождение патоген-ассоциированных молекулярных паттернов (pathogen-associated molecular patterns — PAMP) при инфицировании бактериальными и вирусными патогенами, образование дистресс-ассоциированных молекулярных паттернов (молекулярных маркеров клеточной смерти и повреждения тканей) (damage-associated molecular patterns — DAMPs) при стрессорных реакциях и др. [34].

Среди механизмов формирования очага ЦС одним из основных является повышение концентрации глутамата в синаптической щели [36]. В случае острой боли трансдукция ноцицептивного импульса на уровне задних рогов спинного мозга осуществляется посредством связывания глутамата с рецепторами α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты (AMPAR) [13, 37]. Однако в случае персистирования болевого импульса на фоне периферической сенситизации экскреция глутаматапресинаптическим окончанием увеличивается и повышается содержание медиатора в синаптической щели. Как следствие, избыток медиатора способствует вытеснению ионов магния из рецепторов N-метил-D-аспартата (NMDAR) и метаботропных рецепторов глутамата [38]. В результате присоединения лиганда к NMDAR и метаботропным рецепторам происходит активация внутриклеточных кальций-зависимых киназ (таких как кальмодулинкиназы, протеинкиназы C, ЦОГ2 и NO-синтазы) [39]. Синтезируемые под воздействием ЦОГ2 и NO-синтазы PgE₂ и NO инициируют дополнительную секрецию глутамата, субстанции P и кальцитонин-ген-родственного пептида. Секретируемые нейромедиаторы способствуют генерации потенциала действия на постсинаптической мембране и активации глиальных клеток [30].

Активация глии является одним из ключевых этапов формирования ЦС [40]. В процессе развития ЦС наибольшее значение имеют фенотипические изменения клеток микроглии и астроцитов с М2-подобного на М1-подобный и с А2-подобного на А1-подобный соответственно, инициирующие секрецию глиальных медиаторов, таких как TNF, IL-1β, CCL2, CXCL1, BDNF, D-серин. Указанные медиаторы взаимодействуют со специфическими рецепторами на пресинаптической и постсинаптической терминалях, что инициирует сигналинг МАРК/ЕРК [41]. Как следствие, в пресинаптическом окончании происходит активация ионных каналов TRPV1, натриевых каналов Nav1.7 и Nav1.8, что индуцирует высвобождение медиатора (глутамата) из синаптических везикул и повышение его концентрации в синаптической щели [42]. В результате воздействия глиальных медиаторов на постсинаптическую терминаль происходит ингибирование калиевых каналов (Kv4.2) и активация AMPAR и NMDAR глутамата [43]. На фоне изменений функционального состояния рецепторов и калиевых каналов постсинаптической терминали увеличение содержания глутамата в синаптической щели приводит к генерации ноцицептивного импульса при отсутствии раздражения ноцицептора. Глутамат дополнительно активирует клетки глии, тем самым замыкая формирование патологического очага на уровне центральных структур проведения болевой чувствительности [8, 41].

К нейропатической боли относят боль, возникающую в результате непосредственного повреждения или заболевания нервной системы на уровне периферических и центральных структур [44]. Этиологическими факторами возникновения нейропатической боли могут являться механическое повреждение, метаболические нарушения, развитие инфекционного процесса и другие процессы, сопровождающиеся высвобождением PAMPs и DAMPs. Как следствие, в патогенез нейропатической боли возможно вовлечение как классического, так и асептического воспалительного процесса. Например, среди пациентов с нейропатической болью наиболее часто встречаются больные с диабетической нейропатией, постгерпетической невралгией, ревматическими и онкологическими заболеваниями [22, 45].

В основе развития нейропатической боли лежат изменения проводимости в нервном волокне в виде увеличения числа Na-каналов, возникновения атипичных рецепторов, новых зон возникновения эктопических импульсов [46]. Результатом становится избыточная реакция периферических волокон при генерации потенциала действия и дезорганизация функционирования центральных структур. Развивается периферическая и центральная сенситизация, наблюдается апоптоз тормозных нейронов, возрастает эффективность синаптической передачи, а также формируются новые межнейронные связи [22].

