Einleitung

Schmerzreize werden von peripheren sensorischen Nervenzellen detektiert und codiert, welche grob in marklose C-Faser-Nozizeptoren und markhaltige A-Faser-Nozizeptoren unterteilt werden (Dubin and Patapoutian, 2010; Lewin and Moshourab, 2004). Beide Nozizeptorpopulationen enthalten eine Vielzahl von Untergruppen, die auf die Wahrnehmung verschiedenartiger chemischer und physikalischer Reize spezialisiert sind (Abb. 1). Mit Ausnahme einer kleinen Gruppe sogenannter „stummer“ Nozizeptoren wird die überwiegende Mehrheit der Nozizeptoren durch mechanische Stimulation aktiviert. Nozizeptoren, die ausschließlich durch mechanische Stimulation aktiviert werden können, werden C-Faser – Mechanonozizeptoren (C-Ms) bzw. A-Faser – Mechanonozizeptoren (A-Ms) genannt. Jene Fasern, die zusätzlich durch schmerzhafte thermische Reize aktiviert werden können, werden häufig unter dem Begriff „polymodale“ A-Faser- bzw. C-Faser-Nozizeptoren zusammengefasst, können jedoch hinsichtlich ihrer Sensitivität gegenüber Hitze und/oder Kälte in weitere Untergruppen unterteilt werden. Neben Nozizeptoren, aktivieren schmerzhafte mechanische Reize zwangsläufig auch Tastrezeptoren (auch low-threshold Mechanorezeptoren oder kurz LTMRs), deren primäre Aufgabe die Wahrnehmung taktiler Reize ist (Abb. 1) (Abraira and Ginty, 2013). Schmerzreize, allen voran mechanische Schmerzreize, aktivieren somit eine Vielzahl von funktionell unterschiedlichen sensorischen Afferenzen und generieren dadurch eine wahre Flut sensorischer Informationen, die zeitgleich an das Rückenmark übertragen wird. Dies wirft die Frage auf, ob unterschiedliche Arten von Schmerzen aus der Summe mehrerer unterschiedlicher sensorischer Inputs entsteht, oder ob die Aktivität in einer einzigen Untergruppe von Afferenzen, die besonders empfindlich gegenüber bestimmte Reize ist, ausreicht, um Schmerz einer bestimmten Qualität auszulösen (Ma, 2010; Prescott et al., 2014). In den folgenden Abschnitten werde ich einen Überblick über die verschiedenen Arten sensorischer Afferenzen und deren Rolle in der Schmerzentstehung vermitteln. Darüber hinaus werde ich beschreiben, wie sensorische Information im Hinterhorn des Rückenmarks verarbeitet wird, wobei ich mein Hauptaugenmerk auf jene neuralen Schaltkreise legen werde, die für Schmerzüberempfindlichkeit im Rahmen neuropathischer Schmerzen und Entzündung verantwortlich sind.

Abb. 1

Primäre somatosensorische Nervenzellen werden eingeteilt in Nozizeptoren (rot und orange), deren Afferenzen als freie Nervenendigungen terminieren und Schmerzreize detektieren, und in Tastrezeptoren (grün und blau), die spezialisierte Strukturen in der Haut innervieren – sogenannte Endorgane – und unterschiedliche taktile Reize wahrnehmen. Abkürzungen: non-peptidergic c-fibre mechanoheat nociceptor (non-pep. C-MH), peptidergic c-fibre mechanocold nociceptor (pep. C-MC), peptidergic c-fibre mechanoheat nociceptor (pep. C-MH), A-fibre mechanonociceptors (AM), c-fibre low threshold mechanoreceptor (c-LTMR), Aδ-fibre LTMR (D-hair), Aβ-fibre slowly-adapting type I and type II LTMR (SA-I LTMR and SA-II LTMR), Aβ-fibre rapidly-adapting type I and type II LTMR (RA-I LTMR and RA-II LTMR).

