Re: bone pain(골막, 골수에 통각 수용기)

[문형철]

Front Physiol

. 2016 Apr 26;7:157. doi: 10.3389/fphys.2016.00157

The Physiology of Bone Pain. How Much Do We Really Know?

Sara Nencini 1, Jason J Ivanusic 1,*

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PMCID: PMC4844598  PMID: 27199772

Abstract

Pain is associated with most bony pathologies. Clinical and experimental observations suggest that bone pain can be derived from noxious stimulation of the periosteum or bone marrow. Sensory neurons are known to innervate the periosteum and marrow cavity, and most of these have a morphology and molecular phenotype consistent with a role in nociception. However, little is known about the physiology of these neurons, and therefore information about mechanisms that generate and maintain bone pain is lacking. The periosteum has received greater attention relative to the bone marrow, reflecting the easier access of the periosteum for experimental assessment. With the electrophysiological preparations used, investigators have been able to record from single periosteal units in isolation, and there is a lot of information available about how they respond to different stimuli, including those that are noxious. In contrast, preparations used to study sensory neurons that innervate the bone marrow have been limited to recording multi-unit activity in whole nerves, and whilst they clearly report responses to noxious stimulation, it is not possible to define responses for single sensory neurons that innervate the bone marrow. There is only limited evidence that peripheral sensory neurons that innervate bone can be sensitized or that they can be activated by multiple stimulus types, and at present this only exists in part for periosteal units. In the central nervous system, it is clear that spinal dorsal horn neurons can be activated by noxious stimuli applied to bone. Some can be sensitized under pathological conditions and may contribute in part to secondary or referred pain associated with bony pathology. Activity related to stimulation of sensory nerves that innervate bone has also been reported in neurons of the spinoparabrachial pathway and the somatosensory cortices, both known for roles in coding information about pain. Whilst these provide some clues as to the way information about bone pain is centrally coded, they need to be expanded to further our understanding of other central territories involved. There is a lot more to learn about the physiology of peripheral sensory neurons that innervate bone and their central projections.

초록

통증은 대부분의 골 병리와 연관되어 있다. 임상 및 실험적 관찰에 따르면 골 통증은 골막 또는 골수의 유해 자극에서 비롯될 수 있다.

감각 신경세포가

골막과 골수강을 신경 분포하는 것으로 알려져 있으며,

이들 대부분은 통각 수용 역할과 일치하는 형태학적 및 분자적 표현형을 보인다.

그러나

이러한 신경세포의 생리학에 대해서는 거의 알려져 있지 않아

골 통증을 생성하고 유지하는 메커니즘에 대한 정보가 부족하다.

실험적 평가를 위한 접근성 측면에서

골막이 골수보다 더 많은 관심을 받아왔다.

사용된 전기생리학적 준비법을 통해 연구자들은

고립된 단일 골막 단위에서 기록할 수 있었으며,

이들이 다양한 자극(유해 자극 포함)에 어떻게 반응하는지에 대한 많은 정보가 존재한다.

반면,

골수를 신경 분포하는 감각 신경 세포 연구에 사용된 준비법은

전체 신경에서의 다중 단위 활동 기록으로 제한되어 왔으며,

이는 유해 자극에 대한 반응을 명확히 보고하지만

골수를 신경 분포하는 단일 감각 신경 세포의 반응을 정의하는 것은 불가능하다.

뼈를 신경 분포하는 말초 감각 신경세포가 감작될 수 있거나 다양한 자극 유형에 의해 활성화될 수 있다는 증거는 제한적이며,

현재 이는 골막 단위에 대해서만 부분적으로 존재한다.

중추 신경계에서는

척수 후각 신경세포가 뼈에 가해진 유해 자극에 의해 활성화될 수 있음이 분명하다.

일부는 병리학적 조건 하에서 감작될 수 있으며,

뼈 병리와 관련된 이차적 또는 전이 통증에 부분적으로 기여할 수 있다.

뼈를 신경 분포하는 감각 신경 자극과 관련된 활동은

척추-뇌간 경로 및 체성감각 피질의 뉴런에서도 보고되었으며,

이 두 경로는 통증 정보 인코딩 역할로 알려져 있다.

이는 골통 정보가 중추적으로 인코딩되는 방식에 대한 단서를 제공하지만,

관련된 다른 중추 영역에 대한 이해를 심화시키기 위해서는 연구가 확대되어야 한다.

뼈를 신경 분포하는 말초 감각 신경세포와

그 중추 투사 경로의 생리학에 대해서는 아직 배울 점이 많다.

Keywords: bone pain, pain, nociception, bone, electrophysiology, periosteum, bone marrow

Introduction

This review aims to summarize and critically eval‎uate our current understanding of the physiological properties of peripheral sensory neurons that innervate bone, and how information about noxious stimulation coded by these neurons is passed through the central nervous system to the cerebral cortex to elicit painful sensations. We begin by summarizing some key concepts regarding the quality and management of bone pain, and what we know about the morphology and molecular phenotype of bone afferent neurons, and then we explore in detail the physiology of bone afferent neurons and their projections through the CNS.

서론

본 리뷰는

뼈를 신경 분포하는 말초 감각 신경세포의 생리적 특성에 대한 현재의 이해와,

이 신경세포들이 인코딩한 유해 자극 정보가 중추신경계를 통해

대뇌 피질로 전달되어 통각을 유발하는 과정을 종합하고

비판적으로 평가하는 것을 목표로 한다.

우리는 먼저 골통의 질과 관리에 관한 핵심 개념과

골 감각 신경의 형태 및 분자 표현형에 대해 알려진 내용을 요약한 후,

골 감각 신경과 중추신경계를 통한 그 투사 신경의 생리학을 상세히 탐구한다.

Bone pain: clinical and experimental observations

Pain associated with bony pathology, including bone marrow edema syndromes, osteomyelitis, osteoarthritis, fractures, and bone cancer causes a major burden (both in terms of quality of life and cost) on individuals and health care systems worldwide. This burden is expected to increase with advances in modern medicine that prolong life expectancy, because many of the conditions that cause bone pain are intractable and develop late in life. The preval‎ence of many of these conditions is high, for example, osteoarthritis affects almost 10% of men and 18% of women over 60 years of age (worldwide estimate), and osteoporosis affects up to 30% of postmenopausal women in northern USA (Woolf and Pfleger, 2003). Metastatic bone pain is the most common pain syndrome reported in cancer patients, and up to 50% of patients report the pain being poorly managed by present treatments (Mantyh and Hunt, 2004). Management of bone pain with conventional analgesia is based on the assumption that the mechanisms that mediate bone pain are similar to those that mediate pain in other tissue systems and can therefore be targeted with similar therapies. Opioids and non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) are generally used to treat mild to severe pain, but therapeutic use for bone pain is limited by undesirable side effects including sedation, respiratory depression, tolerance to prolonged use, risk of addiction, gastrointestinal effects and renal toxicity. All of these occur with prolonged use of the sort required to treat persistent pain in intractable conditions such as osteoarthritis, osteoporosis, and bone cancer. NSAIDs and opioid analgesia use in the treatment of bone pain is further complicated because of the significant undesirable effects on bone remodeling/healing (Bove et al., 2009; Pountos et al., 2012; Chrastil et al., 2013) which complicates the underlying pathology. Other agents that inhibit the activity of osteoclasts (e.g., Osteoprotegerin) or that act by reducing inflammatory processes (e.g., function blocking nerve growth factor antibodies) produce significant analgesia in animal models of bone cancer-induced and fracture pain (Honore et al., 2000a; Halvorson et al., 2005; Sevcik et al., 2005; Jimenez-Andrade et al., 2007; Koewler et al., 2007). These primarily exert effects in the periphery and are targeted at the causes of bone pain. However, they can have significant side effects related to bone remodeling and/or bone destruction that have limited their therapeutic potential (Holmes, 2012; Seidel et al., 2013). There is a clear need to find alternative strategies to treat bone pain that do not involve the use of NSAIDs or opioids, and are targeted more specifically at the neural or inflammatory mechanisms that generate and/or maintain the pain.

골통증: 임상 및 실험적 관찰

골수 부종 증후군,

골수염,

골관절염,

골절,

골암 등

골 병리와 관련된 통증은

전 세계적으로 개인과 의료 시스템에 삶의 질과 비용 측면에서 큰 부담을 초래합니다.

bone marrow edema syndromes,

osteomyelitis,

osteoarthritis,

fractures, and

bone cancer

골수부종 증후군(BMES)은 원인이 불분명한 매우 드문 자가제한성 증후군이다. 이 증후군은 주로 중년 남성에게 발생한다. 골수부종의 특징적인 패턴으로 인해 자기공명영상(MRI)은 진단에 필수적이다. BMES 진단은 임상의에게 어려운 과제이다. 예후가 불량한 다른 하지 통증 원인을 배제해야 한다. 본 연구에서는 BMES 환자 3례를 보고한다. 세 환자 모두 초기에는 경미한 하지 통증을 호소했으나, 점차 악화되어 일상생활에 심각한 제한을 초래하였다. 이들은 모두 체중 부하 제한을 통한 보존적 치료를 받았으며, 수개월 내에 증상이 호전되었다. 본 연구의 목적은 이 드물고 양성인 병리를 개괄하는 데 있다.

이러한 부담은

기대 수명을 연장하는 현대 의학의 발전과 함께 증가할 것으로 예상됩니다.

왜냐하면

골통증을 유발하는 많은 질환들이 난치성이며

노년기에 발병하기 때문입니다.

이러한 질환들의 유병률은 높은 편이다.

예를 들어,

골관절염은 60세 이상 남성의 약 10%, 여성의 약 18%에게 영향을 미치며(전 세계 추정치),

골다공증은 미국 북부 지역의 폐경 후 여성 최대 30%에게 영향을 미친다(Woolf and Pfleger, 2003).

전이성 골통은

암 환자에서 가장 흔히 보고되는 통증 증후군이며,

최대 50%의 환자가 현재 치료법으로는 통증이 제대로 관리되지 않는다고 보고합니다(Mantyh and Hunt, 2004).

