Sci. Immunol.揭示：肥大细胞来源的BH4和血清素是术后疼痛的关键介质

每年有两亿五千万手术患者经历急性术后疼痛，术后疼痛不仅带来痛苦，还导致康复延迟，并有可能发展为慢性疼痛，给个人和医疗系统带来巨大的经济负担。急性疼痛的强度与其转为慢性疼痛的风险相关，而现有的术后疼痛的治疗方法效果有限且存在副作用。四氢生物蝶呤（BH4）是多种重要生理功能的必需辅因子，其生成由限速酶GCH1调控，与疼痛强度相关。手术引发的炎症通过直接激活痛觉神经元引发疼痛，并通过激活免疫细胞加剧疼痛，了解这种神经免疫交互作用对于全面理解术后急性疼痛的病理生理至关重要。

近日，维也纳医科大学的Shane J. F. Cronin研究团队在Sci. Immunol.发表了题为Mast cell–derived BH4 and serotonin are critical mediators of postoperative pain的研究论文，揭示了肥大细胞中的GCH1/BH4/血清素代谢网络在术后急性疼痛中的关键作用和治疗潜力。

在对小鼠进行后足皮肤切口和骨骼肌撕裂后，观察到机械疼痛敏感性在术后24小时达到峰值，并在约96小时后恢复至基线水平。热痛觉在术后24小时显著增加，48小时后恢复正常。切口侧的足部在最大疼痛敏感性时（24小时后）较对侧（控制侧）厚度增加。研究发现，四氢生物蝶呤（BH4）在术后切口部位的水平增加，但在坐骨神经中没有显著变化。GCH1是BH4合成的限速酶，与神经损伤后的疼痛敏感性有关，局部BH4水平的增加与疼痛敏感性增强相关，但特定的GCH1缺失对机械性异常疼痛的影响有限。此外，BH4在免疫细胞中也发挥重要作用，如在巨噬细胞中促进一氧化氮（NO）的产生以及调节T细胞的增殖。

通过筛查公开的基因表达数据发现，GCH1在多种免疫细胞群体中存在转录表达，包括树突状细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、巨噬细胞和肥大细胞。单细胞RNA测序分析显示，肥大细胞中的GCH1表达在术后24小时比例最高，同时中性粒细胞和招募的巨噬细胞中的GCH1生产者比例也增加。使用GCH1-GFP报告小鼠确认了切口侧足部的白细胞中GCH1表达增加。综合这些数据，免疫细胞（特别是肥大细胞）可能是术后BH4生产的重要来源。

在小鼠术后切口部位，中性粒细胞是GCH1表达最丰富的白细胞。对中性粒细胞进行去除并未对疼痛或足部BH4水平造成显著影响。此外，巨噬细胞中的GCH1去除也未对疼痛产生显著影响。尽管中性粒细胞和巨噬细胞在GCH1⁺白细胞中占比较高，肥大细胞的GCH1表达水平最高。多光子成像显示，术后肥大细胞颗粒出现细微动员和释放，与感觉神经末梢之间有稳定的相互作用。进一步分析显示，切口后血清素水平显著增加，而组胺水平变化不大。通过使用肥大细胞特异性敲除小鼠（Mcpt5-cre; DTA）对肥大细胞在术后疼痛中的作用进行验证发现，肥大细胞缺乏导致疼痛敏感性下降，同时血清素和组胺水平降低，但足部厚度未受影响。这些结果表明，肥大细胞与感觉神经元的邻近关系及肥大细胞的去颗粒化在术后疼痛中起着重要作用。

研究发现肥大细胞在术后疼痛中扮演了关键角色，主要通过GCH1途径影响疼痛敏感性。GCH1特异性缺失小鼠表现出机械性和热性疼痛敏感性的显著降低，并且伴随着足部BH4和血清素的减少。GCH1过表达的小鼠在术后表现出更高的疼痛敏感性，皮肤中血清素的增加。局部应用BH4合成抑制剂QM385能够显著减少术后皮肤中的BH4和血清素水平，显示出潜在的预防性治疗效果。这些发现强调了肥大细胞在术后疼痛中的作用及局部药物递送的治疗潜力。

研究人员发现，肥大细胞通过调节BH4的合成影响血清素的释放，从而直接影响术后疼痛阈值。具体来说，肥大细胞的GCH1缺失导致血清素释放减少，并降低疼痛敏感性，而GCH1过表达则增加血清素释放并加重疼痛。肥大细胞在激活后不仅释放BH4和血清素，还释放了合成这些代谢物所需的酶，显示了BH4在肥大细胞功能中的重要性。

图. 活化的肥大细胞激活后释放 BH4、血清素及其生物合成酶

进一步研究发现，术后伤害激活了肥大细胞中的Tph1基因，从而显著提高了血清素的水平。通过分析皮肤样本中的scRNA-seq数据，发现Tph1在术后4小时和48小时的表达显著上升，而GCH1的表达在不同时间点保持稳定。通过创建了肥大细胞特异性Tph1缺失的小鼠（Mcpt5-cre; Tph1）发现，这些小鼠术后表现出显著降低的疼痛敏感性和血清素水平，同时也发现受伤部位的BH4水平降低，提示血清素和BH4合成之间可能存在反馈机制。这些结果强调了肥大细胞中BH4和血清素轴在术后疼痛中的关键作用。

此外，研究发现，除了通过高亲和力IgE受体FcεRI介导的IgE和抗原刺激外，肥大细胞还对多种化合物做出反应，包括神经肽物质P（substance P）。物质P通过特定受体Mas-related GPCR-B2（Mrgprb2）在小鼠中以及MRGPRX2在人类中强效激活肥大细胞。在未受损的足部皮肤中，感官神经元中的物质P被观察到。手术切口后，皮肤中物质P前体α-和β-预体胺酸显著增加。使用富集的小鼠腹膜肥大细胞（ePMCs）进行的体外实验显示，物质P诱导肥大细胞脱颗粒，并释放血清素和组胺，这一过程可被Mrgprb2/MRGPRX2三肽拮抗剂QWF抑制。在体内实验中，物质P注射诱导的疼痛在肥大细胞GCH1缺失的小鼠中显著被抑制。治疗野生型小鼠前注射QWF也减少了机械痛敏感性，并且物质P刺激的人类外周血源肥大细胞也增加了与BH4合成相关的酶的表达。这些结果表明肥大细胞中的BH4在物质P介导的疼痛中发挥了关键作用。

总体而言，本研究发现肥大细胞产生的四氢生物蝶呤（BH4）在术后疼痛中发挥着重要作用，它通过促进神经肽P物质诱导的5-羟色胺释放增强了疼痛反应，这表明肥大细胞及其驱动的GCH1/BH4/血清素代谢网络在术后疼痛中扮演了关键角色，是潜在的治疗靶点。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Philipp Starkl et al. Mast cell–derived BH4 and serotonin are critical mediators of postoperative pain. Sci. Immunol. 9, eadh0545 (2024). DOI:10.1126/sciimmunol.adh0545