Sensorische Nervenzellen, die für die Entstehung mechanischer Schmerzen sowie von Hitze- und Kälteschmerz verantwortlich sind

Die zellulären und molekularen Grundlagen des Kälte- und Hitzeschmerzes sind weitestgehend bekannt. Knockout – Mäuse, denen der durch Menthol aktivierbare Ionenkanal TRPM8 fehlt, können zwar geringe Abkühlung der Haut nicht mehr wahrnehmen und entwickeln kaum Kältehyperalgesie im Rahmen von Entzündungen, zeigen jedoch eine Restempfindlichkeit gegenüber schmerzhaften Kältereizen (Bautista et al., 2007; Dhaka et al., 2007). Selektive Ablation der Zellen, die TRPM8 exprimieren, führt hingegen zu einem kompletten Verlust von Kälteschmerzempfindlichkeit (Knowlton et al., 2013). Ein ähnliches Bild zeigt sich hinsichtlich der Grundlagen des Hitzeschmerzes. Während das Ausknocken des hitzesensitiven Ionenkanals TRPV1 lediglich zu reduzierter Hitzehyperalgesie und abgeschwächter Empfindlichkeit gegenüber extrem heißen Temperaturen führt (Caterina et al., 2000), hat das Abtöten bzw. das selektive Abschalten („silencing“) der TRPV1-positiven Nervenfasernden kompletten Verlust der Hitzeschmerzempfindlichkeit zur Folge (Brenneis et al., 2013; Cavanaugh et al., 2009; Mishra and Hoon, 2010). Gleichermaßen führt die Ablation aller Nozizeptoren, die das Neuropeptid CGRP exprimieren, eine Population, die den Großteil der TRPV1-positiven Zellen mit einschließt, ebenfalls zu einem stark ausgeprägten Verlust der Hitzesensibilität (McCoy et al., 2013). Es gilt somit als erwiesen, dass die Fasern, die TRPM8 bzw. TRPV1 exprimieren, als zelluläre Sensoren für Kälte- und Hitzeschmerz fungieren. Die oben genannten Studien zeigten jedoch auch, dass TRPM8 und TRPV1 nicht die alleinigen molekularen Thermosensoren sind, sondern dass zusätzliche noch nicht näher identifizierte Ionenkanäle ebenfalls zur Temperaturwahrnehmung beitragen.