기존 진통제를 이용한 골통 관리는

골통을 매개하는 기전이 다른 조직계의 통증을 매개하는 기전과 유사하므로

유사한 치료법으로 표적화할 수 있다는 가정에 기반합니다.

오피오이드와 비스테로이드성 항염증제(NSAIDs)는

일반적으로 경증에서 중증 통증 치료에 사용되지만,

진정, 호흡 억제, 장기간 사용 시 내성, 중독 위험, 위장관 영향 및 신독성과 같은

바람직하지 않은 부작용으로 인해 골통 치료에 대한 치료적 사용이 제한된다.

이러한 부작용들은

골관절염, 골다공증, 골암과 같은 난치성 질환에서

지속적 통증을 치료하는 데 필요한 장기간 사용 시 모두 발생한다.

골 통증 치료에 NSAIDs와 오피오이드 진통제를 사용하는 것은

골 재형성/치유에 미치는 중대한 부작용(Bove et al., 2009; Pountos et al., 2012; Chrastil et al., 2013)으로 인해

더욱 복잡해지며,

이는 근본적인 병리를 악화시킵니다.

파골세포 활성을 억제하는 다른 약제(예: 오스테오프로테제린)나

염증 과정을 감소시켜 작용하는 약제(예: 신경성장인자 기능 차단 항체)는

골암 유발 통증 및 골절 통증 동물 모델에서 상당한 진통 효과를 나타낸다(Honore et al., 2000a; Halvorson et al., 2005; Sevcik et al., 2005; Jimenez-Andrade et al., 2007; Koewler et al., 2007).

이러한 약물들은 주로 말초에서 효과를 발휘하며 골통의 원인에 직접적으로 작용한다. 그러나 골 재형성 및/또는 골 파괴와 관련된 중대한 부작용이 발생할 수 있어 치료적 잠재력이 제한되어 왔다(Holmes, 2012; Seidel et al., 2013). NSAIDs나 오피오이드 사용 없이, 통증을 유발 및/또는 유지하는 신경학적 또는 염증성 기전에 보다 특이적으로 작용하는 골 통증 치료를 위한 대체 전략을 찾는 것이 분명히 필요하다.

The origin of pain associated with bony tissues has been a contentious issue. Early studies noted that direct, noxious mechanical stimulation of the periosteum produced painful percepts in human subjects (Inman and Saunders, 1944), and indeed some more recent literature highlights the prevailing opinion that pain from bone is generally not perceived unless the periosteum is involved (Mach et al., 2002). Pain from periosteum is often described as sharp and well-localized, and occurs for example with fractures significant enough to impact on the periosteum (Santy and Mackintosh, 2001). However, injection of irritants into the medullary cavity is also very painful, as is needle aspiration of bone marrow, and this pain is distinct from that associated with disruption of the periosteum (Niv et al., 2003). In addition, patients often perceive bone pain in pathologies confined principally to the bone marrow that have no obvious periosteal involvement (e.g., intra-osseous engorgement syndrome) (Lemperg and Arnoldi, 1978; Arnoldi, 1990). In these cases, the pain is often described exclusively as dull and diffuse and difficult to localize. Bone cancer-induced pain falls within this latter category, and usually consists of background pain that is described as constant and dull and increases in intensity over time (Honore and Mantyh, 2000; Haegerstam, 2001). In addition, patients with bone cancer often report another more intense pain upon movement or weight-bearing (breakthrough pain) (Portenoy et al., 1999). Thus, it appears that both the periosteum and the marrow cavity of bones must be innervated by primary afferent neurons capable of transducing and transmitting nociceptive information. These bone afferent neurons provide the central nervous system with information that elicits primary pain arising from bone.

Pathology in bone can also produce sensitivity to normally innocuous stimulation (allodynia) and/or increased sensitivity to noxious stimulation (hyperalgesia) of skin around the bone/s involved or even of skin at distant sites. This is often described as secondary or referred pain, and likely reflects sensitization of cutaneous afferent neurons and/or their central projections (Ren and Dubner, 1999a). Sensitization involves increased excitability (reduced stimulus threshold for activation and/or an increased frequency of action potential discharge) of peripheral and central sensory neurons. Many experimental studies reporting pain behavior in animal models of bony pathology use behavioral testing platforms that assay pain, thermal or mechanical sensitivity primarily (or exclusively) at skin around the affected bone (Cain et al., 2001; Urch et al., 2003; Yanagisawa et al., 2010; Uhelski et al., 2013), and so are likely to monitor mechanisms associated with secondary or referred pain, not primary pain associated with direct stimulation of nociceptors in bone.

골조직과 관련된 통증의 기원은 논란의 여지가 있는 주제였습니다. 초기 연구에서는 골막에 대한 직접적이고 유해한 기계적 자극이 인간 피험자에게 통증 감각을 유발한다는 점이 지적되었습니다(Inman and Saunders, 1944). 실제로 최근 문헌에서도 골막이 관여하지 않는 한 일반적으로 뼈에서 오는 통증은 인지되지 않는다는 지배적인 견해를 강조하고 있습니다(Mach et al., 2002).

골막에서 발생하는 통증은

종종 날카롭고 국소적으로 잘 국한된 것으로 묘사되며,

예를 들어 골막에 영향을 미칠 정도로 심각한 골절 시 발생한다(Santy and Mackintosh, 2001).

그러나 골수강 내 자극제 주입이나 골수 흡인 시술 역시 매우 고통스러우며, 이러한 통증은 골막 손상과 관련된 통증과는 구별됩니다(Niv et al., 2003). 또한, 환자들은 주로 골수에 국한되고 명백한 골막 침범이 없는 병리 상태(예: 골내 충혈 증후군)에서도 골 통증을 종종 인지한다(Lemperg and Arnoldi, 1978; Arnoldi, 1990). 이러한 경우 통증은 주로 둔하고 확산되며 국소화하기 어렵다고 묘사된다. 골암으로 인한 통증은 후자의 범주에 속하며, 일반적으로 지속적이고 둔한 배경 통증으로 묘사되며 시간이 지남에 따라 강도가 증가한다(Honore and Mantyh, 2000; Haegerstam, 2001). 또한 골암 환자들은 움직임이나 체중 부하 시 더 강렬한 통증(돌파통)을 종종 보고한다(Portenoy et al., 1999). 따라서 골막과 골수강 모두 통각 정보를 감지하고 전달할 수 있는 일차 구심성 신경세포에 의해 신경 분포되어야 함이 밝혀졌다. 이러한 골 구심성 신경세포는 중추신경계에 뼈에서 발생하는 일차 통증을 유발하는 정보를 제공한다.

골 병변은 또한 관련 뼈 주변 피부 또는 원격 부위 피부에서 정상적으로 무해한 자극에 대한 민감성(이통) 및/또는 유해 자극에 대한 과민성(통각과민)을 유발할 수 있다. 이는 종종 이차적 또는 전이 통증으로 설명되며, 피부 구심성 신경 및/또는 그 중추 투사 경로의 감작을 반영할 가능성이 있다(Ren and Dubner, 1999a). 감작은 말초 및 중추 감각 신경세포의 흥분성 증가(활성화에 필요한 자극 역치 감소 및/또는 활동전위 방출 빈도 증가)를 수반한다. 골 병리 동물 모델에서 통증 행동을 보고한 많은 실험 연구들은 주로(또는 독점적으로) 영향을 받은 뼈 주변 피부에서 통증, 열 또는 기계적 민감도를 측정하는 행동 검사 플랫폼을 사용한다(Cain et al., 2001; Urch et al., 2003; Yanagisawa et al., 2010; Uhelski et al., 2013). 따라서 이러한 연구들은 뼈 내 통각 수용체의 직접적 자극과 관련된 일차 통증이 아닌, 이차적 또는 전이 통증과 연관된 기전을 모니터링할 가능성이 높다.

Morphology and molecular phenotype of sensory neurons that innervate bone

There are many studies that have reported the existence of primary afferent neurons that innervate bone, and it has become clear that most of these sensory neurons have a morphology and molecular phenotype consistent with a role in nociception (Figure 1). Here we summarize the literature that has contributed to this understanding before discussing in detail the physiology of sensory neurons that innervate bone. For a more detailed review of current literature regarding the morphology and molecular phenotype of sensory neurons that innervate bone, the reader is referred to the following reviews: Mach et al. (2002), Jimenez-Andrade et al. (2010), Mantyh (2014).

뼈를 신경 분포하는 감각 신경세포의 형태 및 분자 표현형

뼈를 신경 분포하는 일차 구심성 신경세포의 존재를 보고한 연구가 다수 있으며,

이들 감각 신경세포 대부분이 통각 수용 역할과 일치하는 형태 및 분자 표현형을 지닌다는 점이 밝혀졌다(그림 1).

본고에서는 뼈를 신경 분포하는 감각 신경세포의 생리학을 상세히 논의하기 전에,

이러한 이해에 기여한 문헌을 요약한다.

뼈를 신경 분포하는 감각 신경세포의 형태학적 및 분자적 표현형에 관한 최신 문헌에 대한

보다 상세한 검토는 다음 리뷰를 참조하십시오:

Mach 등 (2002), Jimenez-Andrade 등 (2010), Mantyh (2014).

Figure 1.

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Morphology and molecular phenotype of sensory neurons that innervate bone. The DRG soma of primary afferent neurons that innervate the bone marrow and periosteum are mostly small diameter myelinated and unmyelinated neurons with free fiber endings, although some larger neurons with encapsulated endings do exist in the periosteum. They express varying combinations of markers characteristic of nociceptive neurons, including calcitonin gene-related peptide (CGRP), substance P (SP) and the tyrosine receptor kinase A (TrkA), and/or bind isolectin B4 (IB4). IB4 binding has not been observed in peripheral nerve terminals (represented by dotted line).

뼈를 신경 분포하는 감각 신경세포의 형태 및 분자 표현형.

골수와 골막을 신경 분포하는 1차 구심성 신경세포의 DRG 세포체는

대부분 직경이 작은 유수신경 및 무수신경으로 자유 신경 말단을 가지나,

골막에는 캡슐화된 말단을 가진 더 큰 신경세포도 존재한다.

