疼痛变慢性？Piomelli团队揭示脊髓代谢重编程与自噬抑制机制

剧烈的急性疼痛，可能演变为组织愈合后仍持续存在的顽固性疼痛。以手术为例，30%-50%的胸外科或乳房切除患者，即便手术成功，一年后仍饱受疼痛困扰。同样，高达30%的意外创伤者会发展为长期颈背痛。这种慢性疼痛的背后，是中枢与外周敏化引发的稳定神经可塑性改变，但驱动这一转变的分子机制仍不清楚。破解这一谜题，对发现疼痛慢性化的关键“关卡”并实现靶向干预至关重要。

基于此，2025年9月13日，加利福尼亚大学Daniele Piomelli研究团队在Cell Reports杂志发表了“Metabolic reprogramming in the spinal cord drives the transition to pain chronicity”揭示了脊髓中的代谢重编程驱动疼痛向慢性的转变。

本文中，作者发现外周损伤会激活小鼠脊髓传入节段中的AKT/mTORC1信号通路，使局部核心代谢转向生物量的生成，同时抑制自噬介导的生物量回收。这种代谢重编程虽有助于神经可塑性，却可能导致资源竞争过度消耗脊髓中的关键营养物质，形成供应瓶颈。通过调整饮食防止这种营养耗竭，可使生物量生成和自噬恢复正常并阻止疼痛向慢性阶段发展。该效应在多种疼痛模型中均被观察到，其作用依赖于营养感应蛋白去乙酰化酶sirtuin-1和AMPK的激活以及自噬功能的恢复。研究结果表明，代谢重编程及其导致的自噬抑制是疼痛转为慢性的关键驱动因素，并提示可通过营养干预或药物手段，在手术或其他身体创伤后预防慢性疼痛的发生。

图一 MD-1具有生物可利用性，能防止损伤引起的脊髓营养耗竭

向雄性CD-1小鼠后爪注射福尔马林可在损伤后第4天引起同侧腰段（L4-L6）脊髓半侧组织的代谢重编程并达到峰值。与生理盐水对照组相比，福尔马林注射上调了糖酵解相关基因的转录水平，而三羧酸循环和氧化磷酸化相关基因则普遍下调。值得注意的例外是琥珀酸脱氢酶和泛醇-细胞色素c还原酶，其转录水平升高，这可能与其在损伤后的其他效应中的作用有关，例如抑制自噬和促进凋亡。此外，糖酵解代谢物水平升高，而三羧酸循环代谢物水平则低于对照组。

先前的研究表明，这种代谢转变与局部12种氨基酸、两种单不饱和脂肪酸（油酸和芥酸）以及内源性PPAR-α激动剂花生四烯乙醇胺的浓度显著降低相关。为了评估这种营养物质的耗竭是否独立地促进了疼痛的慢性化，作者配制了一种富含这些耗竭物质的饮食配方MD-1。首先，为了评估该饮食的生物可利用性，让雄性CD-1小鼠连续25天食用MD-1并采用液相色谱-质谱联用技术分析血液样本。

与食用标准饮食的小鼠相比，食用MD-1的小鼠血清中大多数补充物质的浓度显著升高。丝氨酸和苯丙氨酸的浓度保持不变，这可能是由于发生了生物转化所致。色氨酸和酪氨酸多种代谢产物在血清中的浓度升高，进一步证实了MD-1的成分已成功整合到核心代谢中。

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该过程未检测到明显的半胱氨酸且其代谢通路中的甲硫氨酸、胱硫醚等也无变化，提示这些物质可能被用于蛋白质合成或转化为其他未检测到的化合物。

为探究MD-1是否能防止损伤引起的脊髓营养缺乏，作者在CD-1小鼠注射福尔马林（或生理盐水）前给予其MD-1或标准饮食21天。该模型不仅模拟急性疼痛，还表现出慢性疼痛相关特征，如双侧痛觉过敏、焦虑、认知障碍和中枢结构改变。福尔马林注射4天后，分析同侧腰段脊髓半侧组织的代谢物。

结果显示，接受标准饮食的福尔马林处理小鼠，多种氨基酸、油酸、芥酸及花生四烯乙醇胺水平显著降低；而食用MD-1的小鼠则未出现此下降，这些物质水平保持稳定或略有升高，其中花生四烯乙醇胺和4种补充氨基酸浓度增加。MD-1在未受伤小鼠中也引发其他代谢变化。