Die Entschlüsselung der Grundlagen mechanisch ausgelöster Schmerzen hat sich als weitaus schwieriger erwiesen. So ist zum Beispiel der Ionenkanal, der schmerzvolle mechanische Reize in elektrische Signale umwandelt, immer noch unbekannt (Ranade et al., 2014). Des Weiteren ist nur wenig darüber bekannt, wie unterschiedliche Fasertypen zur Entstehung unterschiedlicher Arten mechanischer Schmerzen beitragen. Einige der oben erwähnten Studien zeigten, dass Mäuse, denen TRPM8 oder TRPV1-positive Nervenzellen fehlen, normale Schmerzempfindlichkeit gegenüber mechanischen Stimuli haben (Cavanaugh et al., 2009; Knowlton et al., 2013; McCoy et al., 2013; Mishra and Hoon, 2010). Cavanaugh und Kollegen konnten allerdings ebenfalls zeigen, dass Mäuse ohne polymodale C-Fasernozizeptoren, die sich durch die Expression des Mas-related G-Protein gekoppelten Rezeptors (MRGPRD) auszeichnen (Rau et al., 2009), erhöhte Reizschwellen für mechanischen Schmerz haben. Die Schlussfolgerung aus diesen Studien war, dass MRGPRD-positive Fasern, jedoch nicht TRPV1- oder TRPM8-positive Fasern, für die Entstehung mechanisch ausgelöster Schmerzen verantwortlich sind. Diese Erkenntnis war jedoch einigermaßen überraschend angesichts der Tatsache, dass alle drei Faserpopulationen gleichermaßen durch mechanische Reize aktiviert werden. In diesem Zusammenhang ist es wichtig darauf hinzuweisen, dass die Schmerzempfindlichkeit in den erwähnten Studien erst mehrere Tage nach dem Abtöten der jeweiligen Zellpopulation untersucht wurde. Es ist folglich durchaus vorstellbar, dass die Ergebnisse durch kompensatorische Veränderungen in den Schmerzbahnen negativ beeinflusst wurden. Tatsächlich deuten die Daten von Brenneis und Kollegen (2013), welche einen schnellen pharmakologischen Ansatzes zur Abschaltung TRPV1-positiver Fasern nutzten, darauf hin, dass TRPV1-positive Fasern sehr wohl zur Wahrnehmung mechanischer Reize beitragen. Es sollte jedoch festgehalten werden, dass Brenneis und Kollegen Nadelstiche (pinprick) und Quetschstimuli (pinch) verwendeten, um Schmerzen auszulösen, wohingegen frühere Studien punktierte mit von-Frey-Filamenten applizierte Stimuli und den sogenannten Tail-clip Test verwendet haben. Interessanterweise beobachteten Brenneis et al. nur Unterschiede in der Schmerzempfindlichkeit gegenüber Quetschstimuli, jedoch nicht gegenüber Pinprick-Stimuli, was darauf schließen lässt, dass unterschiedliche mechanische Stimuli durch unterschiedliche Untergruppen von Nozizeptoren detektiert werden. Eine alternative Erklärung für die widersprüchlichen Daten ist somit, dass MRGPRD-positive Nozizeptoren bevorzugt durch von-Frey Filamente aktiviert werden, während polymodale TRPV1-positive Nozizeptoren besser auf Quetschstimuli ansprechen. Dieser Erklärungsansatz wird durch eine aktuelle Studie aus meinem Labor unterstützt. Wir konnten zeigen, dass Pinprick-Stimuli durch eine Untergruppe von Nozizeptoren detektiert werden, die nicht für die Wahrnehmung anderer schmerzhafter mechanischer Reize benötigt werden. Unsere Daten zeigen, dass die selektive Ablation von A-Faser-Nozizeptoren, die den Neuropeptid Y Rezeptor Typ-2 (NPY2R) exprimieren, zu Unempfindlichkeit gegenüber Pinprick-Stimuli führt, jedoch die Sensitivität gegenüber von Frey Filamenten und Hitzereizen nicht verändert (Arcourt et al., 2017). Mittels optogenetischer Methoden konnten wir jedoch weiterhin zeigen, dass die selektive Aktivierung von NPY2R-positive Fasern zu völlig abnormalem Schmerzverhalten führt, und dass es der zusätzlichen Aktivierung von Tastrezeptoren bedarf, um Verhalten auszulösen, das dem durch Pinprick-Reize ausgelöstem Verhalten gleicht. Unsere Daten weisen daher eindeutig darauf hin, dass die Integration mehrerer sensorischer Inputs von funktionell unterschiedlichen Fasertypen wichtig ist, um Schmerz einer bestimmten Qualität auszulösen. Demzufolge ist es gut vorstellbar, dass der Verlust eines einzelnen Fasertyps lediglich die Art und Weise verändert, mit der ein bestimmter Schmerzreiz wahrgenommen wird, jedoch nicht notwendigerweise das im Tierversuch beobachtete Schmerzverhalten. Man sollte also extreme Vorsicht walten lassen, wenn man die Ergebnisse von Zellablationsstudien interpretiert.