이들은

칼시토닌 유전자 관련 펩타이드(CGRP),

서브스턴스 P(SP),

티로신 수용체 키나아제 A(TrkA) 등

통각성 뉴런의 특징적 표지자를 다양한 조합으로 발현하거나,

이솔렉틴 B4(IB4)에 결합한다.

IB4 결합은 말초 신경 말단(점선으로 표시)에서는 관찰되지 않았다.

Most early studies of the nerve supply to bone documented examples of dissected or silver stained nerve fibers in bone and periosteum but paid little attention to their function (De Castro, 1925; Hurrell, 1937; Takase and Nomura, 1957; Miller and Kasahara, 1963; Cooper et al., 1966; Sakada and Maeda, 1967a; Calvo, 1968; Thurston, 1982). As many of these fibers were in close apposition to blood vessels within the bone, some of the authors suggested an association with vasculature function, but did not comment further. This is somewhat surprising, because damage to bone and associated tissue is clearly associated with pain, suggesting that at least some of the reported fibers in bone must be nociceptors. The use of immuno-histochemical markers for various neuropeptides in more recent reports has provided evidence that nerve fibers innervating mineralized bone, bone marrow, and periosteum are of both sensory and autonomic origin (Duncan and Shim, 1977; Gronblad et al., 1984; Hohmann et al., 1986; Bjurholm et al., 1988; Hill and Elde, 1988, 1991; Mach et al., 2002). The fibers of sensory origin were generally described as having small diameter free fiber endings, although some larger fibers with specialized encapsulated endings have been reported in the mandibular periosteum of cats (Sakada and Maeda, 1967a; Sakada and Aida, 1971b), human long bone periosteum (Ralston et al., 1960) and Haversian canals in canine cortical bone (Cooper et al., 1966). A newly developed technique for selectively labeling peripheral sensory neurons could be useful in confirm‎ing a sensory, as opposed to sympathetic origin, for these nerve terminal endings in bone (Kyloh and Spencer, 2014; Spencer et al., 2014).

Nociceptors are generally defined as small diameter thinly myelinated or unmyelinated primary afferent neurons and can be identified by the presence of specific molecular markers expressed on their soma [in the dorsal root ganglion (DRG)] or their peripheral nerve terminals. The DRG soma of primary afferent neurons that innervate the medullary cavity, trabecular bone and the periosteum are almost exclusively small diameter myelinated and unmyelinated neurons that express varying combinations of the markers characteristic of nociceptive neurons, including calcitonin gene-related peptide (CGRP), substance P (SP), and the tyrosine receptor kinase A (TrkA), and/or bind isolectin B4 (IB4) (Gajda et al., 2004; Ivanusic, 2009; Aso et al., 2014). Importantly, these studies have identified sub-populations of sensory neurons that innervate bone on the basis of various combinations of these markers in the rat. For example it is clear that up to half are peptidergic (CGRP+) (Ivanusic, 2009; Aso et al., 2014) and many are non-peptidergic (CGRP- or IB4 binding) (Ivanusic, 2009; Aso et al., 2014), and that approximately two thirds are likely to be nerve growth factor sensitive (TrkA+) whilst others are not (TrkA-)(Aso et al., 2014). It appears that these molecular phenotypes are maintained in peripheral nerve terminals in bone (Mach et al., 2002; Jimenez-Andrade et al., 2010; Castaneda-Corral et al., 2011), although IB4 binding has not been observed at this location (at least in mice; Mach et al., 2002). Whilst there may be some subtle species differences, it is clear that the morphology and molecular phenotype of sensory neurons that innervate tissues within bone are consistent with a role in nociception, and that these features can be used to identify multiple sub-populations of bone afferent neurons (Figure 1). Whether, this molecular heterogeneity is reflected in the physiology of bone afferent neurons remains to be determined. In the rest of this review, we will explore what is known about the physiology of bone afferent neurons.

뼈와 골막 내 절개 또는 은염색된 신경 섬유 사례를 기록한 초기 신경 공급 연구 대부분은

그 기능에는 거의 주목하지 않았다(De Castro, 1925; Hurrell, 1937; Takase and Nomura, 1957; Miller and Kasahara, 1963; Cooper et al., 1966; Sakada and Maeda, 1967a; Calvo, 1968; Thurston, 1982).

이러한 섬유 다수가 골내 혈관과 밀접하게 접해 있었기에 일부 저자들은 혈관 기능과의 연관성을 제안했으나 추가 논평은 하지 않았다. 이는 다소 놀라운데, 골 및 관련 조직 손상이 통증과 명확히 연관되어 있기에 보고된 골내 섬유 중 적어도 일부는 통각수용체여야 함을 시사하기 때문이다.

최근 연구에서 다양한 신경펩타이드에 대한 면역조직화학 표지자를 사용한 결과,

광물화된 뼈, 골수, 골막을 신경 분포하는 신경 섬유가 감각성 및 자율신경성 기원을 모두 가짐이 입증되었다(Duncan and Shim, 1977; Gronblad et al., 1984; Hohmann et al., 1986; Bjurholm et al., 1988; Hill and Elde, 1988, 1991; Mach et al., 2002).

감각 기원의 섬유는 일반적으로 직경이 작은 자유 섬유 말단으로 묘사되었으나, 고양이 하악골 골막에서는 특수한 캡슐화된 말단을 가진 더 큰 섬유가 보고된 바 있다(Sakada and Maeda, 1967a; Sakada and Aida, 1971b), 인간의 장골 골막(Ralston et al., 1960), 그리고 개의 피질골 내 하버스관(Cooper et al., 1966)에서도 보고된 바 있다. 말초 감각 신경세포를 선택적으로 표지하는 새로 개발된 기법은 뼈 내 신경 말단 종말이 교감 신경 기원보다는 감각 신경 기원을 확인하는 데 유용할 수 있다(Kyloh and Spencer, 2014; Spencer et al., 2014).

통각 수용체는 일반적으로 직경이 작고 미세하게 수초화되거나 수초화되지 않은 1차 구심성 뉴런으로 정의되며, [등근 신경절(DRG) 내] 또는 말초 신경 말단에서 발현되는 특정 분자 표지자의 존재로 식별될 수 있다. 골수강, 골질골 및 골막을 신경 분포하는 1차 구심성 신경세포의 DRG 세포체는 거의 전적으로 작은 직경의 수초화 및 비수초화 신경세포로, 칼시토닌 유전자 관련 펩타이드(CGRP), 서브스턴스 P (SP), 티로신 수용체 키나제 A(TrkA)를 발현하거나 이소렉틴 B4(IB4)에 결합하는 등 다양한 조합을 나타낸다(Gajda et al., 2004; Ivanusic, 2009; Aso et al., 2014). 중요한 것은, 이러한 연구들을 통해 쥐에서 이러한 표지자들의 다양한 조합을 기준으로 뼈를 신경 분포하는 감각 뉴런의 하위 집단을 확인했다는 점이다. 예를 들어, 최대 절반이 펩타이드성(CGRP+)인 것은 분명하다(Ivanusic, 2009; Aso et al., 2014)이며, 상당수는 비펩타이드성(CGRP- 또는 IB4 결합)으로 확인되었다(Ivanusic, 2009; Aso et al., 2014). 또한 약 3분의 2는 신경성장인자 민감성(TrkA+)인 반면, 나머지는 그렇지 않은 것으로 나타났다(TrkA-)(Aso et al., 2014). 이러한 분자적 표현형은 뼈의 말초 신경 말단에서도 유지되는 것으로 보입니다(Mach et al., 2002; Jimenez-Andrade et al., 2010; Castaneda-Corral et al., 2011). 다만 IB4 결합은 이 부위에서 관찰되지 않았습니다(적어도 생쥐에서는; Mach et al., 2002). 종간 미묘한 차이는 있을 수 있으나, 뼈 내 조직을 신경 분포하는 감각 신경세포의 형태학적 및 분자적 표현형은 통각 수용 역할과 일치하며, 이러한 특징을 통해 뼈 구심성 신경세포의 다중 하위 집단을 식별할 수 있음은 분명하다(그림 1). 이러한 분자적 이질성이 뼈 구심성 신경세포의 생리학적 특성에 반영되는지는 아직 규명되지 않았다. 본 리뷰의 나머지 부분에서는 골성감각신경세포의 생리학에 대해 알려진 내용을 살펴보겠다.

Physiology of peripheral bone afferent neurons

The environment in which sensory nerve terminals exist in bone is very different to that in other tissue types. The periosteum lines very hard cortical bone and so sensory nerve endings in the periosteum are easily compressed by relatively low threshold mechanical stimuli compared to endings in more compliant tissue such as skin. Bone marrow is surrounded by non-compliant mineralized bone and contains large populations of progenitor and mature inflammatory cells (and other cell types) that together produce different stimulus conditions in the marrow cavity compared with other tissue. Thus, it is important to consider how primary afferent neurons in each of these different bony compartments respond to noxious stimuli, and how this differs from other tissue types. Here we discuss in detail what is known of the physiology of peripherally located, primary afferent neurons that innervate either the periosteum or the bone marrow.

말초 골 감각 신경 세포의 생리학

골 조직 내 감각 신경 말단이 존재하는 환경은

다른 조직 유형과 매우 다릅니다.

골막은

매우 단단한 피질골을 둘러싸고 있으므로,

골막 내 감각 신경 말단은 피부와 같은 유연한 조직의 말단에 비해

상대적으로 낮은 역치의 기계적 자극에 의해 쉽게 압박됩니다.

골수는

비탄력성 광물화된 뼈에 둘러싸여 있으며,

다수의 전구세포 및 성숙 염증 세포(및 기타 세포 유형)를 포함하고 있어

골수강 내에서 다른 조직과는 다른 자극 조건을 생성합니다.

따라서

이러한 서로 다른 골격 구획 각각에 위치한 일차 구심성 신경세포가

유해 자극에 어떻게 반응하는지,

그리고 이것이 다른 조직 유형과 어떻게 다른지 고려하는 것이 중요합니다.

