دانلود رایگان مقاله کانال های یونی نفوذپذیر به کلسیم در سیگنال دهی درد

چکیده

        تشخیص و پردازش محرکهای درد در نورون های حسی آوران ، بطور زیادی به طیف وسیعی از انواع مختلف کانال های یونی ولتاژی و لیگاندی دریچه دار از جمله کانالهای سدیم، کلسیم و TRP وابسته است. عملکرد این کانال ها شامل تشخیص محرک های شیمیایی و مکانیکی، تولید پتانسیل عمل و تنظیم الگوهای شلیک عصبی، آغاز رهاسازی نوروترنسمیترها در سیناپس شاخ پشتی، و متعاقب آن فعال شدن نورون های طناب نخاعی که این پروژه را به مرکز درد در مغز منتقل می کنند. تصور می شود تغییرات طولانی مدت در بیان و عملکرد کانالهای یونی، در مناطق درد مزمن شرکت می کنند. بسیاری از کانالهای درگیر در مسیرهای آوران درد به یون های کلسیم نفوذپذیر هستند، که این نشان دهنده ی نقش آن در سیگنالینگ سلولی در تولید فعالیت الکتریکی است. در این مقاله، مرور گسترده ای بر کانال های یونی مختلف نفوذپذیر به کلسیم، در مسیرهای مختلف درد و نقش آنها در پاتوفیزیولوژی درد را ارائه داده ایم. 

1. مقدمه

         درد حاد یا تیز، یک ورودی حسی ضروری است که افراد را از محرک های مضر محیطی مانند گرما یا سرمای شدید، محرک های شیمیایی و آسیب بافتی مکانیکی محافظت می کند (803, 956). هشدارهای  آستانه ی درد، ما را از تهدیدات داخلی مانند عفونت ها، شکسته شدن استخوان و پاره شدن تاندون ها آگاه می کند. بدون توانایی احساس کردن درد تیز، یک توقف کوتاه افراد در ادامه دادن فعالیت، منجر به درگیر شدن رفتارهای مضر می شود. این مورد در افرادی که بطور مادرزادی به درد غیرحساس هستند (CIP)، نشان داده شده است، شرایط یا بیماری است که به چندین ژن مختلف وابسته است(214) و  در متون ادبیات وجود دارد که شاید بوِیژه در قالب آدم شرور Ronald Niedermann  در رمان Stieg Larsson's The Girl Who Played Fire مشخص شده است. درست مثل شخصیت Niedermann، بیماران CIP در زندگی واقعی قادر به احساس درد تیز نیستند، درحالیکه یک احساس طبیعی لمس را حفظ می کنند (214). کودکان مبتلا به CIP، در معرض خطر خودزنی، بدون اینکه متوجه آسیب بافتی شوند، می باشند (124). یک گزارش جالب بر روی گروهی از  شش کودک پاکستانی (6 تا 14 سال سن)، خطرات مرتبط با CIP را بیشتر مشخص کرد. این کودکان بطور کامل به دردهای مربوط به آسیب های فیزیکی، غیرحساس بودند و درنتیجه میزبانی بودند که آسیب های فیزیکی مانند سوختگی ها و شکستگی ها را تحمل می کردند. تمام شش کودک پاکستانی، جهش های بی معنایی را در Nav1.7 کانال سدیم داشتند، بنابراین تمام توانایی ها، برای احساس کردن دردهای مکانیکی و حرارتی را از دست داده بودند (204). بیماران CIP کودکانی هستند که می توانند برای زندگی مولد و بارور خودشان، زنده بمانند اما مراقبت مداوم برای محافظت در مقابل آسیب ها، برای آنها ضروری است.

         در مقابل درد حاد، دردی وجود دارند که مربوط به شرایط درد مزمنی هستند که بنظر نمی رسد برای انجام یک عمل فیزیولوژیکی مفید مانند درد التهابی یا نوروپاتیکی وجود داشته باشند (912). اغلب مدیریت این شرایط درد، دشوار است و نه تنها اثر منفی بر کیفیت زندگی بیمار دارد بلکه توانایی های مربوط به کار کردن را نیز کاهش می دهد در نتیجه یک بار اقتصادی است که بطور محافظه کارانه تنها در ایالات متحده 600 بیلیون دلار تخمین زده شده است (419). به این ترتیب، اولویت بالایی برای شناسایی مسکن های جدید حفظ شده است که درد مزمن را (ناخواسته) هدف قرار می دهد، و مقدار کمی از توانایی فرد را برای تشخیص محرک های مضر در نظر می گیرد. درد مزمن شامل تغییراتی در بیان و یا عملکرد برخی از انواع مختلف کانالهای یونی در نورون های حسی درد محیطی و سیستم عصبی مرکزی (CNS) از جمله گیرنده های ان-متیل-دی –آسپارتات (NMDARs)، و کانالهای کلسیمی ولتاژی دریچه دار در میان بسیاری دیگر می باشد (954). کانالهای یونی متعددی برای شناسایی و پردازش سیگنالهای درد، شرکت می کنند. زیرمجموعه ای از این کانالها به یون های کلسیم نفوذپذیر هستند که به نوبه خود واسطه میزبان عملکرد سیگنال دهی سلولی مانند رهاسازی نوروترنسمیترها (644)، فعال شدن آنزیم های وابسته به کلسیم، و تغییرات وابسته به کلسیم در بیان ژن هستند (249, 640, 946). بنابراین سیگنالینگ کلسیم نابجا، یک گام اصلی و مهمی است که فعالیت شبکه عصبی را در مدولاسیون یا تنظیم درد درگیر هستند را تغییر می دهد؛ تغییرات در این شبکه، زیربنا و پایه های سلولی درد مزمن را تشکیل می دهند. در اینجا ما نقش کانالهای یونی نفوذپذیر به کلسیم را در تشخیص، انتقال و پردازش سیگنال درد در مسیرهای آوران درد اولیه، بررسی می کنیم. 