Schmerzverarbeitende Schaltkreise im Hinterhorn des Rückenmarks

Das Rückenmark ist nicht nur eine Umschaltstelle für sensorische Informationen, sondern ist vielmehr ein zentraler Ort, an dem sensorische Informationen durch lokale und supraspinale exzitatorische und inhibitorische Signale moduliert werden (Braz et al., 2014; Todd, 2010). Die Bedeutung des Rückenmarks in der Verarbeitung sensorischer Signale spiegelt sich darin wider, dass die große Mehrheit der Nervenzellen im Hinterhorn lokale Interneuronen sind und nur ein kleiner Anteil der Zellen – sogenannte Projektionsneurone – Signale an höher gelegene Hirnareale weiterleitet. Die meisten Projektionsneuronen, von denen ca. 80% den Neurokinin-1-Rezeptor (NK1R) exprimieren, liegen in Lamina I des Hinterhorns, wo sie ungefähr 5% aller Zellen ausmachen. Weitere Projektionsneuronen finden sich verstreut in den Laminae III-VI, jedoch nicht in der auch als Substantia gelatinosa bekannten Lamina II. Retrograde und anterograde Tracingstudien haben gezeigt, dass NK1R⁺ – Neurone in eine Vielzahl supraspinaler Zielstrukturen projizieren, wie zum Beispiel dem periaquäduktalem Grau, dem Nucleus parabrachialis lateralis oder der kaudalen ventrolateralen Medulla, was darauf hinweist, dass NK1R⁺ – Projektionsneurone an verschiedenen Aspekten der Schmerzentstehung beteiligt sind (Todd, 2010). NK1R⁺ – Neurone erhalten monosynaptischen Input von mutmaßlichen peptidergen C-Faser-Nozizeptoren, welche außerdem Synapsen mit sogenannten Vertikalzellen (vertical cells) und transienten Zentralzellen (transient central cells) in Lamina II bilden (Abb. 2). A-Faser-Nozizeptoren projizieren hauptsächlich auf Vertikalzellen in lamina II (Lu and Perl, 2003, 2005) und MRGPRD-positive nicht-peptiderge C-Faser-Nozizeptoren projizieren auf verschiedenste Interneuronen in Lamina II, einschließlich Vertikalzellen, jedoch nicht auf Inselzellen (islet cells) (Wang and Zylka, 2009; Yasaka et al., 2014). Patch-Clamp-Messungen von Neuronenpaaren im Hinterhorn haben gezeigt, dass unterschiedliche C-Faser-Nozizeptoren darüber hinaus auch mit unterschiedlichen Untergruppen inhibitorischer Interneurone durch Synapsen verbunden sind. C-Fasern, die durch Kühlung der Haut aktiviert werden, projizieren zum Beispiel auf GABA-erge Zentralzellen in Lamina II, welche ihrerseits hemmenden Einfluss auf GABA-erge Inselzellen und – noch wichtiger – auf Vertikalzellen in Lamina II ausüben (Zheng et al., 2010). Da Vertikalzellen Input von fast allen Arten von Nozizeptoren erhalten, liegt der Schluss nahe, dass dieser Schaltkreis möglicherweise für den analgetischen Effekt von Kühlung verantwortlich ist. Während die bisher genannten Studien Interneurone vorwiegend auf Grund ihrer Morphologie und ihrer elektrophysiologischen Eigenschaften klassifiziert haben, haben neuere Arbeiten damit begonnen, auch den genetischen Fingerabdruck dieser Zellen zu untersuchen. Duan und Kollegen (Duan et al., 2014) haben vor Kurzem eine Subpopulation exzitatorischer Interneurone charakterisiert, welche sich durch die Expression von Somatostatin (SOM) auszeichnet. Diese Zellpopulation beinhaltet neben PKCγ-exprimierenden Zellen an der Grenze zwischen Lamina II und III, vor allem Vertikalzellen in der äußeren Lamina II. Im Einklang mit der mutmaßlichen Rolle von MRGPRD-positiven Nozizeptoren und A-Faser-Nozizeptoren in der Wahrnehmung schmerzhafter mechanischer Reize, sowie der Tatsache, dass diese beiden Fasertypen ausschließlich durch Vertikalzellen mit Projektionsneuronen in Lamina I verbunden sind, führt die Ablation von SOM⁺ – Vertikalzellen zu einem kompletten Verlust der Schmerzempfindlichkeit gegenüber einer Vielzahl mechanischer Reize wie zum Beispiel Pinprick-Stimuli, von Frey-Stimuli und Hautquetschungen. Hitzeschmerz, welcher vermutlich durch peptiderge C-Faser-Nozizeptoren vermittelt wird (siehe oben), die direkt mit NK1R⁺ – Neuronen in Lamina I verbunden sind (Abb. 2), wird erwartungsgemäß durch die Ablation von SOM⁺ – Vertikalzellen nicht beeinflusst.