본고에서는

골막 또는 골수를 신경 분포하는 말초 위치의 일차 구심성 신경 세포에 대해 알려진

생리학적 특성을 상세히 논의한다.

Periosteum

There is much greater attention devoted in the literature to periosteal afferent innervation than that of the marrow cavity. This undoubtedly reflects the easier access of the periosteum for experimental assessment than the marrow cavity of bone.

The most detailed series of electrophysiological studies of periosteal innervation was carried out by Sakada and colleagues (Sakada and Maeda, 1967a,b; Sakada and Aida, 1971a,b; Sakada and Onoe, 1971; Sakada and Taguchi, 1971; Sakada and Miyake, 1972; Sakada and Nemoto, 1972; Sakada, 1974; Sakada and Yano, 1978). They made hundreds of recordings from small nerves in an in vitro whole-mount preparation of the cat mandibular periosteum describing responses to both noxious and innocuous stimulation of their sensory nerve terminals. Because the receptive fields of periosteal afferents in the preparation were sufficiently discrete, the investigators were able to activate and isolate single units with mechanical stimuli applied at the periosteum. Histology revealed that the cat mandibular periosteum was innervated by small diameter free fiber endings and some larger endings encapsulated by Golgi-Mazzoni corpuscles (Sakada and Maeda, 1967a; Sakada and Aida, 1971b). The free fiber endings were distributed across the entire preparation, whereas the Golgi-Mazzoni corpuscles could only be found at the midline anterior to the mental foramen. Thus, the authors were able to preferentially activate and study free fiber endings by applying stimuli to the periosteum posterior to the mental foramen. They reported that most axons with free fiber endings had small diameters, consistent with a nociceptive function, and systematically explored the response properties of small diameter periosteal free fiber endings in the mandibular periosteum (see below). They also described the behavior of the encapsulated Golgi-Mazzoni corpuscles found anterior to the mental foramen.

Zhao and Levy described a preparation in which they used tungsten wire electrodes to record the activity of trigeminal ganglion neurons with receptive fields on the calvarial periosteum of the rat (Zhao and Levy, 2014). This method allows good isolation of single units, and all of their data are of single unit responses to periosteal stimulation. A total of 115 single units were reported, making it a significant sample population to draw inferences from. They did not comment on the morphology or size of periosteal endings, but they did carefully explore their physiology, predominantly, but not exclusively, in the context of roles in nociception (see below).

Mahns and colleagues used an in vivo preparation to explore neurons that innervate the periosteum of the cat humerus (Mahns et al., 2004, 2006). Histology revealed that the small nerve from which recordings were made in this preparation contained only small diameter myelinated and unmyelinated axons (Ivanusic et al., 2006). They were able to selectively activate individual afferent fibers that displayed circumscribed and punctate receptive fields. However, only 15 individual fibers were studied in terms of receptive field characteristics and/or vibro-mechanical sensitivity and responsiveness.

골막

문헌에서는

골수강보다 골막 구심성 신경 분포에 훨씬 더 많은 관심을 기울여 왔다.

이는 실험적 평가를 위해

골막이 골수강보다 접근이 용이하다는 점을 분명히 반영한다.

골막 신경 분포에 대한 가장 상세한 일련의 전기생리학적 연구는 사카다(Sakada)와 동료들에 의해 수행되었다(Sakada and Maeda, 1967a,b; Sakada and Aida, 1971a,b; Sakada and Onoe, 1971; Sakada and Taguchi, 1971; Sakada and Miyake, 1972; Sakada and Nemoto, 1972; Sakada, 1974; Sakada and Yano, 1978). 그들은 고양이 하악골 골막의 in vitro 전체 마운트 표본에서 작은 신경들을 대상으로 수백 건의 기록을 수행하여 감각 신경 말단의 유해 자극과 무해 자극에 대한 반응을 기술하였다. 이 준비물에서 골막 구심성 신경의 수용 야가 충분히 분리되어 있었기 때문에, 연구자들은 골막에 가해진 기계적 자극으로 단일 단위를 활성화하고 분리할 수 있었다. 조직학적 분석 결과, 고양이 하악골 골막은 작은 직경의 자유 신경 섬유 말단과 골지-마조니 소체로 둘러싸인 일부 더 큰 말단에 의해 신경 분포를 받고 있는 것으로 나타났다(Sakada and Maeda, 1967a; Sakada and Aida, 1971b). 자유 섬유 말단은 전체 표본에 걸쳐 분포한 반면, 골지-마조니 소체는 설하공(mental foramen) 앞쪽의 정중선에서만 발견되었다. 따라서 저자들은 설하공 뒤쪽 골막에 자극을 가함으로써 자유 섬유 말단을 선택적으로 활성화하고 연구할 수 있었다. 그들은 자유 섬유 말단을 가진 대부분의 축삭이 통각 수용 기능과 일치하는 작은 직경을 가졌다고 보고했으며, 하악골 골막에서 작은 직경의 골막 자유 섬유 말단의 반응 특성을 체계적으로 탐구했다(아래 참조). 또한 설하공 전방에서 발견된 캡슐화된 골지-마조니 소체의 행동을 기술했다.

Zhao와 Levy는 쥐의 두개골 골막에 수용 야를 가진 삼차 신경절 뉴런의 활동을 기록하기 위해 텅스텐 와이어 전극을 사용한 준비법을 기술했다(Zhao and Levy, 2014). 이 방법은 단일 단위(single unit)의 우수한 분리를 가능하게 하며, 그들의 모든 데이터는 골막 자극에 대한 단일 단위 반응이다. 총 115개의 단일 단위가 보고되어 추론을 도출하기에 상당한 표본 집단을 이루었다. 그들은 골막 말단의 형태나 크기에 대해서는 언급하지 않았지만, 주로 통각에서의 역할(아래 참조)을 중심으로 그 생리학을 신중하게 탐구하였다.

Mahns와 동료들은 생체 내(in vivo) 준비를 사용하여 고양이 상완골의 골막을 신경 분포하는 뉴런을 탐구했습니다(Mahns et al., 2004, 2006). 조직학적 분석 결과, 이 준비물에서 기록을 수행한 소신경은 직경이 작은 유수 및 무수 축삭만을 포함하고 있었습니다(Ivanusic et al., 2006). 연구진은 경계가 명확하고 점상인 수용 야를 보이는 개별 구심성 섬유를 선택적으로 활성화할 수 있었습니다. 그러나 수용 야 특성 및/또는 진동-기계적 민감도와 반응성을 연구한 개별 섬유는 15개에 불과했습니다.

Conduction velocities

Conduction velocity is closely related to axon size and can be used to classify primary afferent neurons into a number of functional categories. Afferents with small diameter myelinated (Aδ) or unmyelinated (C) axons and slow conduction velocities are associated predominantly with a nociceptive function (Dixon, 1963; Burgess and Perl, 1973; Lawson and Waddell, 1991; Djouhri and Lawson, 2004; Strassman et al., 2004). C fiber neurons, have the smallest diameter axons (0.6–1.2 μm rat; 1–2 μm cat) and the slowest conduction velocities (<2 m/s rat; <10 m/s cat). Their conduction properties and responses to both heat and chemical stimuli have led to the idea that these are important mediators of slow, burning pain in most tissue systems. The myelinated Aδ fiber neurons have larger sized axons (1.2–4 μm rat; 2–5 μm cat) and faster conduction velocities (2–12 m/s rat; 10–30 m/s cat). Because of their faster conduction, they are believed to be mediators of fast pain. Aβ neurons are also myelinated and have the largest diameter axons (>4 μm rat; >5 μm cat) and fastest conduction velocities (>12 m/s rat; >30 m/s cat). Neurons with large diameter axons, fast conduction velocities and encapsulated endings are typically associated with innocuous (e.g., tactile or kinesthetic) sensibility.

Sakada and colleagues reported that the axons supplying periosteal free fiber endings in cat mandibular periosteum had conduction velocities in the Aδ and C fiber range (2–18 m/s) (Sakada and Maeda, 1967b; Sakada and Taguchi, 1971), suggesting a role in nociception. The axons with encapsulated Golgi-Mazzoni endings had faster conduction velocities (>30m/s) (Sakada and Maeda, 1967b; Sakada and Aida, 1971a), suggesting of a role predominantly in low-threshold mechano-sensibility and not nociception. Zhao and Levy (2014) reported similar distributions of conduction velocity across the Aβ, Aδ, and C fiber ranges in the rat calvarial periosteum, reinforcing the notion that periosteal afferents have roles in both nociception and low-threshold mechano-sensibility. In contrast, Ivanusic and colleagues reported histological findings that the nerve to the cat humerus contained only small diameter myelinated and unmyelinated axons (Ivanusic et al., 2006) and conduction velocities on electrical stimulation of the periosteum that were confined to a range consistent with Aδ and C fiber classification (<30m/s) (Mahns et al., 2006). However, the conduction velocity of only four periosteal afferent fibers was presented, so their sample size is limiting. It is possible that sampling a broader area of the periosteum of the cat humerus may have uncovered units with faster conduction velocities. Alternatively, it might be that units with faster conduction velocities and larger axons are more common in the skull (Sakada and Taguchi, 1971; Zhao and Levy, 2014) compared with the appendicular skeleton (Mahns et al., 2006). Nonetheless, the findings from all investigators indicate that the overwhelming majority of periosteal afferents have conduction velocities consistent with a role in nociception, and likely contribute to sharp, fast (Aδ) or slow burning (C) pain. These types of pain have indeed been reported in humans subjected to periosteal stimulation (Inman and Saunders, 1944), and have been suggested to contribute to pain profiles in a number of animal studies (Martin et al., 2007).

전도 속도

전도 속도는

축삭 크기와 밀접한 관련이 있으며,

이를 통해 일차 구심성 뉴런을 여러 기능적 범주로 분류할 수 있다.

직경이 작은 유수축삭(Aδ) 또는 무수축삭(C)을 가지며

전도 속도가 느린 구심성 섬유는 주로 통각 기능과 연관된다

(Dixon, 1963; Burgess and Perl, 1973; Lawson and Waddell, 1991; Djouhri and Lawson, 2004; Strassman et al., 2004).