2. آناتومی مسیر آوران درد

          سیگنال دهی درد با تشخیص محرک های دردناک یا مضر از طریق گیرنده های درد تخصصی اولیه ای که در انتهای محیطی درون پوست یا اندام های داخلی واقع هستند، آغاز می شود. اجسام سلولی این نورون ها در گانگلیون های ریشه پشتی (DRG) یا در گانگلیون های سه قلو (برای عصب دهی حسی سفالیک) هستند، درحالیکه ترمینال ها یا پایانه های عصبی آنها در لایه های سطحی (لامینای 1 و 2) شاخ خلفی طناب نخاعی (برای DRG) یا در ساقه مغز (برای گانگلیون سه قلو) قرار دارند (67). در انسان 29 جفت DRG (در هر سطح مهره) و یک جفت گانگلیون سه قلو شامل نورون های حسی وجود دارد. این نورون ها دارای مورفولوژی خاصی با طرح آکسون تک قطبی کاذب که ناشی از جسم سلولی و تقسیم شدن آن به دو شاخه است: یک طرح بسیار طولانی ، زمینه پذیرنده محیطی را هدف قرار داده است، و طرح دوم به CNS در طناب نخاعی یا ساقه مغز مربوط است (شکل 1) (835). بنابراین اکثریت زیادی از نورون های آوران از ساختارهای آکسونی تشکیل شده اند (بیش از 99 درصد غشای سلولی؛ منبع 236). قسمت های دیستال، محرک های خارجی را شناسایی می کنند که منجر به انتشار پتانسیل های عمل در طول فیبرهای آکسون تا سیناپس مرکزی در  CNS می شوند. نقش جسم سلولی نورون حسی در کدنویسی اطلاعات حسی، کمتر تعریف شده است (236). نورون های حسی محیطی حس های متنوعی از جمله درد، خارش، لمس متمایز و درک تنش عضلانی بدن (حس عمقی) را انتقال می دهند. طبقه بندی زیرگروه فیبرهای حسی به عملکرد آنها (یعنی سرعت هدایت (CV)) و به ویژگی های آناتومیک (مانند اندازه فیبر آکسون و میلین؛ منبع 274، 275، 697، 1024) آنها بستگی دارد. فیبرهای میلین دار Aδ به آرامی با یک CV آهسته تر (30/12 متر بر ثانیه) و قطر کوچکتر (5-2 میکرومتر) و اندازه جسم سلولی (40-30 میکرومتر)، اطلاعات گیرنده درد و لمس را انتقال می دهند. در نهایت فیبرهای C با هدایت آهسته (CV 2-0.5 متر بر ثانیه) با آکسون های نازک فاقد میلین (1.2- 0.4 میکرومتر) و اندازه جسم سلولی یا سوما کوچک (میکرومتر 25<)، بطور عمده در تشخیص سیگنالهای درد و خارش درگیر هستند، و همچنین در حس لمس سبک مربوط به غلغلک نیز شرکت می کنند (447, 1024). مطالعات با استفاده از آماده سازی پوست (727, 1023) یا در شرایط تک واحدی در شرایط طبیعی و زنده، آکسون های عصبی محیطی را با میکرونوروگرافی، ضبط کردند (727, 771, 894, 1023) و تنوع آنها را بیشتر نمایان کردند. بازتاب این اطلاعات عملکردی را برای بیش از یکسال جمع آوری کردند، شرح مفصلی از آناتومی انتهای عصب مرکزی و دیستال که برای روش های فنی جدید مورد نیاز هستند را نیز جمع آوری کردند. با استفاده از موش های اصلاح شده ژنتیکی برای طبقه بندی خاص زیرگروه های فیبر به محققان این اجازه را داد که این موضوع را بررسی کنند، واضح است که سازمان ساختاری فیبرهای دیستال در پوست و فیبرهای مرکزی در شاخ پشتی طناب نخاعی، بسیار پیچیده است. بنابراین براساس این معیارها، نورون های درد، یک جمعیت بسیار ناهمگن از نورون ها با توجه به مورفولوژی، آناتومی آنها و خواص الکتروفیزیولوژیک آنها را در برمی گیرد (507, 580, 726). 