Abb. 2

Schematische Darstellung der neuralen Schaltkreise im Hinterhorn des Rückenmarks. Die Grenzen zwischen den Laminae I, II und III sind durch gestrichelte Linien markiert. Zellen die an der Wahrnehmung akuter Schmerzen beteiligt sind, sind rot dargestellt, wohingegen Zellen, die Tastrezeptoren mit schmerzverarbeitenden Schaltkreisen verbinden, in blau dargestellt sind. (A), (B), (C) und (D) markieren die im Text beschriebenen vier Hauptverbindungswege zwischen Tastrezeptoren und Projektionsneuronen in Lamina I. Abkürzungen: neurokinin 1 receptor (NK1R), somatostatin (SOM), dynorphin (DYN), calretinin (CR), protein kinase C-γ (PKCγ), glycine (GLY), parvalbumin (PV), vesicular glutamate transporter (V3).

Entzündungen und Nervenverletzungen führen häufig zu erhöhter Schmerzempfindlichkeit, sodass normalerweise harmlose Tastreize Schmerz auslösen können (Allodynie), und Schmerzreize als weitaus schmerzhafter empfunden werden als im Normalzustand (Hyperalgesie). Man vermutet, dass – vor allem im Fall der Allodynie – strukturelle und funktionelle Veränderungen in den neuralen Schaltkreisen des Rückenmarks der erhöhten Schmerzempfindlichkeit zugrunde liegen. Die Gate Control Theory (GCT) of Pain (Melzack and Wall, 1965) hatte bereits in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts postuliert, dass neben Nozizeptoren auch Tastrezeptoren, welche eigentlich zu Lamina III-IV projizieren, mit schmerzverarbeitenden Neuronen im Hinterhorn kommunizieren können. Während diese Kommunikation im Normalfall gehemmt („gated“) wird, wird die Hemmung im Rahmen von Entzündungen oder Nervenverletzungen jedoch aufgehoben, sodass bereits leichte Tastreize als schmerzvoll empfunden werden. Eine Reihe von Studien konnte zeigen, dass Leitungsblockierung von Aβ-Faser -Tastrezeptoren Allodynie in einer Vielzahl chronischer Schmerzsyndrome lindern kann. Elektrophysiologische Studien konnten weiterhin zeigen, dass Aβ-Fasern in verschiedenen Tiermodellen für neuropathischen Schmerz tatsächlich Neurone in Lamina I und II aktivieren (Sandkühler, 2009).