C 섬유 신경세포는

가장 작은 직경의 축삭(쥐 0.6–1.2 μm; 고양이 1–2 μm)과

가장 느린 전도 속도(쥐 <2 m/s; 고양이 <10 m/s)를 가진다.

이들의 전도 특성과 열 및 화학적 자극에 대한 반응은

대부분의 조직 체계에서 느리고 타는 듯한 통증의 중요한 매개체라는 개념으로 이어졌다.

수초화된 Aδ 섬유 신경세포는

더 큰 축삭 직경(쥐 1.2–4 μm; 고양이 2–5 μm)과 더 빠른 전도 속도(쥐 2–12 m/s; 고양이 10–30 m/s)를 가진다.

더 빠른 전도 속도로 인해 이들은 빠른 통증의 매개체로 여겨진다.

Aβ 신경세포 역시

수초를 가지며 가장 큰 직경의 축삭(쥐 >4 μm; 고양이 >5 μm)과

가장 빠른 전도 속도(쥐 >12 m/s; 고양이 >30 m/s)를 보유합니다.

큰 직경의 축삭, 빠른 전도 속도, 그리고 캡슐화된 말단을 가진 신경세포는

일반적으로 무해한 감각(예: 촉각 또는 운동감각)과 연관됩니다.

사카다와 동료들은 고양이 하악골 골막의 골막 자유 섬유 말단을 공급하는 축삭의 전도 속도가 Aδ 및 C 섬유 범위(2–18 m/s)에 속한다고 보고했습니다(Sakada and Maeda, 1967b; Sakada and Taguchi, 1971). 이는 통각 수용에서의 역할을 시사합니다. 골지-마조니 종말이 캡슐화된 축삭은 더 빠른 전도 속도(>30m/s)를 보였습니다(Sakada and Maeda, 1967b; Sakada and Aida, 1971a). 이는 주로 저역치 기계 감각에 관여하며 통각에는 관여하지 않음을 시사합니다. Zhao와 Levy (2014)는 쥐의 두개골 골막에서 Aβ, Aδ 및 C 섬유 범위에 걸쳐 유사한 전도 속도 분포를 보고하여, 골막 구심성 신경이 통각과 저역치 기계 감각 모두에 역할을 한다는 개념을 강화했습니다. 반면, Ivanusic과 동료들은 고양이 상완골로 가는 신경에는 작은 직경의 수초화 및 비수초화 축삭만 포함된다는 조직학적 소견(Ivanusic et al., 2006)과 골막 전기 자극 시 Aδ 및 C 섬유 분류와 일치하는 범위(<30m/s)로 제한된 전도 속도를 보고했다 (Mahns et al., 2006). 그러나 골막 유입 섬유 중 단 4개의 전도 속도만 제시되었으므로 표본 크기가 제한적이다. 고양이 상완골 골막의 더 넓은 영역을 채취했다면 더 빠른 전도 속도를 가진 단위들을 발견했을 가능성도 있다. 또는 두개골에서는 사지골격에 비해 더 빠른 전도 속도와 더 큰 축삭을 가진 단위들이 더 흔할 수 있다(Sakada and Taguchi, 1971; Zhao and Levy, 2014). 그럼에도 불구하고 모든 연구자들의 결과는 골막 감각신경의 압도적 다수가 통각 전달에 부합하는 전도 속도를 보이며, 날카롭고 빠른 (Aδ) 또는 느리고 타는 듯한 (C) 통증에 기여할 가능성이 있음을 시사한다. 이러한 유형의 통증은 실제로 골막 자극을 받은 인간에게서 보고된 바 있으며(Inman and Saunders, 1944), 여러 동물 연구에서 통증 프로필에 기여하는 것으로 제안되었습니다(Martin et al., 2007).

Mechanical response properties

All of the above investigators have reported periosteal afferent units to be mechanically sensitive. Sakada and colleagues recorded many hundreds of mechanically sensitive units in their series of papers exploring the cat mandibular periosteum but these studies do not reveal the relative proportion of afferent fibers that were mechanically sensitive because they studied only those that could be identified with mechanical stimuli. In contrast, nearly all of the units (113/115) that could be activated by electrical stimulation of the calvarial periosteum were mechanically sensitive (Zhao and Levy, 2014), suggesting that the overwhelming majority of periosteal afferents are mechanically sensitive in this preparation. Similarly, all 15 of the sensory neurons identified with electrical stimulation of the periosteum of the cat humerus could be activated by mechanical stimuli (Mahns et al., 2006).

The threshold to activation is an important property of sensory neuron physiology that informs how easily a stimulus is transduced at the periphery. The threshold to activation for mechanically sensitive primary afferent neurons is useful in defining their functional classification. For example, most low-threshold mechanically sensitive units have a role in innocuous sensibility, whilst those with high thresholds usually have a role in nociception. Peripheral sensory neurons can also adapt in different ways to the application of a constant mechanical stimulus. For rapidly adapting neurons the discharge frequency declines very quickly and the response to the mechanical stimulus is transient such that impulses only occur at the onset or offset of mechanical stimulation. This provides for clear temporal localization of mechanical stimuli and is characteristic of low-threshold mechano-sensory neurons. The Pacinian corpuscle is an example of a rapidly adapting mechanoreceptor. For slowly adapting neurons, the decline in discharge frequency takes much longer, such that the neuron continues to fire for the duration of the stimulus. The majority of nociceptors are classically defined as having a slowly adapting response to noxious mechanical stimulation, meaning that once activated, a nociceptor will remain activated and provide the CNS with information about the duration of the stimulus.

Sakada and colleagues reported that both the large, encapsulated Golgi-Mazzoni endings, as well as the free fiber endings posterior to the mental foramen, could be classified according to their adaptation responses. Golgi-Mazzoni endings were exclusively rapidly adapting, low-threshold units that responded well to vibration, and are akin to the Pacinian corpuscles or other afferents that mediate innocuous tactile or kinesthetic sensibility (Sakada and Maeda, 1967b; Sakada and Aida, 1971a). In contrast, the free fiber endings they recorded from were either rapidly or slowly adapting, and each of these had different response properties. The impulse patterns to pressure stimulation of slowly adapting free fiber endings varied greatly, however, most showed a sharp increase in activity during the dynamic phase of the pressure stimulus, followed by a period of sustained activity characterized by a gradual increase in inter-spike interval as the receptor adapted to the maintained stimulus (Sakada and Taguchi, 1971; Sakada and Miyake, 1972). With an increase in intensity of mechanical stimulation these slowly adapting free fiber endings displayed an increase in frequency of discharge, at least during the dynamic phase of their response (Sakada and Taguchi, 1971; Sakada and Miyake, 1972). Most of these slowly adapting free fiber endings had axons with conduction velocities in the Aδ neuron range (2–18 m/s) and had relatively high mechanical thresholds (Sakada and Taguchi, 1971), suggesting a role in nociception. These findings are consistent with the findings of Zhao and Levy, who reported that 82% of the mechanosensitive afferents in the calvarial periosteum were slowly adapting and most, but not all had conduction velocities in the Aδ and C fiber range. It is noteworthy that both Sakada and colleagues and Zhao and Levy reported some slowly adapting free fiber endings that responded to innocuous stretch of the digastric muscle and/or conducted in Aβ range, suggesting that some could be innocuous mechanoreceptors rather than nociceptors, but these were relatively few in their preparations.

In the studies of Sakada and colleagues, rapidly adapting free fiber endings were identified by their response to vibratory stimuli (Sakada and Onoe, 1971; Sakada and Taguchi, 1971). Threshold to activation was measured as the minimal voltage, applied to the solenoid of a mechanical stimulator, that was required to elicit a 1:1 pattern of firing (one impulse per cycle of vibration) at 10 cycles per second (Hz). Calibration to real force was not presented so it was not possible to compare mechanical thresholds with other studies, but they were able to discriminate between relatively high and low threshold rapidly adapting free fiber endings within their own studies. Rapidly adapting free fiber endings could follow frequencies of vibration well above 300 cycles per second (Sakada and Onoe, 1971). Approximately half of the rapidly adapting free fiber endings in the periosteum had low thresholds and responded to stretch of the digastric muscle that was not considered noxious because it did not elicit a pain reflex or a jaw opening reflex (Sakada and Taguchi, 1971). This suggested that they were low-threshold mechanoreceptors. The other half had relatively high thresholds and were considered to be nociceptors (Sakada and Taguchi, 1971). All 15 mechanically sensitive fibers reported in Mahns, Ivanusic et al. (2006) displayed rapidly adapting properties, as step indentation of the periosteum, by means of either hand-held probes or servo-controlled mechanical stimuli, elicited responses only in association with the dynamic components of the stimulus. Many of these could be activated with very low forces (as little as 0.5 mN) and conducted in the Aδ and C fiber range. They are likely similar to the rapidly adapting free fiber endings defined as low-threshold mechanoreceptors reported by Sakada and colleagues.

The receptive field of a single neuron defines the area of tissue over which an adequate stimulus can elicit activity and therefore influences the capacity of a sensory neuron to detect the location of a stimulus and discriminate between multiple stimuli. Receptive fields of mechanically sensitive units can vary in size for different types of units and in different tissue systems. Sakada and Taguchi (1971) quantified the size of the receptive field of 434 single units innervating the mandibular periosteum. Most units could be activated at multiple, discrete receptive sites over a large area of the periosteum, typically between 2 and 20 mm2. There was little difference in the receptive field size of units that responded to stretch of the digastric muscles and those that did not, but there may have been a very modest tendency for slowly adapting units to have slightly larger receptive fields than rapidly adapting units. In the case of the periosteum of the cat humerus, each unit had a receptive field comprised of a single locus and was usually of an approximately oval configuration which ranged from 2 to 4 mm2 (Mahns et al., 2006). In this latter study, individual periosteal afferent units could usually be selectively activated with the use of fine stimulus probes, suggesting that there is a limited overlap of the terminal receptive fields of individual fibers in the periosteum.