Если в случае нейропатического или ноцицептивного механизмов возникновение болевого ощущения вызвано непосредственной активацией ноцицептивной системы, то при формировании дисфункциональной боли объяснить ее генез наличием известных органических повреждений не представляется возможным [22, 47]. Поскольку психологические нарушения практически всегда сопровождаются инициацией симпатоадреналовой системы, предполагается, что дисфункциональная боль возникает в том числе в результате активации α₂-адренорецепторов нейронов и последующего возникновения нейрогенного воспаления и сенситизации ноцицепторов [22]. В то же время наблюдающееся при психоэмоциональных расстройствах длительное мышечное напряжение способствует локальному синтезу повышенного количества алгогенов [48]. Возникает сенситизация ноцицепторов, расположенных в мышечной ткани, обусловленная в том числе распознаванием DAMPs рецепторами врожденного иммунитета и развитием асептического воспаления [22]. В результате возникновение дисфункциональной боли также может быть связано с активацией ноцицептивной системы — либо по ретроградному механизму симпатическими эфферентными волокнами, либо в результате длительного рефлекторного напряжения мышц [49].

Среди вышеописанных механизмов развития хронической боли отдельно выделяют нарушения нейроиммунных взаимодействий, связанные с дисфункцией компонентов врожденного иммунного ответа [50]. К компонентам врожденного иммунного ответа относят, в частности, TLRs, входящие в группу паттерн-распознающих рецепторов (PRRs) врожденного иммунитета [51]. Помимо клеток иммунной системы TLRs экспрессируются широким спектром тканей организма, в том числе клетками нервной системы [52]. Учитывая различную локализацию рецепторов в клетке, различают TLRs цитоплазматической мембраны (TLR1, TLR2, TLR4, TLR5, TLR6, TLR11) и внутриклеточных органелл (TLR3, TLR7, TLR8, TLR9) [53]. Среди лигандов TLRs выделяют PAMPs, а также DAMPs [53, 55]. К первой группе молекул относятся соединения, характерные для различных групп микроорганизмов: двуцепочечная РНК, одноцепочечная РНК, флагеллин, липополисахарид (LPS) и др. [55, 56]. Большинство DAMPs, в свою очередь, в норме являются составляющими внутриклеточных компонентов и выявляются во внеклеточном пространстве только в случае клеточного повреждения (шапероны, HMGB1, гистоны и т.д.) [57—59]. Компоненты самого межклеточного матрикса (гиалуроновая кислота, фибриноген) могут распознаваться TLRs в качестве DAMPs при нарушении целостности тканей организма [52, 55]. По своей структуре TLRs относятся к I классу трансмембранных белков и состоят из трех доменов: N-концевого лейцин-богатого эктодомена (LRR), трансмембранного фрагмента и внутриклеточного С-концевого TIR-домена (Toll-interleukin-1 receptor — TIR) [47, 48]. LRR домен включает в себя от 2 до 45 богатых лейцином повторов и связывает соответствующие лиганды. TIR-домен инициирует внутриклеточный сигнальный каскад [60—62]. Связывание рецептора с лигандом приводит к димеризации эктодомена, что опосредует димеризацию TIR-домена [56]. В последующем димеры внутриклеточного домена распознаются адаптерными белками TIRAP (TIR-домен содержащим адаптерным белком) и TRAM (TIRAP-индуцирующей IFN-β (TRIF)-связанной адаптерной молекулой). Данные белки инициируют последующее присоединение молекул MyD88 или TRIF [63]. В результате возможно формирование двух вариантов олигомерного комплекса — Миддсомы или Триффсомы [64—68]. Образование указанных комплексов приводит к локальному повышению концентрации последующих цитозольных сигнальных молекул и киназ, что ведет к изменению конформации аллостерических ферментов и последующей трансдукции сигнала [69]. В соответствии с используемым олигомерным комплексом дальнейший каскад внутриклеточного сигналинга TLRs подразделяется на MyD88-зависимый и TRIF-зависимый [77, 78].

Считается, что MyD88-зависимый сигналинг инициируется всеми представителями TLRs, кроме TLR3 [78, 79]. После образования Миддсомы происходит связывание N-концевого домена смерти MyD88 и аналогичного домена IRAK4, что приводит к активации IRAK4. В дальнейшем IRAK4 инициирует аутофосфорилирование IRAK1 и IRAK2 [70]. После активации IRAK1 взаимодействует с молекулой TRAF6 (tumor necrosis factor receptor associated factor 6) и лигазой Е3 с последующим убиквитинированием в позиции Lys63, что способствует присоединению TAK1 (transforming growth factor β activated proteinkinase 1) или IKK (IkB kinase) [72]. После активации TAK1 возможно продолжение сигналинга по путям NF-κB или MAPK [70].