Eines der ersten Bindeglieder zwischen Tastrezeptoren und schmerzverarbeitenden Neuronen in Lamina I und II, das identifiziert wurde, waren exzitatorische Interneurone, die Proteinkinase C-γ (PKCγ) exprimieren und zwischen Lamina III und II liegen. Diese Neuronen erhalten direkten Input von Aβ-Faser-Tastrezeptoren und leiten diesen über Zentralzellen an Vertikalzellen in der äußeren Lamina II weiter (siehe Circuit A in Abb. 2) (Lu et al., 2013; Miraucourt et al., 2007). Vertikalzellen in Lamina II sind direkt mit NK1R⁺ – Projektionsneuronen verbunden und erhalten Input von fast allen sensorischen Afferenzen, was nahelegt, dass sie eine zentrale Funktion in der Signalintegration ausüben (Yasaka et al., 2014). Im Einklang mit diesen Beobachtungen konnten Duan und Kollegen zeigen, dass SOM⁺ – Zellen an der Grenze zwischen Lamina II und III, welche großteils PKCγ-positiv sind, sowie SOM⁺ – Zellen in der äußeren Lamina II, welche hauptsächlich Vertikalzellen sind, ebenfalls direkten monosynaptischen Input von Aβ-Faser – Tastrezeptoren erhalten (siehe Circuit A und D in Abb. 2). Vor Kurzem wurden weitere Verbindungen beschrieben. So scheinen Aβ-Faser – Tastrezeptoren auch auf Interneuronen in Lamina III zu verschalten, die den vesukulären Glutamattransporter 3 (VGLUT3) exprimieren (Peirs et al., 2015). Diese VGLUT3⁺ – Neuronen leiten sensorischen Input über noch nicht näher identifizierte glutamaterge Neuronen an PKCγ-positive Zellen weiter (Circuit B in Abb. 2). Die glutamatergen Neurone sind interessanterweise zusätzlich mit Calretinin (CR)-exprimierenden Zellen verbunden, die wiederum Information an die selben Zentralzellen in Lamina II weiterleiten, wie PKCγ-positive Neurone (Circuit C in Abb. 2). In Summe sind somit vier unterschiedliche polysynaptische Verbindungen zwischen Tastrezeptoren und schmerzverarbeitenden Zellen in Lamina I und II beschrieben worden. All diese Verbindungen sind im gesunden Zustand, wie von der GCT vorhergesagt, durch inhibitorische Interneurone inaktiviert. PKCγ-positive Zellen (Circuit A und B) und SOM⁺ – Vertikalzellen in Lamina II (Circuit D) werden zum Beispiel von Dynorphin-exprimierenden (DYN) Neuronen gehemmt. Folgerichtig führt die Ablation von DYN-positiven Zellen zu spontaner mechanische Allodynie (Duan et al., 2014). PKCγ-positive Neurone werden darüber hinaus auch von Parvalbumin (PV)-exprimierenden Zellen (Petitjean et al., 2015) und von DYN-negativen glyzinergen Interneuronen inhibiert (Duan et al., 2014; Lu et al., 2013). CR-positive Zellen werden ebenfalls durch inhibitorische Interneurone kontrolliert. Deren Identität ist jedoch bis dato ungeklärt (Peirs et al., 2015).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unser Wissen über die neuralen Schaltkreise im Rückenmark in den letzten Jahren signifikant angewachsen ist. Dennoch sind einige grundlegende und wichtige Fragen nach wie vor unbeantwortet.

Die Existenz mehrerer neuraler Schaltkreise, die Aβ-Faser -Tastrezeptoren mit Schmerzprojektionsneuronen verbinden, wirft zum Beispiel die Frage auf, ob diese Schaltkreise durch unterschiedliche Tastrezeptoren aktiviert werden, oder ob sie für unterschiedliche Formen pathologischen Schmerzes verantwortlich sind. Einen Hinweis darauf, dass Letzteres der Fall sein könnte, gibt die Arbeit von Peirs und Kollegen (2015), die zeigen konnten, dass der Schaltkreis mit CR-positiven Interneuronen im Carrageenan – Model für Entzündungsschmerz aktiv wird, wohingegen der PKCγ-Neurone enthaltende Schaltkreis für die Allodynie in einem Tiermodell für neuropathische Schmerzen verantwortlich ist. Des Weiteren sind die meisten der hier beschriebenen Interneuronpopulationen neurochemisch und morphologisch heterogen und überlappen teilweise miteinander (Duan et al., 2014; Gutierrez-Mecinas et al., 2016; Peirs et al., 2015), was darauf schließen lässt, dass die hier beschriebenen Schaltkreise noch wesentlich komplexer sein könnten als in Abb. 2 dargestellt. Die genaue Identität der Input- und Output-Neurone ist ebenfalls unklar. So ist es zum Beispiel nicht bekannt, welche der zahlreichen Tastrezeptoruntergruppe mechanische Allodynie vermittelt und ob Schmerzsignale bei unterschiedlichen Formen pathologischer Schmerzen durch unterschiedliche Projektionsneurone weitergeleitet werden. Die Signalwege, die initial zur Aktivierung der normalerweise inaktiven Schaltkreise und somit zur Manifestation chronischer Schmerzen führen, sind ebenfalls weitestgehend unbekannt. Die Beantwortung dieser offenen Fragen sowie die Entwicklung therapeutischer Ansätze, die dieses neu gewonnene Grundlagenwissen ausnutzen, stellt eine der zentralen Herausforderungen der zukünftigen Schmerzforschung dar.