综上，MD-1可防止脊髓损伤后的营养耗竭，提示其在研究代谢紊乱与慢性疼痛发展关系中的潜在价值。

图二 MD-1可防止损伤引起的脊髓代谢重编程

在未受伤的小鼠中，MD-1增强了关键糖酵解基因的转录。该饮食还提高了氧化磷酸化组分的表达，例如ATP合酶亚基g、细胞色素c氧化酶亚基6C2、琥珀酸脱氢酶以及泛醇-细胞色素c还原酶。此外，MD-1导致三羧酸循环相关基因的转录呈下降趋势。

相比之下，MD-1有效逆转了福尔马林注射在同侧腰段脊髓半侧组织中引起的所有分子变化，阻断了糖酵解基因的上调以及三羧酸循环和氧化磷酸化相关基因的下调，同时也阻止了糖酵解和三羧酸循环代谢物的改变。

值得注意的是，MD-1在福尔马林处理的小鼠中维持了正常的ATP水平，而在对照组中未产生影响。MD-1也阻止了其他嘌呤类物质的变化。丝氨酸/苏氨酸激酶AKT及其下游靶点mTORC1是能量代谢的关键调控因子。它们在大鼠福尔马林注射或小鼠坐骨神经损伤后中枢敏化和慢性疼痛的发生中也必不可少。与此作用一致，食用标准饮食的小鼠在接受福尔马林注射后，其同侧腰段脊髓半侧组织中AKT和mTOR的磷酸化（即激活）水平升高。这伴随着促进AKT募集的磷脂酰肌醇-3-激酶催化亚基γ转录增强以及内源性AKT/mTORC1抑制因子Redd1转录减少，上述结果由整体RNA测序证实。

此外，与对照组相比，福尔马林处理的小鼠中线粒体呼吸的关键调控因子PPAR-α和PGC-1α表达下调，而PPAR-γ和PPAR-δ的表达保持不变。值得注意的是，MD-1阻止了这些改变并降低了对照组小鼠的基础AKT磷酸化水平。

为了评价AKT和mTORC1是否参与慢性疼痛的发展，作者在福尔马林注射后的第2至第4天，每天一次向食用标准饮食的小鼠腹腔注射AKT抑制剂MK-2206或mTORC1/2抑制剂Torin-1。两种抑制剂均阻止了双侧痛觉过敏的发展，证实AKT/mTORC1信号通路对于建立中枢敏化和慢性疼痛是必需的。根据这些数据结合已知的mTORC1的合成代谢功能，作者提出假设：损伤诱导的mTORC1激活通过影响生物量生成和自噬，驱动了疼痛向慢性的进展。

图三 MD-1可预防外周损伤后向慢性疼痛的转变

研究结果表明，脊髓中AKT/mTORC1的激活会促进生物量生成并抑制自噬，从而导致局部营养物质缺乏，进而促进慢性疼痛的发展。为了进一步验证这一假设，作者探究MD-1是否能中断这一转变过程。作者向食用标准饮食或MD-1饮食的雄性小鼠注射福尔马林或生理盐水并在注射后持续观察三周，其中MD-1饮食在注射后继续维持一周。

在标准饮食组中，福尔马林引发了伤害性反应并伴随足爪炎症。这种急性反应之后出现了一种持久的病理状态，表现出人类严重慢性疼痛的三个特征：对机械和热刺激的双侧痛觉过敏、焦虑样行为加剧以及长期记忆缺陷。MD-1减轻了福尔马林反应的第二相，但不影响第一相，同时减轻了水肿。最关键的是完全阻止了所有慢性疼痛的行为表现。在雌性小鼠中也观察到了类似的效果，但MD-1未能改善雌性小鼠的焦虑样行为。

整体RNA测序分析显示，与对照组相比，食用标准饮食并接受福尔马林处理的小鼠同侧腰段脊髓半侧组织中多种促炎基因（包括白细胞介素1β、白细胞介素6和肿瘤坏死因子α）的转录水平升高，而接受MD-1的小鼠则没有此现象。具有潜在组织修复功能的转化生长因子β3的表达在损伤小鼠中降低，而MD-1阻断了这一效应。