В случае NF-κB осуществляется присоединение к TAK1 комплекса IKK, состоящего из каталитических субъединиц IKK-α, IKK-β и регуляторной субъединицы NEMO (nuclear factor κB essential modulator) с минимальным расстоянием между TAK1 и IKK-β, что способствует фосфорилированию IKK-β и последующей активации всего комплекса IKK [62]. Комплекс IKK способствует активации транскрипционного фактора NF-κB и его последующей транслокации в ядро [70]. При передаче сигнала по MAPK-пути происходит активация киназ MKK1/2, MKK4/7 и MKK3/6 [73]. Результатом сигналинга от указанных киназ осуществляется MKK1/2, транслокация в ядро транскрипционных факторов CREB (cyclic AMP-responsive element binding protein) и AP-1 (activator protein 1) [74].

Несмотря на распространенность MyD88-зависимой передачи сигнала в семействе TLRs, при активации TLR3 и TLR4 в антигенпрезентирующих клетках индукция секреции IFN происходит независимо от MyD88 [70]. В данном случае сигналинг осуществляется посредством формирования Триффсомы, состоящей из адаптерного белка TRAM и молекул TRIF, TRAF6 и TRAF3 [56]. В результате их взаимодействия происходит активация TRAF6 и TRAF3 с последующим рекрутированием киназы RIP1 (receptor-interacting protein 1) и активацией NF-κB и MAPKs [75]. TRAF3 опосредует активацию транскрипционного фактора IRF3 (inducing transcription factor IFN regulatory factor 3) с его последующей транслокацией в ядро [70].

Таким образом, внутриклеточный сигналинг различных групп TLRs различается на этапе формирования инициирующего комплекса — Триффсомы или Миддсомы, — однако замыкается на этапе активации сигнальных путей NF-κB и MAPK. Вышеуказанные различия могут быть использованы при разработке таргетных препаратов с целью избирательного воздействия на сигнальные пути TLRs.

TLRs экспрессируются различными клетками организма, среди которых клетки иммунной системы, фибробласты, эпителиальные клетки, эндотелиальные клетки, а также шванновские клетки, сателлиты, астроциты, олигодендроциты, клетки микроглиии, нейроны [76]. Множество типов экспрессирующих TLRs клеток, универсальность распознаваемых ими лигандов и активация аналогичных внутриклеточных сигнальных путей позволяет предположить, что TLRs являются универсальными посредниками в формировании межклеточных реакций нервной и иммунной систем в ответ на повреждение целостности тканей/высвобождение PAMPs и DAMPs [20, 77, 78].

С точки зрения формирования потенциала действия на мембране ноцицепторов наиболее интересным представляется обнаружение TLRs на поверхности нейронов. На сегодняшний день известно об экспрессии TLRs ноцицепторами дорсальных ганглиев и тройничного нерва TLR2, TLR3, TLR4, TLR7 и TLR8 [79—83]. При этом из внутриклеточных посредников при передаче сигнала в нейронах, экспрессирующих TLRs, была обнаружена молекула MyD88 [84]. Таким образом, в настоящее время предполагается, что TLRs способствуют генерации ноцицептивного импульса либо непосредственно в результате распознавания PAMPs или DAMPs, либо за счет связывания воспалительных медиаторов клеток иммунной системы с TLRs нейронов [85].

Однако формирование хронического болевого синдрома может быть связано не только с персистированием ноцицептивного импульса, но и с возникновением структурно-функциональных изменений ноцицептивной системы в виде: 1) появления эктопических очагов генерации патологической импульсации, 2) развития периферической и центральной сенситизации, 3) нарушения интегративных процессов регуляции болевой чувствительности [22].

В исследованиях, посвященных изучению механизмов формирования боли, установлено участие Toll-подобных рецепторов в формировании периферической сенситизации. Известно, что одним из ноцицептивных механизмов развития хронической боли является сенситизация ноцицепторов в результате развития очага персистирующего воспаления [86]. Распознавание TLRs PAMPs или DAMPs инициирует активацию MyD88-зависимого и TRIF-зависимого сигналинга, что приводит к секреции иммунными клетками провоспалительных цитокинов (в частности, TNF-α), опосредующих развитие сенситизации ноцицепторов [87]. TNF-α способствует развитию сенситизации посредством связывания с рецептором TNFR1 и последующей активации сигналинга MAPK, JNK, p38 и NF-κB [88, 89]. Было показано, что внутрисуставное введение TNF вызывало гиперчувствительность к механическому раздражению у экспериментальных животных. Степень сенситизации ноцицепторов носила дозозависимый характер и купировалась приемом ингибиторов p38 [89]. Следует отметить, что активация сигнальных путей MAPK, JNK, p38 и NF-κB способствует не только сенситизации ноцицепторов, но и развитию хронического воспаления в очаге повреждения. Указанные процессы опосредуют возникновение порочного круга и формирование длительно персистирующей гиперчувствительности [88].