        محور مغزی نخاعی یا neuraxis درد صعودی. نورون های حسی درد در سیستم عصبی محیطی، جسم های سلولی دارند که در گانگلیون ریشه پشتی (DRG) واقع هستند. این نورون ها آکسون محیطی دارند که مناطق دیستال را عصب دهی می کنند (پوست، احشاء و غیره) که آنها محرک های دردی را که منجر به پتانسیل عملی می شوند که در طول فیبرها تا DRG سیر می کنند و سپس به رله کردن یا تقویت کردن اولیه در طناب نخاعی پشتی می رسند را شناسایی می کنند. نورون های حسی درون DRGs، متنوع هستند و می توانند براساس بیان گیرنده های نوروتروفین، جدا شوند. اکثریت TrkA و c-Ret مثبت با قطر کوچک، آوران های حسی هستند که بطور عمده با فیبرهای C فاقد میلین که در گیرنده های درد هستند، مطابقت دارند. آوران های TrkB و TrkC مثبت با قطر بزرگتر میلین دار به ترتیب با فیبرهای A-δ و A-α/β مطابقت دارند. اگر چه هر دوی آنها حاوی نورون های درد هستند، آنها سیگنالهای لمس و حس عمقی را انتقال می دهند. اطلاعات حسی که بطور موضعی پردازش شده اند، در مدار عصبی درون شاخ خلفی طناب نخاعی قبل از اینکه به تالاموس ارسال شوند، به اطلاعات گیرنده درد منتقل می شوند. اطلاعات به دنبال فیلتر شدن تالاموسی، به ساختارهای قشری ماتریس درد فرستاده می شوند. در طول چند سال گذشته، مشخصات مولکولی نورون های درد به طور وسیعی مورد بررسی قرار گرفته اند، واضح است که برخی از فاکتورها/ نشانگرها، زیرمجموعه های خاصی از نورون ها را تعریف می کنند. برای مثال، نورون های گیرنده درد در حیوانات بالغ، به دو طبقه اصلی براساس بیان گیرنده های نوروتروفین آنها، طبقه بندی شده اند: 1) نورون هایی که به فاکتور رشد عصبی نوروتروفین (NGF) وابسته هستند که گیرنده های TrkA را بیان می کنند و 2) نورون هایی که به اعضای خانواده فاکتور نوروتروفیک مشتق از گلیال(GDNF) پاسخ می دهند، که رسپتور یا گیرنده Ret را بیان می کنند (613،614). از آنجا که آنها از دو دودمان یا نژاد مجزا در طول تکامل با نورون های TrkA یا Ret اوایل یا اواخر منشا می گیرند، این جمعیت حتی متنوع تر از دو گروه می باشد. بنابراین زیرشاخه ها را می توان توسط تشخیص نشانگرهای مولکولی، از هم مجزا کرد. در میان این نشانگرها، نورون های TrkA مثبت، پپتید کلستونین وابسته به ژن (CGRP) و ماده P (SP) را بیان می کنند و بنابراین به گیرنده های peptidergic  اشاره شده اند. در مقابل، گیرنده های درد غیر peptidergic بطور عمده از نورون های مثبت Ret تشکیل شده اند. این دو گروه از نورون ها، بطور آناتومیکی لامینای مشخصی را در شاخ خلفی با فیبرهای TrkA بیرونی ترین منطقه عصب دهی می کند (لامینای 1) و فیبرهای Ret، لایه مشخصی از لامینای 2 را عصب دهی می کند (507, 532, 613). علاوه بر این، این دو جمعیت ناهمگن نیستند و شامل نشانگرهای سیتولوژی مشخصی هستند که نقش های خاص آنها را در شناسایی اطلاعات حسی منعکس می کنند. برای مثال، سلولهای Ret مثبت، شامل جمعیتی از نورون ها هستند که ترکیبات گلیکول سطح سلول را بیان می کنند و بطور خاصی توسط ایزولکتین B4 (IB4) از Griffonia simplicifolia تشخیص داده می شوند (613). یک زیرگروه خاص از سلولهای Ret مثبت و IB4 منفی، مربوط به فیبرهای C آستانه پایین mechanoreceptive یا پذیرنده مکانیکی هستند که بطور ویژه تیروزین هیدروکسیلاز را بیان می کنند و انتقال دهنده گلوتامات وزیکولی VGlut3 هستند(532, 767). برخی از مطالعات نشان دادند که گیرنده های درد IB4 مثبت کوچک و نورون های منفی، نقش های مشخص و متمایزی را در درد بازی می کنند (245, 809, 964). به جلوتر که برویم، به چالش کشیدن برای شناسایی نشانگرهای مولکولی از نورون های حسی زیرگروههای جمعیت مختلفی که هم پوشانی ندارند، مهم خواهد بود و آنها را به پاسخ های ویژه درد و حس لامسه مرتبط می کند. برخی از نشانگرها، با گروهی از فیبرهای آوران از جمله کانالهای یونی نفوذپذیر به کلسیمی که دراینجا مرور می شوند، مربوط هستند. اگر چه بیان TRPV1 و TRPM8 در نورون های کشت داده شده، مشاهده شده است (237)، TRPM8 رسپتور سرما/ منتول (689) و TRPV1 رسپتور گرما/وانیل اوید (vanilloid) (138) را به گروههای غیر مشترک گیرنده های درد، جدا کرده اند. TRPA1 رسپتور یا گیرنده روغن خردل و P2X3 رسپتور purinergic ، عمدتا در نورون های IB4 مثبت بیان می شوند (55, 109). نورون هایی که کانالهای کلسیمی دریچه دار با ولتاژ کم را بیان می کنند بنظر می رسد برای بیان رسپتور μ-opioid ، منفی هستند(بیان نمی کنند). در مجموع این نشان می دهد که کانالهای نفوذپذیر به کلسیم می توانند نشانگرهای مفیدی از انواع فییرهای آوران اولیه خاص باشند. پروتئین های پیام رسان متعدد دیگری مانند رسپتورهای جفت شده با G پروتئین از طبقه Mrgpr/SNSR (GPCRs) هستند که بطور گسترده در حالت منحصربفردی بیان می شوند (533). یکی دیگر از منابع مولکولی تنوع، انواع اسپلایس های مجزا از ژن های منفردی هستند که می توانند بطور ویژه درون زیرمجموعه ای از نورون های حسی بیان شوند. که این با مثالی نشان داده شده است که برای کانالهای کلسیمی از نوع N با زیرواحد Cav2.2 کدگذاری شده است، بیان اگزون 37، به نورون های گیرنده درد محدود شده است و به عنوان یک سوئیچ مولکولی عمل می کند که کانال را به سمت نقش خاصی در درد و تعدیل بوسیله GPCRs (25, 36, 82) می برد. چگونگی تشخیص این زیرگروههای نورون های گیرنده درد بطور مولکولی مشخص شده اند و از لحاظ عملکردی متنوع هستند که  تا حد زیادی درک بیولوژی درد گسترش یافته است، اما این همچنین چالشی را در بسیاری از کارهای آزمایشگاهی بر روی فیزیولوژی مولکولی درد، نشان می دهد.