Finally, it is also possible that other fibers of lesser, or no mechanical sensitivity, innervate the periosteum, because in regions that appeared insensitive to direct mechanical probing, it was possible to selectively activate individual fibers by applying focal electrical stimuli (Mahns et al., 2006). These had conduction velocities in the C and Aδ range. They could respond to changes in temperature or chemical stimuli instead of mechanical stimulation, or they could be similar to silent nociceptors found in other tissue systems, that are typically insensitive to mechanical stimulation under normal conditions, but become mechanically sensitive following inflammation (Grigg et al., 1986; Schaible and Schmidt, 1988; Schaible, 1996).

기계적 반응 특성

상기 연구자들은 모두

골막 구심성 단위들이 기계적으로 민감하다고 보고했습니다.

사카다(Sakada)와 동료들은

고양이 하악골 골막을 탐구한 일련의 논문에서 수백 개의 기계적 민감 단위를 기록했으나,

이 연구들은 기계적 자극으로 식별 가능한 단위들만을 대상으로 했기 때문에

기계적으로 민감한 구심성 섬유의 상대적 비율을 밝혀내지 못했습니다.

반면, 두개골 골막의 전기 자극으로 활성화될 수 있는 단위(115개 중 113개)는

거의 모두 기계적으로 민감했습니다(Zhao and Levy, 2014).

이는 이 실험 조건에서

골막 구심성 신경의 압도적 다수가 기계적으로 민감함을 시사합니다.

마찬가지로,

고양이 상완골 골막의 전기 자극으로 확인된 15개의 감각 신경세포

모두 기계적 자극에 의해 활성화될 수 있었다(Mahns et al., 2006).

활성화 역치는 감각 신경세포 생리학의 중요한 특성으로,

말초에서 자극이 얼마나 쉽게 전달되는지를 알려준다.

기계적 자극에 민감한 1차 구심성 신경세포의 활성화 역치는

그 기능적 분류를 정의하는 데 유용하다.

예를 들어,

대부분의 저역치 기계적 감도 단위는 무해한 감각에 관여하는 반면,

고역치 단위는 통각에 관여하는 경우가 많다.

말초 감각 신경세포는

지속적인 기계적 자극 적용에 대해 서로 다른 방식으로 적응할 수도 있다.

신속 적응 신경세포의 경우 방출 빈도가 매우 빠르게 감소하며

기계적 자극에 대한 반응은 일시적이어서

자극 시작 또는 종료 시에만 충동이 발생한다.

이는 기계적 자극의 명확한 시간적 국소화를 가능하게 하며, 저역치 기계감각 신경세포의 특징이다. 파치니 소체는 신속적응 기계수용체의 예이다. 지연적응 신경세포의 경우, 방출 빈도 감소가 훨씬 더 오래 걸려 자극이 지속되는 동안 신경세포가 계속 발화한다. 대부분의 통각 수용체는 통증을 유발하는 기계적 자극에 대해 느린 적응 반응을 보이는 것으로 전통적으로 정의됩니다. 즉, 일단 활성화되면 통각 수용체는 활성화 상태를 유지하며 중추신경계에 자극의 지속 시간에 대한 정보를 제공합니다.

사카다(Sakada)와 동료들은 큰 캡슐화된 골지-마조니 말단(Golgi-Mazzoni endings)과 턱구멍(mental foramen) 후방의 자유 섬유 말단 모두 적응 반응에 따라 분류될 수 있다고 보고했습니다. 골지-마조니 말단은 진동에 잘 반응하는 신속 적응형 저역치 단위로만 구성되어 있으며, 무해한 촉각 또는 운동 감각을 매개하는 파치니 소체나 다른 구심성 신경과 유사합니다(Sakada and Maeda, 1967b; Sakada and Aida, 1971a). 반면, 그들이 기록한 자유 섬유 말단은 신속 적응형 또는 지연 적응형이었으며, 각각 다른 반응 특성을 보였다. 지연 적응형 자유 섬유 말단의 압력 자극에 대한 충동 패턴은 크게 다양했으나, 대부분 압력 자극의 동적 단계 동안 활동이 급격히 증가한 후, 수용체가 지속적 자극에 적응함에 따라 스파이크 간격이 점진적으로 증가하는 특징을 보이는 지속적 활동 기간이 뒤따랐다 (Sakada and Taguchi, 1971; Sakada and Miyake, 1972). 기계적 자극 강도가 증가함에 따라, 이러한 느리게 적응하는 자유 섬유 말단은 적어도 반응의 동적 단계 동안 방출 빈도가 증가하는 모습을 보였다 (Sakada and Taguchi, 1971; Sakada and Miyake, 1972). 이러한 느리게 적응하는 자유 섬유 말단 대부분은 Aδ 신경 세포 범위(2–18 m/s)의 전도 속도를 가진 축삭을 가지고 있었으며 상대적으로 높은 기계적 역치를 보였습니다(Sakada and Taguchi, 1971). 이는 통각 수용에서의 역할을 시사합니다. 이러한 결과는 Zhao와 Levy의 연구 결과와 일치하는데, 그들은 두개골 골막의 기계 감수성 구심성 신경의 82%가 느리게 적응하는 신경이며, 대부분(전부는 아님) Aδ 및 C 섬유 범위의 전도 속도를 보인다고 보고했습니다. 사카다 연구팀과 자오-레비 연구팀 모두 이두복근의 무해한 신장에 반응하거나 Aβ 범위에서 전도되는 일부 느리게 적응하는 자유 섬유 말단을 보고한 점은 주목할 만하다. 이는 일부가 통각 수용체보다는 무해한 기계 수용체일 수 있음을 시사하지만, 그들의 실험 준비물에서는 상대적으로 드물었다.

사카다와 동료들의 연구에서, 빠르게 적응하는 자유 섬유 말단은 진동 자극에 대한 반응으로 확인되었습니다 (Sakada and Onoe, 1971; Sakada and Taguchi, 1971). 활성화 역치는 기계적 자극기의 솔레노이드에 가해진 최소 전압으로 측정되었으며, 이는 초당 10주기(Hz)에서 1:1 발화 패턴(진동 주기당 하나의 충동)을 유발하는 데 필요한 값이었다. 실제 힘에 대한 보정은 제시되지 않아 기계적 역치를 다른 연구와 비교할 수 없었지만, 연구 내에서 상대적으로 높은 역치와 낮은 역치를 가진 신속 적응 자유 섬유 말단을 구분할 수 있었다. 신속 적응 자유 섬유 말단은 초당 300회 이상의 진동 주파수를 잘 따라갈 수 있었다(Sakada and Onoe, 1971). 골막 내 신속적응 자유섬유 말단의 약 절반은 낮은 역치를 보였으며, 통증 반사나 턱 열림 반사를 유발하지 않아 유해하지 않은 것으로 간주된 이중복근(digastric muscle)의 신장에 반응했다(Sakada and Taguchi, 1971). 이는 이들이 저역치 기계수용체임을 시사한다. 나머지 절반은 상대적으로 높은 역치를 보였으며 통각 수용체로 간주되었다(Sakada and Taguchi, 1971). Mahns, Ivanusic et al. (2006)에 보고된 15개의 기계적 민감 섬유 모두는 신속한 적응 특성을 보였는데, 이는 손으로 잡는 프로브나 서보 제어 기계적 자극을 이용한 골막 단계적 압박 시 자극의 동적 성분과 연관되어만 반응을 유발했기 때문이다. 이들 중 상당수는 매우 낮은 힘(최소 0.5mN)으로도 활성화될 수 있었으며 Aδ 및 C 섬유 범위로 전달되었다. 이들은 사카다(Sakada)와 동료들이 보고한 저역치 기계수용체로 정의된 신속적응 자유섬유 말단과 유사할 가능성이 높다.

단일 신경세포의 수용야는 적절한 자극이 활성을 유발할 수 있는 조직 영역을 정의하므로, 감각 신경세포가 자극 위치를 감지하고 다중 자극을 구별하는 능력에 영향을 미친다. 기계적으로 민감한 단위의 수용 야는 단위 유형과 조직 시스템에 따라 크기가 달라질 수 있습니다. 사카다와 타구치(1971)는 하악골 골막을 신경 분포하는 434개의 단일 단위의 수용 야 크기를 정량화했습니다. 대부분의 단위는 골막의 넓은 영역(일반적으로 2~20 mm2)에 걸쳐 여러 개의 분리된 수용 부위에서 활성화될 수 있었다. 이두복근의 신장에 반응하는 단위와 그렇지 않은 단위의 수용 영역 크기에는 거의 차이가 없었으나, 느리게 적응하는 단위가 빠르게 적응하는 단위보다 수용 영역이 약간 더 큰 경향이 아주 미미하게 존재했을 수 있다. 고양이 상완골의 골막의 경우, 각 단위는 단일 위치로 구성된 수용 영역을 가지며, 일반적으로 2~4 mm2 범위의 대략 타원형 구성을 보였습니다 (Mahns et al., 2006). 후자의 연구에서, 개별 골막 구심성 단위는 일반적으로 미세한 자극 프로브를 사용하여 선택적으로 활성화될 수 있었는데, 이는 골막에서 개별 섬유의 말단 수용 영역이 제한적으로 겹친다는 것을 시사한다.

마지막으로, 직접적인 기계적 자극에 무감각해 보이는 부위에서도 국소 전기 자극을 가해 개별 섬유를 선택적으로 활성화할 수 있었기 때문에(Mahns et al., 2006), 기계적 감도가 낮거나 전혀 없는 다른 섬유들이 골막을 신경 분포할 가능성도 있다. 이들 섬유의 전도 속도는 C와 Aδ 범위에 속했다. 이 섬유들은 기계적 자극 대신 온도 변화나 화학적 자극에 반응할 수 있으며, 다른 조직 시스템에서 발견되는 침묵성 통각 수용체와 유사할 수 있습니다. 이러한 수용체들은 정상 상태에서는 기계적 자극에 일반적으로 무감각하지만, 염증 발생 후 기계적 감도를 획득합니다(Grigg et al., 1986; Schaible and Schmidt, 1988; Schaible, 1996).