接下来，作者评估了MD-1的剂量、化学成分或给药时机是否会影响其效果。为明确MD-1预防慢性疼痛的作用机制，研究首先比较了其与低剂量配方MD-2（半量）和MD-3（四分之一量）的效果。小鼠食用相应饮食21天后注射福尔马林，持续给食一周并追踪三周疼痛相关行为。结果显示，MD-1能有效阻止慢性痛觉过敏，而MD-2仅部分阻断，MD-3效果短暂，表明该作用呈剂量依赖性。

进一步探究发现，MD-1的保护效应需营养成分与花生四烯乙醇胺协同：单独使用等营养但无花生四烯乙醇胺的MD-4，或仅添加花生四烯乙醇胺的MD-5，均无法完全防止痛觉过敏。但两者各有侧重：MD-4改善记忆，MD-5缓解焦虑，提示不同组分对疼痛后遗症具有特异性调节作用。

损伤后使用MD-1可部分减轻痛觉过敏和记忆障碍但不影响焦虑；损伤前使用则效果微弱。只有在损伤前后连续给予MD-1才能实现完全保护，提示预先补充有助于储备易耗竭的营养物质，而损伤后的干预则阻断慢性化过程。综上，MD-1通过多组分协同，在关键时间窗口内防止外周损伤向慢性疼痛转化。

图四 MD-1可预防术后急性和慢性疼痛的发生

MD-1对福尔马林引起的疼痛具有显著影响，于是作者探索其效果的普适性及其潜在的临床价值。

为此在四种慢性疼痛模型中评估了MD-1的效果：其中三种涉及神经或组织损伤，另一种涉及免疫刺激。在食用标准饮食或MD-1饮食的雄性小鼠上进行神经损伤手术并在术后持续观察21天，其中MD-1饮食在手术后继续维持一周。在食用标准饮食的小鼠中，神经损伤导致了持续的同侧痛觉过敏，而接受MD-1的小鼠则得到了保护。

此外，神经损伤小鼠出现了长期记忆缺陷，MD-1也阻止了这一现象。同样，接受组织损伤手术的小鼠出现了同侧痛觉过敏，但持续时间较短，而MD-1显著减轻了这种疼痛状态。MD-1还使术后第14天给予前列腺素E2后的伤害性反应恢复正常，表明其阻断了伤害性感受的致敏过程。有趣的是，接受MD-1的小鼠足爪愈合速度加快，提示其整体上增强了动物对组织损伤的恢复能力。相比之下，MD-1对免疫刺激引起的疼痛没有影响，仅在免疫刺激后第7天产生轻微的缓解作用。

为了探索MD-1作用可能涉及的细胞基础，通过免疫荧光法对食用标准饮食或MD-1饮食三周的小鼠腰段脊髓中的胶质纤维酸性蛋白、钙结合蛋白IBA-1以及SIRT1进行了定量分析。结果表明，MD-1使福尔马林增强的胶质纤维酸性蛋白免疫反应性恢复正常，但对IBA-1免疫反应性仅有轻微影响。此外，MD-1提高了福尔马林处理和对照小鼠腰段脊髓中SIRT-1的整体免疫反应性水平并在福尔马林注射后使其在神经元和其他细胞中的表达恢复正常。因此，MD-1通过涉及脊髓神经元和星形胶质细胞的机制，预防了躯体损伤引起的持续性疼痛状态，但对免疫触发引起的疼痛无效。

图五 全文摘要图

总结

作者的研究结果表明，损伤通过激活AKT/mTORC1通路引发代谢重编程、生物量生成和自噬抑制。这些过程共同导致脊髓中的代谢危机，耗竭关键营养物质和花生四烯乙醇胺，进而推动疼痛向慢性的转变，这很可能通过破坏正常的神经可塑性实现。MD-1在阻止这一转变过程中的有效性凸显了核心代谢在其中的关键作用。通过补充氨基酸、脂肪酸和花生四烯乙醇胺，MD-1增强了SIRT1和AMPK的活性，恢复了自噬功能并在多种小鼠模型中防止了疼痛的慢性化。因此，这些结果不仅揭示了驱动疼痛慢性化进程的关键机制因素，也为临床应用靶向该进程的营养干预措施提供了依据，适用于侵入性手术或意外身体创伤之后。

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.116261

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