           شاخ پشتی طناب نخاعی، مرکز پردازش حسی ضروری CNS است که حس محیطی را به مغز متصل می کند. در این مسیر درد، نورون های شاخ پشتی، ورودی ها را از گیرنده های درد محیطی، نورون های واسطه ای موضعی، و برآمدگی های نزولی ادغام می کنند و سیگنالهای پردازش شده را به شبکه درد مغزی منتقل می کنند (شکل 1) (851). نورون ها در لایه سطحی شاخ پشتی (لامینای 1 و 2) بطور اولیه ورودی های خاص درد را از طریق فیبرهای آوران اولیه Aδ و C با آستانه بالا، دریافت می کنند. نورون های لامینای 1 و 2، ناهمگنی قابل توجهی را خصوصیات مولکولی، عملکردی و مورفولوژیکی را نشان می دهند و می توانند به دو زیرگروه براساس مشخصات مورفولوژیکی، بیولوژیکی و الکتروفیزیولوژیکی تقسیم شوند. نورون های واسطه ای تحریکی و مهاری، در لامینای 1 و2 بطور غالب وجود دارند، در حالیکه زیرمجموعه ای از نورون های لامینای 1 مستقیما به مراکز درد در مغز که شامل مناطق پارابرنشیال جانبی، ماده خاکستری دور قناتی، و تالاموس می باشد، برجسته می شوند. در لامینای عمقی تر شاخ خلفی (لامینای 5)، طیف وسیعی از نورون های دینامیکی به هر دو ورودی های بی ضرر و دردناک پاسخ می دهند و به شبکه درد در مغز از طریق مسیر نخاعی-تالاموسی برجسته می شوند. اخیرا روش های اپتوژنیک پیشرفته، با تکنیک های تصویربرداری و ضبط طناب نخاعی ترکیب شده است که، پتانسیلی را برای باز کردن اسرار باقی مانده در مورد چگونگی اطلاعات حسی بی ضرر و دردناک در درون مدار سیناپسی پیچیده شاخ خلفی طناب نخاعی در طول پردازش شرایط طبیعی و درد پاتولوژیک، بوجود آورده است.