Chemical sensitivity and inflammatory mediators

Chemical sensitivity and sensitization by inflammatory mediators is typical of polymodal nociceptors, particularly those classified as C fibers. Only a single study has tested the chemical sensitivity of periosteal afferent neurons (Zhao and Levy, 2014). In this study, recordings of sensory neurons that innervate the calvarial periosteum were made before and during application of known algesic substances, including potassium chloride (50–500 mM), capsaicin (10 μM) and protons (low pH). Potassium chloride produced a dose dependent increase in ongoing activity of both Aδ and C fiber periosteal afferent units, but capsaicin and low pH rarely altered ongoing activity, and when it did the response was of low magnitude. However, the sensitivity of periosteal afferent units to mechanical stimuli was clearly altered after application of inflammatory mediators. Local applications of a mixture of histamine, serotonin, bradykinin, and PGE2 led to increased ongoing activity in nearly one third of mechanically sensitive Aδ units and one half of C fiber units, and an increase in the mechanical responsiveness of nearly half of the Aδ fiber units and all of the C fiber units tested. The mechanical sensitization was long lasting (often more than 30 min) and was related to peri-orbital tactile hypersensitivity, commonly linked to primary headache attacks. Thus, sensitization of periosteal afferent neurons can occur and likely contributes to altered pain processing in pathology. In addition to providing evidence that periosteal afferents can be sensitized, these findings also highlight that some periosteal afferents can be activated by multiple stimuli and can therefore be considered polymodal. The idea that periosteal afferent units are polymodal was not explored in any of the other studies of periosteal innervation described above.

화학적 민감성과 염증 매개체

화학적 민감성과 염증 매개체에 의한 감작은

다중 모드 통각 수용체, 특히 C 섬유로 분류되는 수용체에서 전형적이다.

Chemical sensitivity and sensitization by inflammatory mediators

is typical of polymodal nociceptors, particularly those classified as C fibers. 

골막 유입 신경세포의 화학적 민감성을 테스트한 연구는 단 한 건뿐이다(Zhao and Levy, 2014). 이 연구에서는 염화칼륨(50–500 mM), 캡사이신(10 μM), 양성자(낮은 pH) 등 알려진 통증 유발 물질 적용 전후에 두개골 골막을 신경 분포하는 감각 신경 세포의 기록을 수행하였다. 염화칼륨은 Aδ 및 C 섬유 골막 구심성 단위 모두에서 지속 활동의 용량 의존적 증가를 유발했으나, 캡사이신과 낮은 pH는 지속 활동을 거의 변화시키지 않았으며, 변화가 발생하더라도 반응 강도는 낮았다. 그러나 염증 매개체 적용 후 골막 구심성 단위의 기계적 자극에 대한 민감도는 명확히 변화하였다.

히스타민, 세로토닌, 브래디키닌, PGE2 혼합물의 국소 적용은

기계적 자극에 민감한 Aδ 단위의 약 1/3과 C 섬유 단위의 절반에서

지속적 활동 증가를 유발했으며,

시험된 Aδ 섬유 단위의 거의 절반과 모든 C 섬유 단위에서 기계적 반응성 증가를 초래했다.

이러한

기계적 감작은 장기간 지속되었으며(종종 30분 이상),

일차성 두통 발작과 흔히 연관되는 안와 주위 촉각 과민성과 관련이 있었다.

따라서

골막 감각 신경의 감작이 발생할 수 있으며,

이는 병리학적 상태에서 변화된 통증 처리 과정에 기여할 가능성이 있다.

이 결과는 골막 감각 신경이 감작될 수 있다는 증거를 제공할 뿐만 아니라,

일부 골막 감각 신경이 다중 자극에 의해 활성화될 수 있으므로

다모드성으로 간주될 수 있음을 강조한다.

골막 감각 신경 단위가 다모드성이라는 개념은 앞서 설명한

다른 골막 신경 분포 연구에서는 탐구되지 않았다.

Response to changes in temperature

Sakada and Nemoto (1972) recorded both multi-unit and single unit responses to dynamic changes in temperature applied to the periosteum. This was done by recording from periosteal nerves whilst cooling the bath solution from 32 to 27°C and then warming back to 31°C. There was no spontaneous activity in the recordings at 32°C. The number of units active in the multi-unit recordings increased as cooling was applied, suggesting progressive recruitment of temperature sensitive periosteal units. The discharge frequency of the whole nerve recordings also increased with cooling, indicating that at least some of these multi-units can code for the intensity or rate of change in temperature. Interestingly, the units that responded to cold became silent as the temperature was changed to one that is warming instead of cooling, suggesting they sense changes in temperature rather than absolute temperature. This is similar to cold receptors in the cornea (Carr et al., 2003). As the warming continued, different units began responding to the warming stimulus, and they too were capable of coding the intensity or rate of change in the warming stimulus. Thus, some periosteal afferents respond to innocuous cooling and some to innocuous warming. Sakada and Nemoto (1972) further explored the temperature sensitivity of 93 mechanically sensitive periosteal units isolated from the whole nerve recordings by applying temperature changes to discrete receptive points of single units on the periosteum. Their responses to cooling were assessed down to at least 17°C (sometimes even down to 0°C) and to warming up to a maximum of 45–50°C, ranges that include temperatures that are considered to be noxious. 20/93 of these did not respond to temperature changes at all, even when these changes were extreme. 24/93 responded to cooling but not warming, and 19/93 responded to warming but not cooling. 30/93 responded to both cooling and heating. Those in the latter three categories were only tested to the point where threshold to activation was reached for either cooling or heating, and so it is not entirely clear if all of these responded into the noxious range of temperatures, although for many the threshold to activation itself occurred at noxious temperatures. It has to be noted, however, that some Aδ mechanically sensitive nociceptors in the skin have very high thresholds to heat (median threshold greater than 53°C) but can become more sensitive to thermal stimulation following sensitization (Type I Aδ nociceptors; Treede et al., 1995), and so the temperatures used in the study of Sakada and Nemoto may not have been sufficient to activate some of the units they reported to be purely mechanically sensitive.

Taken together, these findings suggest that many periosteal free fiber endings are responsive to innocuous and noxious thermal stimuli. However, it is unlikely that physiological changes of temperature around bone are great enough to activate these fibers (Sakada and Nemoto, 1972). It is also unlikely that they are activated directly by pathological changes, because even warming produced by inflammation in vivo (Segale, 1919) would not cause a sufficient change in temperature to activate these receptors. It is of course possible that whilst inflammation does not produce changes in temperature that could activate periosteal fibers directly, it can alter their sensitivity to thermal stimuli such that they become more responsive to changes in temperature. Indeed inflammation is known to increase the thermal sensitivity of primary afferent neurons in many other tissue systems (Cervero and Laird, 1999; Ren and Dubner, 1999b). Thus, activation of periosteal afferents by temperature may be possible under highly abnormal or pathological conditions.

온도 변화에 대한 반응

사카다와 네모토(1972)는

골막에 가해진 동적 온도 변화에 대한

다중 단위 및 단일 단위 반응을 기록하였다.

이는 배지 용액을 32°C에서 27°C로 냉각시킨 후 다시 31°C로 가열하면서

골막 신경에서 기록하는 방식으로 수행되었다.

32°C에서는

기록상 자발적 활동이 관찰되지 않았다.

다중 단위 기록에서 활성화된 단위 수는

냉각이 진행됨에 따라 증가하여

온도에 민감한 골막 단위의 점진적 동원을 시사했다.

전체 신경 기록의 방출 빈도 또한 냉각에 따라 증가하여,

이러한 다중 단위 중 적어도 일부는 온도의 강도나 변화 속도를 인코딩할 수 있음을 나타냈다.

흥미롭게도,

냉각에 반응했던 단위들은 온도가 냉각이 아닌 온난화로 전환되면 침묵하게 되었는데,

이는 절대 온도보다는 온도 변화를 감지함을 시사한다.

이는 각막의 냉각 수용체와 유사하다(Carr et al., 2003).

온난화가 지속됨에 따라 다른 단위들이 온난화 자극에 반응하기 시작했으며,

이들 역시 온난화 자극의 강도나 변화율을 인코딩할 수 있었습니다.

따라서

일부 골막 감각 신경은

무해한 냉각에 반응하고 일부는 무해한 온난화에 반응합니다.

오피오이드 위기로 인해 오피오이드를 이용한 통증 치료의 위험성이 부각된 이후, 통증 치료는 개념적으로 정체 상태를 유지해 왔다. 기존 진통제 기반 치료에 대한 중독 위험이 없는 대안 전략은 일시적 수용체 잠재력(TRP) 이온 채널과 같이 통증 경로의 기원에 있는 수용체를 표적으로 삼는 것이다. 따라서 TRP 채널의 바닐로이드 아과(subfamily)의 창립 멤버인 TRPV1은 가장 주목받는 통증 치료 표적 중 하나이다. 선택적 TRPV1 억제제의 필요성은 통증 치료를 넘어 이 채널과 연관된 정신 질환을 포함한 다른 질환들까지 확장된다. 본 연구에서는 인간 TRPV1의 아포 상태 및 TRPV1 특이적 나노몰 친화성 진통성 길항제 SB-366791과 복합체 상태의 극저온 전자 현미경 구조를 보고한다. SB-366791은 바닐로이드 부위에 결합하여 알로스테릭 hTRPV1 억제제로 작용한다. SB-366791 결합 부위는 돌연변이 분석과 전기생리학적 기록을 통해 확인되었으며, 이를 바탕으로 질병 상태에서 TRPV1을 표적으로 하는 신약 개발이 가능할 것이다.