Помимо периферической сенситизации одним из основных механизмов развития хронической боли является формирование очага ЦС посредством вовлечения в патологический процесс глиальных клеток, в частности, астроцитов и микроглии. Микроглиальные клетки экспрессируют рецепторы врожденного иммунитета, в том числе и TLRs (TLR1—TLR5, TLR7—TLR9) [70]. На сегодняшний день присутствие TLRs на поверхности микроглии считается одним из основных факторов развития нейровоспаления в ответ на распространяющиеся с током цереброспинальной жидкости лиганды [8]. Было показано, что стимуляция лигандами TLR3 клеток микроглии человека инициировало секрецию IL-12, TNF-α, IL-6, IL-10 и IFN-β [90].

Астроциты являются ключевым звеном в интеграции межклеточных сигналов и поддержании гомеостаза между нейронами, иммунными клетками и сосудистым компонентом [91]. В частности, они участвуют в активации микроглии, регулируют проницаемость гематоэнцефалического барьера, обеспечивают транспортировку нейротрофических факторов [90]. Соответственно, функциональное состояние астроцитов считается одним из основных факторов формирования ЦС. Известно об экспрессии астроцитами TLR2—TLR4 и TLR9 [92]. Было показано, что одновременная стимуляция астроцитов двухцепочечной РНК и LPS инициировала секрецию IL-1α, IL-1β, IL-6, TNF-α, GM-CSF, LT-β и TGF-β3 [8, 41, 53]. Выделяемые астроцитами и микроглией TNF-α, IL-1β и IL-6 не только способствовали сенситизации глутаматергических нейронов, но и снижали интенсивность генерации потенциала действия на постсинаптической мембране GABA-ергических синапсов [41]. Воздействие TNF-α, IL-1β и IL-6 на глиальные клетки задних рогов спинного мозга приводило к изменению функционального состояния AMPAR и NMDAR глутамата, GABAR и рецепторов глицина, что способствовало усилению возбуждающего и подавлению тормозного синаптического сигнала в путях проведения болевой чувствительности [41].

Наряду с описанными механизмами формирование нейропатического и дисфункционального типов болевого синдрома может быть ассоциировано с высвобождением большого количества DAMPs [22, 45]. Распознавание DAMPs рецепторами врожденного иммунитета инициирует развитие асептического воспаления и сенситизацию нейронов ноцицептивной системы [92]. Одним из методов изучения вовлечения TLRs в развитие асептического воспаления является моделирование ишемическо-реперфузионного повреждения (ischaemia-reperfusion injury — IRI) in vivo [93]. Было показано, что лабораторные животные со сниженной экспрессией TLR4 в меньшей степени подвержены развитию IRI печени, почек, сердца, головного и спинного мозга [94]. Одним из наиболее важных эндогенных лигандов активации TLR4 является HMGB1 (high- mobility group box 1 protein). Введение анти-HMGB1 антител или рекомбинантного HMGB1 ингибировало или соответственно потенцировало развитие TLR4-зависимого IRI повреждения тканей [95, 96]. Таким образом, наличие асептического воспаления может служить предпосылкой для изменений болевой чувствительности, опосредованных развитием как периферической, так и центральной сенситизации.

Таким образом, можно предположить, что активация TLRs способствует реализации ноцицептивных реакций в формирования хронического болевого синдрома за счет развития хронического воспалительного процесса и, как следствие, периферической сенситизации в очаге первичного повреждения. При этом в случае возникновения центральной сенситизации TLRs опосредуют изменение фенотипа астроцитов и микроглии на A1-подобный и M1-подобный фенотип с последующей секрецией глиальных медиаторов. Выделяемые в результате активации TLRs провоспалительные медиаторы обеспечивают формирование патологического очага путем воздействия как на возбуждающие, так и на тормозные синаптические сигналы при формировании болевой чувствительности. Реализация нейропатического и дисфункционального механизмов развития хронической боли возможна посредством патологической активации ионных каналов под воздействием провоспалительных медиаторов, а также за счет развития асептического воспаления при активации TLRs за счет взаимодействия с DAMPs. Дальнейшее изучение участия TLRs в механизмах развития хронического болевого синдрома является перспективным направлением для разработки таргетных препаратов лечения хронической боли.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.