3. انواع عمده و مدلهای حیوانی اصلی درد

           همانطور که در بالا بحث شد، گیرنده درد در درجه اول، یک مکانیسم حفاظتی است. بنابراین درد حاد یک پدیده فیزیولوژیکی است که بیان غیرطبیعی گیرنده ها و کانالهای یونی را شامل نمی شود. که این در مطالعات بالینی که شامل بیماران انسانی و مدلهای حیوانی بودند، و با استفاده از استراتژی های فارماکولوژیکی و سرکوب ژن یا آزمایشات بیان بیش از حد در جوندگان یا موجودات ساده تر مانند دروزوفیلا یا zebrafish  (گورخرماهی)، بررسی شده است (518, 519, 555, 864). آزمایش درد حاد می تواند از طریق کاربرد طیفی از محرک ها (الکتریکی، حرارتی، مکانیکی یا شیمیایی) که می توانند کم و بیش بموقع یا بشدت کنترل شوند، بدست بیاید. سوماتیک جلدی یا درد جمجمه (تحریک انتهای اعصاب پوست)، تابحال پرکاربردترین روش برای بررسی درد حاد در حیوانات بوده است، اما درد احشایی نیز از طریق تحریک انتهای عصبی در ارگان های توخالی (دستگاه گوارش و مثانه) بررسی شده است. عوارض حاد به علت درد بیش از حد گیرنده درد می تواند توسط محرک های حرارتی و مکانیکی یا از طریق محرک های شیمیایی مانند تزریق زیرجلدی فرمالین و با استفاده از آگونیست های شیمیایی کانالهای یونی که در تشخیص سیگنالهای درد دخالت دارند (برای مثال کاپسایسین یا capsaicin، روغن خردل، اسید) القا شوند. در مورد آزمایش فرمالین، متعاقب رفتار تحریکی تونیک قوی گیرنده درد، یک پاسخ دوفازی، تحریک اولیه  نورون های حسی گیرنده درد محیطی را منعکس می کند و یک فاز دوم تاخیری مرتبط با تسهیل پاسخ های شاخ خلفی (حساس سازی مرکزی) توسط واکنش التهابی نشان دار شده تولید می کند (405). 

           حساس سازی سیستم درد، نشانگر پاسخ التهابی است. بدنبال آسیب بافت به علت یک جراحت، سوختگی ، عفونت یا تومور ، پاسخ التهابی بوجود می آید که پاسخ های درد را تغییر می دهد. در کوتاه مدت، حساس سازی ممکن است به عنوان یک فرایند محافظتی در قسمت های آسیب دیده بدن عمل کند، و افزایش در شدت درد از آسیب بیشتر مناطق ملتهب از طریق تحریک بیش از حد، جلوگیری می کند. توجه داشته باشید خود تحریک بیش از حد درد، از پدیده به اصطلاح التهاب neurogenic بوجود می آید. در واقع، فعال شدن پایانه های حسی محیطی توسط دپلاریزاسیون موضعی، واکنش های آکسونی یا واکنش های ریشه خلفی، رهاسازی ماده فعال زیستی، از جمله نوروپپتیدهای پیش التهابی، SP و CGRP است. این مولکولها، بر اهداف سلولی محیطی از جمله سلولهای ایمنی (مثل ماست سل ها) و سلولهای واسکولار یا عروقی (برای مرور رفرنس 568 را ببینید) عمل می کنند، که منجر به دگرانولاسیون ماست سل ها، تغییر در تراوایی عروقی و تصفیه نوتروفیل ها می شوند. این نوروترنسمیترها در فیبرهای Aδ میلین دار و فیبرهای C فاقد میلین قرار دارند که به capsaicin حساس هستند و برای کانال TRPV1 ، immunoreactive هستند (198, 701, 822). بنابراین، قطع فیبرهای درد TRPV1 مثبت، با اجرای سیستماتیک آنالوگ کاپسایسین سبب تخلیه SP و CGRP در بافت محیطی می شود، و منجر به سرکوب سیستم ایمنی می شود. SP به عنوان یک میانجی مهم التهاب نوروژنیک شناخته شده است، فعال سازی و تجدید سلولهای ایمنی را بهبود می بخشد، رهاسازی سیتوکین های پیش التهابی را بیشتر می کند، و تولید سلولهای ایمنی جدید را القاء می کند. SP همچنین رهاسازی هیستامین را از ماست سل ها را تحریک می کند و پاسخ های التهابی را بیشتر تشدید می کند. حساس سازی یا حساسیت درد منجر به " allodynia" (یعنی درک یک محرک بی ضرر بصورت دردناک) یا " hyperalgesia یا پردردی" (درد تشدید شده در پاسخ به یک محرک دردناک) می شود. عوامل متعددی هستند که می توانند بر واکنش های التهابی (مانند پروستاگلاندین ها، برادی کینین، پروتون ها، CGRP، هیستامین، NGF، اینترلوکینها، فاکتور آلفا نکروز کننده تومور(TNF-α)) در حساسیت زایی شرکت کنند، و برخی از این میانجی ها باعث تعدیل کوتاه مدت افکتورها از جمله کانالهای نفوذپذیر به کلیسمی که در اینجا مرور شدند، می شوند. که این می تواند در قالبی از تنظیم فعالیت کانالهای عملکردی، افزایش جاگذاری کانال های غشاء پلاسمایی، تنظیم رونویسی کانال، و احتمالا بسیاری از مکانیسم های دیگر پس از ترجمه که در ارتقاء تجدید یا جلوگیری از تخریب این کانال ها دخالت دارند، رخ دهد. مدلهای متمایزی از التهاب، در حیوانات آزمایشگاهی در سطحی از پوست (برای تزریق زیرجلدی کاراژینان یا ادجوانت Freund's کامل (CFA) به درون پنجه)، مفصل زانو (مدل تک آرتریت CFA)، یا روده (مانند کولیت یا التهاب روده القا شده با سولفات دکستران سدیم (DSS)) بکار برده شده اند. اگر چه بسیاری از مدلهای حیوانی توسعه یافته اند، همه ی آنها یک مشخصه از حساسیت سازی نورون های آوران اولیه را به علت تغییر عملکرد کانال یونی، مشترک دارند (در میان فاکتورهای دیگر).  

            هنگامی که سیستم عصبی آسیب دیده باشد، مدارهای درد بطور پاتولوژیکی بوجود بیایند، به این معنا که بطور غیرطبیعی و مزمن در غیاب محرک مضر محیطی درد تولید می کنند. این شرایط را به عنوان " درد نوروپاتیک" طبقه بندی می کنند. درد محیطی نوروپاتیک (PNP) یکی از رایج ترین نوع درد نوروپاتیک است که 8 درصد از جمعیت اروپا و آمریکای شمالی به آن مبتلا هستند. PNP ممکن است از ترومای عصبی، دیابت، نوروآلرژی پس از هرپس، اسکلروز متعدد، شیمی درمانی ضد سرطان، یا درمان های ضد ویورسی بوجود بیاید. درد مزمن یک معضل PNP است، و چالش برانگیزترین شکلی از درد برای پزشکان در مورد مدیریت کردن آن است. علی رغم افزایش دانش در مورد پاتوفیزیولوژی، یک کمبود درباره گزینه های درمانی موثر وجود دارد. حتی درمان هایی که بطور ویژه به PNP اختصاص داده شده اند، مانند داروهای ضد افسردگی یا گاباپنتونوئیدها، اغلب در درمان ناموفق بوده اند. اگرچه پرگابالین یک داروی پرفروش است، اما هنگامی که به بیماران مبتلا به PNP داده می شود، اثرات ضد درد ضعیفی دارد (تقریبا 1.5 تا 2 در مقیاس 10 نقطه). بنابراین آشکار است که به مولکولهای موثرتری نیاز است. طیف وسیعی از مدلهای پیش بالینی نوروپاتیک در جوندگان توسعه یافته اند. که شامل تغییرات تروما اعصاب محیطی مانند ligatures ، قطع، فشرده سازی که اغلب مربوط به اعصاب سیاتیک (83, 227, 476, 478, 769)، عصب infraorbital، و ریشه های عصب سه قلو (913, 984)هستند. بعلاوه تغییرات متابولیکی (مدل های دیابت 1 یا 2 ؛رفرنس 203، 513) و تجویز ترکیبات سمی مانند درمانهای شیمی درمانی، و درمان های ضد HIV، به عنوان مدلهای حیوانی درد نوروپاتیک بکاربرده می شوند (22, 230, 443, 444, 541, 825). در مورد فعالیت دارهای سمی مانند شیمی درمانی، اتیولوژی یا علت های مشاهده شده درون مدلهای جونده بطور قابل ملاحظه ای مشابه آنچه که در کلینیک مشاهده شده اند، می باشد. همانطور که در درد التهابی، شرایط درد نوروپاتیک منجر به پدیده هایی مانند allodynia و هیپرآلرژی می شود و این در زیر بحث شده است، کانالهای یونی نفوذپذیر به کلسیم نقش مهمی را در این روند بازی می کنند.

The detection and processing of painful stimuli in afferent sensory neurons is critically dependent on a wide range of different types of voltage- and ligand-gated ion channels, including sodium, calcium, and TRP channels, to name a few. The functions of these channels include the detection of mechanical and chemical insults, the generation of action potentials and regulation of neuronal firing patterns, the initiation of neurotransmitter release at dorsal horn synapses, and the ensuing activation of spinal cord neurons that project to pain centers in the brain. Long-term changes in ion channel expression and function are thought to contribute to chronic pain states. Many of the channels involved in the afferent pain pathway are permeable to calcium ions, suggesting a role in cell signaling beyond the mere generation of electrical activity. In this article, we provide a broad overview of different calcium-permeable ion channels in the afferent pain pathway and their role in pain pathophysiology.

I. INTRODUCTION

          Acute pain is an essential sensory input that protects individuals from harmful environmental stimuli such as heat, extreme cold, chemical irritants, and mechanical tissue damage (803, 956). Nociception alerts us to internal threats such as infections, broken bones, and torn tendons. Without the ability to feel acute pain, there would be little stopping an individual from continuing to engage in harmful behavior. This is exemplified in patients with congenital insensitivity to pain (CIP), a condition that has been linked to several different genes (214) and which has been featured in popular literature, perhaps most notably in the form of villain Ronald Niedermann in Stieg Larsson’s novel The Girl Who Played with Fire. Just like the Niedermann character, real life CIP patients are unable to feel acute pain, while maintaining a normal sensation of touch (214). Children with CIP are at risk of self-mutilation without realizing the associated tissue damage (124). An intriguing report on a group of six Pakistani children (aged 6 to 14 yr) further highlights the dangers associated with CIP. These children were completely insensitive to pain associated with physical injury (204) and, as a result, had endured a host of physical injuries such as burns and fractures. All six Pakistani children shared a null mutation in the Nav1.7 sodium channel, thus losing all ability to sense thermal and mechanical pain (204). CIP patients that survive childhood can lead productive lives, but constant vigilance is necessary for protecting against injury.

            In contrast to acute, nociceptive pain, there are chronic pain conditions that do not appear to fulfill a useful physiological function, such as inflammatory and neuropathic pain (912). These painful conditions are often difficult to manage and negatively impact not only the patient’s quality of life (704), but the associated reduced ability to work also results in an economic burden that is conservatively estimated to be $600 billion in the United States alone (419). It thus remains a high priority to identify novel analgesics that target chronic (undesired) pain, while sparing an individual’s ability to detect noxious stimuli. Chronic pain involves changes in expression and/or function of a number of different types of ion channels in peripheral pain-sensing neurons and the central nervous system (CNS) (912) including upregulation of N-methyl-Daspartate receptors (NMDARs) and voltage-gated calcium channels among many others (954). Numerous ion channels contribute to the detection and processing of pain signals. A subset of these channels are permeable to calcium ions (266), which in turn mediate a host of cell signaling functions such as the release of neurotransmitters (644), the activation of calcium-dependent enzymes (330), and calcium-dependent changes in gene expression (249, 640, 946).Thus aberrant calcium signalingis a key step that alters activity of neural networks engaged in the modulation of pain; changes in these networks form the cellular underpinnings of chronic pain. Here, we review the role of calcium-permeable ion channels in the detection, transmission, and processing of pain signaling in the primary afferent pain pathway.

II. ANATOMY OF THE AFFERENT PAIN PATHWAY

          Pain signaling is initiated by the detection of noxious stimuli through specialized primary nociceptors located in peripheral endings within the skin and in internal organs. The cell bodies of these neurons are contained within the dorsal root ganglia (DRG) or in the trigeminal ganglia (for cephalic sensory innervation), whereas their nerve terminals are localized in the superficial layers (laminae I and II) of the dorsal horn of the spinal cord (for DRG) or in the brain stem (for trigeminal ganglia) (67). In humans, 29 pairs of DRG (at each vertebral level) and 1 pair of trigeminal ganglia contain sensory neurons. These neurons have a peculiar morphology with a pseudo unipolar axonal projection arising from the cell body and bifurcating in two branches: one very long projection targets the peripheral receptive fields, and a second projection connects to the CNS in the spinal cord or brain stem (835) (FIGURE 1). Therefore, the vast majority of the afferent neuron is comprised of axonal structures (more than 99% of the cell membrane; Ref. 236). The distal parts detect external stimuli that give rise to action potentials propagating along the axonal fibers up to central synapses in the CNS. The role of the sensory neuron cell body in coding sensory information is less defined (236). More globally, peripheral sensory neurons convey a diversity of sensory modalities including pain and itch, discriminative touch, and perception of body muscle tension (proprioception). The classification of sensory fiber subtypes depends both on their function [i.e., conduction velocity (CV)] and on their anatomical features (such as axonal fiber size and myelination; Refs. 274, 275, 697, 1024). Fast-conducting A
and A fibers (CV: A
70 –120 m/s, A 70 –30 m/s) have large calibers (5–20 m) and a large cell body (
40 m). They are heavily myelinated and correspond to proprioceptive neurons (A
) and proprioceptive and tactile neurons (A). Some subclasses of Afibers also support nociceptive signals (246, 281). Lightly myelinated A fibers, with a slower CV (12–30 m/s) and a smaller diameter (2–5 m) and cell body size (30 –40 m), convey tactile and nociceptive information. Finally, slow-conducting C fibers (CV 0.5–2 m/s) with unmyelinated thin axons (0.4 –1.2 m) and small soma size (25 m) are mainly involved in detecting pain and itch signals, but also participate in light touch related to tickling (447, 1024). Studies using skin-nerve preparations (727, 1023) or in vivo singleunit recording of peripheral nerve axons with microneurography (727, 771, 894, 1023) further highlight their diversity. To mirror these functional data gathered over the years, detailed description of the anatomy of the distal and central nerve endings required novel technical approaches. The use of genetically modified mice for specific labeling of fiber subtypes allowed researchers to address this issue, revealing that the structural organization of distal fibers in the skin (958) and the central fibers in the dorsal horn of the spinal cord (532) is extremely complex. Thus, based on these criteria, nociceptive neurons encompass a highly heterogeneous population of neurons with respect to their morphological, anatomical, and electrophysiological properties (507, 580, 726).

          Over the past few years the molecular characterization of nociceptive neurons has been intensively explored, revealing that a number of factors/markers define specific subsets of neurons. For example, nociceptive neurons in the adult animal have been classified into two major categories according to their expression of neurotrophin receptors: 1) neurons dependent on the neurotrophin nerve growth factor (NGF) that express TrkA receptors and 2) neurons responsive to members of the glial-derived neurotrophic factor (GDNF) family that express Ret receptors (613, 614). These populations are even more diverse than just two ensembles, since they originate from distinct lineages during development with early and late TrkA or Ret neurons (50, 562). Therefore, subcategories can be separated by distinct molecular markers. Among these markers the TrkA-positive neurons express calcitonin gene-related peptide (CGRP) and substance P (SP) and are thus referred to as peptidergic nociceptors. In contrast, nonpeptidergic nociceptors are mainly comprised of Ret positive neurons (614). These two classes of neurons anatomically project to distinct laminae in the dorsal horn with TrkA fibers innervating the outermost region (lamina I) and the Ret fibers innervating distinct layers of lamina II (507, 532, 613). In addition, these two populations are not homogeneous and contain distinct cytological markers that reflect their specific roles in detecting sensory information. For example, the Ret-positive cells contain a population of neurons that express cell surface glycol conjugates that are specifically recognized by isolectin B4 (IB4) from Griffonia simplicifolia (613). A specific subgroup of Retpositive and IB4-negative cells corresponds to low-threshold mechanoreceptive C fibers that specifically express tyrosine hydroxylase and the vesicular glutamate transporter VGlut3 (532, 767). A number of studies have revealed that small nociceptive IB4 positive and negative neurons play distinct roles in pain (245, 809, 964). Going forward, it will be important albeit challenging to identify nonoverlapping molecular markers of the different subpopulations of sensory neurons and link these to specific pain responses or tactile sensations.

           Some of the markers associated with specific afferent fiber populations include calcium-permeable ion channels reviewed here. The cold/menthol receptor TRPM8 (689) and the heat/ vanilloid receptor TRPV1 (138) segregate into nonoverlapping classes of nociceptors, although TRPV1 and TRPM8 coexpression has been observed in cultured neurons (237). The mustard oil receptor TRPA1 and the purinergic receptor P2X3 are predominantly expressed in IB4-positive neurons (55, 109). Neurons that express low voltage-gated calcium channels appear to be negative for -opioid receptor expression (963). Altogether, this illustrates that calcium-permeable channels can be useful markers of specific primary afferent fiber types.

         Multiple other signaling proteins such as Mrgpr/SNSR class G protein-coupled receptors (GPCRs) are largely expressed in a mutually exclusive fashion (553). As another molecular twist of diversity, distinct splice variants of a single gene can be specifically expressed within a subpopulation of sensory neurons. It has been demonstrated for example that for the N-type calcium channels encoded by the Cav2.2 subunit, the expression of the exon 37a variant is restricted to nociceptive neurons and acts as a molecular switch that tailors the channel toward specific roles in pain perception and modulation by GPCRs (25, 36, 82). Deciphering how these subpopulations of nociceptive neurons are molecularly specified and functionally diversified will greatly expand the understanding of pain biology, but this also represents a challenge in many laboratories working on molecular pain physiology.

            The spinal cord dorsal horn is the essential CNS sensory processing hub connecting the periphery to the brain. In this nociceptive pathway, dorsal horn neurons integrate inputs from peripheral nociceptors, local interneurons, and descending projections and transmit processed signals to the brain pain network (851) (FIGURE 1). Neurons in the superficial layers of the dorsal horn (laminae I and II) primarily receive nociceptive-specific inputs through high-threshold A- and C-fiber primary afferents. Lamina I and II neurons display considerable heterogeneity in molecular, functional, and morphological properties and can be divided into subpopulations based on their morphological, biochemical, and electrophysiological profiles (338). Excitatory and inhibitory interneurons predominate in lamina I and II, while a subset of lamina I neurons project directly to brain pain centers which include the lateral parabrachial area, the periaquedecutal grey matter, and the thalamus. Within deeper laminae of the dorsal horn (lamina V), wide dynamic range neurons respond to both innocuous and noxious inputs and project to brain pain networks through the spinothalamic tract. Combining recently developed optogenetic approaches with spinal cord imaging and recording techniques has the potential to unlock remaining mysteries regarding how innocuous and noxious sensory information is processed within the complex synaptic circuitry of the spinal cord dorsal horn during normal and pathological pain conditions.

III. MAJOR TYPES AND KEY ANIMAL MODELS OF PAIN

          As stated above, nociceptive pain is primarily a protective mechanism. Acute pain is therefore a physiological phenome non that does not involve abnormal expression of ion channels and receptors. It has been investigated in clinical studies involving human patients, and in animal models with the use of pharmacological strategies, and gene knockout or overexpression experiments in rodents or simpler organisms, such as Drosophila or zebrafish (518, 519, 555, 864). Testing of acute pain responses can be achieved through application of a range of stimuli (electrical, thermal, mechanical, or chemical) that can be more or less controlled in time and intensity. Cutaneous somatic or cephalic nociception (stimulation of skin nerve endings) is by far the most widely used approach to investigate acute pain in animals, but visceral pain has also been explored through stimulation of nerve endings in hollow organs (gastrointestinal tract, bladder) (174, 325). Acute reactions due to excessive nociceptive pain can be induced by thermal and mechanical stimuli, or via chemical stimuli such as subcutaneous Formalin injection (559, 632) and by application of chemical agonists of ion channels that are involved in the detection of nociceptive signals (for example, capsaicin, mustard oil, acid). In the case of the Formalin test, the behavioral consequence of this strong tonic nociceptive stimulation is a biphasic response reflecting the initial stimulation of peripheral nociceptive sensory neurons, and a delayed second phase linked to a facilitation of dorsal horn responses (central sensitization) produced by a marked inflammatory reaction (405).