사카다와 네모토(1972)는 골막에서 분리된 93개의 기계적 감도 골막 단위체에 대해, 단일 단위체의 개별 수용점에 온도 변화를 가함으로써 온도 감도를 추가로 탐구했다. 냉각에 대한 반응은 최소 17°C(때로는 0°C까지)까지, 온난화에 대한 반응은 최대 45–50°C까지 평가되었으며, 이 범위는 통증 유발 온도를 포함한다. 이들 중 20/93은 극단적인 변화에도 전혀 반응하지 않았다. 24/93은 냉각에는 반응했으나 가열에는 반응하지 않았고, 19/93은 가열에는 반응했으나 냉각에는 반응하지 않았다. 30/93은 냉각과 가열 모두에 반응했다. 후자 세 범주에 속한 세포들은 냉각 또는 가열 중 하나에 대한 활성화 역치가 도달하는 지점까지만 테스트되었으므로, 이들 모두가 유해 온도 범위까지 반응했는지는 완전히 명확하지 않다. 다만 많은 경우 활성화 역치 자체가 유해 온도에서 발생했다. 그러나 피부의 일부 Aδ 기계적 민감성 통각수용체는 열에 대한 역치가 매우 높으며(중앙 역치 53°C 이상), 감작 후 열 자극에 더 민감해질 수 있다는 점을 유의해야 한다 (제1형 Aδ 통각수용체; Treede 등, 1995). 따라서 사카다와 네모토의 연구에서 사용된 온도는 그들이 순수 기계적 감도로 보고한 일부 단위들을 활성화시키기에 충분하지 않았을 수 있다.

종합하면,

이러한 결과들은

많은 골막 자유 섬유 말단이

무해한 및 유해한 열 자극에 반응함을 시사한다.

그러나

뼈 주변의 생리적 온도 변화가

이 섬유들을 활성화하기에 충분히 클 가능성은 낮다(Sakada and Nemoto, 1972).

또한 병리학적 변화에 의해 직접 활성화될 가능성도 낮다.

왜냐하면

생체 내 염증에 의해 발생하는 온도 상승(Segale, 1919)조차도

이 수용체를 활성화시키기에 충분한 온도 변화를 일으키지 않기 때문이다.

물론 염증이 골막 섬유를 직접 활성화시킬 정도의 온도 변화를 일으키지 않더라도,

열 자극에 대한 민감도를 변화시켜 온도 변화에 더 반응하도록 만들 가능성은 있다. 실

제로 염증은 다른 많은 조직 시스템에서

일차 구심성 신경세포의 열 감도를 증가시키는 것으로 알려져 있다(Cervero and Laird, 1999; Ren and Dubner, 1999b).

따라서

온도에 의한 골막 구심성 신경의 활성화는

극도로 비정상적이거나 병리적인 조건 하에서 가능할 수 있다.

Summary/conclusions

Figure 2 summarizes what we know about the physiology of sensory neurons that innervate the periosteum. The periosteum is innervated both by large diameter, fast conducting units with encapsulated endings that are likely to provide information about innocuous sensibility and by small diameter, slower conducting units with free fiber endings typical of nociceptors. Activation of the latter is likely to generate the pain experienced during pathology involving the periosteum. Their response properties, including conduction velocities and responses to chemical stimuli suggest roles in both fast, sharp bone pain, and also slow burning bone pain. However, there is evidence that some free fiber endings in the periosteum are activated by relatively low thresholds. In skin, low threshold mechanical stimulation of some small diameter, myelinated (Burgess and Perl, 1967; Burgess et al., 1968; Koltzenburg et al., 1997) and unmyelinated (Vallbo et al., 1993, 1999; Olausson et al., 2002) fibers produces percepts that have been described as non-painful. Whether low threshold free fiber endings have a role in innocuous mechanosensory perception in bone requires further investigation (Rowe et al., 2005), but it seems unlikely because it is difficult to conceive of any stimulus that could be applied to bone that is not considered painful. The alternative is that they may be easily activated by low threshold mechanical stimulation of the periosteum because of its tight relationship with the underlying, hard, bony surface and could therefore contribute to periosteal pain perception. There is also evidence that large diameter neurons in other tissue systems can contribute to pain processing (Djouhri and Lawson, 2004). Thus, it is possible that the reported large diameter encapsulated endings do have some, as yet unidentified role to play in bone pain as well.

요약/결론

그림 2는

골막을 신경 분포하는 감각 신경 세포의 생리학에 대해

우리가 알고 있는 내용을 요약합니다.

골막은

무해한 감각 정보를 제공할 가능성이 높은 캡슐화된 말단을 가진 큰 직경의 빠른 전도 단위와,

통각 수용체에 전형적인 자유 섬유 말단을 가진 작은 직경의 느린 전도 단위 모두에 의해 신경 분포됩니다.

후자의 활성화는

골막 관련 병리 상태에서 경험하는 통증을 유발할 가능성이 높다.

전도 속도 및 화학적 자극에 대한 반응을 포함한 이들의 반응 특성은

빠르고 날카로운 골통과 느리고 타는 듯한 골통 모두에 관여하는 역할을 시사한다.

그러나

골막 내 일부 자유 신경 말단이 상대적으로 낮은 역치로 활성화된다는 증거가 존재한다.

피부에서는

일부 작은 직경의 수초화(Burgess and Perl, 1967; Burgess et al., 1968; Koltzenburg et al., 1997) 및

비수초화(Vallbo et al., 1993, 1999; Olausson et al., 2002)

섬유에 대한 낮은 역치 자극이 통증이 없는 감각을 유발한다는 보고가 있다.

낮은 역치 자유 신경 말단이 뼈에서 무해한 기계 감각 지각에 역할을 하는지 여부는 추가 연구가 필요하다(Rowe et al., 2005). 그러나 뼈에 가해질 수 있는 자극 중 통증으로 인식되지 않는 자극을 상상하기 어렵기 때문에 이는 가능성이 낮아 보인다. 대안은 골막이 그 아래의 단단한 뼈 표면과 밀접한 관련이 있기 때문에 낮은 역치의 기계적 자극에 의해 쉽게 활성화될 수 있으며, 따라서 골막 통증 지각에 기여할 수 있다는 것이다. 다른 조직 시스템에서도 큰 직경의 신경세포가 통증 처리 과정에 기여할 수 있다는 증거가 존재한다(Djouhri and Lawson, 2004). 따라서 보고된 큰 직경의 캡슐화된 말단들이 뼈 통증에서도 아직 밝혀지지 않은 역할을 수행할 가능성은 있다.

Figure 2.

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Response properties of periosteal free fiber endings. Single periosteal units respond to mechanical, chemical, and thermal stimuli. Mechanically sensitive units can be classified according to their threshold and adaption profile. Potassium chloride activates most periosteal units dose-dependently, but capsaicin and low pH only rarely activates them. Some periosteal units respond to cooling and heating, some to cooling but not heating, some to heating but not cooling, and some to neither.

골막 자유 섬유 말단의 반응 특성.

단일 골막 단위는

기계적, 화학적, 열적 자극에 반응한다.

기계적 감도 단위는

역치와 적응 프로파일에 따라 분류될 수 있다.

염화칼륨은 대부분의 골막 단위를 용량 의존적으로 활성화하지만,

캡사이신과 낮은 pH는 극히 드물게 활성화한다.

일부 골막 단위는 냉각과 가열에 반응하고,

일부는 냉각에만 반응하며 가열에는 반응하지 않으며,

일부는 가열에만 반응하고 냉각에는 반응하지 않으며,

일부는 둘 다 반응하지 않습니다.

Bone marrow

Brjussowa and Lebedenko (1930; cited in Furusawa, 1970) studied the reaction of dogs during the injection of physiological saline under pressure into the bone marrow cavity. Monitoring blood pressure and respiration, they observed that animals experienced strong pain-like behaviors during the injection. This suggested that there must be sensory nerves in the marrow cavity that responded to increased pressure. Only two published studies however, have investigated the physiology of sensory neurons supplying the marrow cavity of bone (Furusawa, 1970; Seike, 1976). In these studies, whole nerve recordings were made from branches of the tibial nerve whilst mechanical, thermal or chemical stimuli were applied to the marrow cavity. No attempt was made to explore the activity of single units in these studies. On the basis of histological findings, the investigators suggested that recordings were exclusively from Aδ and C fiber units. However, conduction velocities were not confirmed in either study.

골수

Brjussowa와 Lebedenko(1930; Furusawa, 1970에서 인용)는

개에게 압력을 가해 생리식염수를 골수강에 주입할 때의 반응을 연구했습니다.

혈압과 호흡을 모니터링한 결과,

주사 중 동물들이 강한 통증 유사 행동을 보였으며,

이는 골수강 내 증가된 압력에 반응하는 감각 신경이 존재함을 시사했다.

그러나

골수강을 공급하는 감각 신경세포의 생리학을 조사한 발표된 연구는 단 두 건뿐이다(Furusawa, 1970; Seike, 1976).

이 연구들에서는 골수강에 기계적, 열적 또는 화학적 자극을 가하는 동안 경골 신경의 가지에서 신경 전체 기록을 수행했다. 단일 단위의 활동을 탐구하려는 시도는 이루어지지 않았다. 조직학적 소견을 바탕으로 연구자들은 기록이 Aδ 및 C 섬유 단위에서만 이루어졌다고 제안했다. 그러나 두 연구 모두에서 전도 속도는 확인되지 않았다.

Mechanical response properties

Mechanical stimuli have been delivered to the marrow cavity by increasing the normal intra-osseous pressure through infusion of isotonic saline into the medullary cavity of the bone. Normal intra-osseous pressure and the extent of the increased pressure were monitored via a manometer attached to the system. In the dog, the normal intra-osseous pressure of the tibial marrow cavity was in the range of 30–50 mmHg and an ~3–5 times increase in intra-osseous pressure (to 100–130 mmHg) was sufficient to mechanically activate multiple units in whole nerve recordings (Seike, 1976). Similar activation thresholds for whole nerve activity had previously been described by Furusawa (1970). These are very high thresholds that are unlikely to be experienced under normal physiological conditions. However, increases in intra-osseous pressure (~3–5 times that of normal intra-osseous pressure) are experienced in pathological conditions such as intra-osseous engorgement syndromes (Lemperg and Arnoldi, 1978; Arnoldi et al., 1980). In these cases, the increase in pressure is associated with pain which can be relieved by fenestration, suggesting that increased pressure in the marrow cavity produces pain.

In the study of Seike (1976) the discharge frequency increased immediately after the start of the pressure stimulation suggesting a short latency response to mechanical stimuli. The rate of discharge generally had a tendency to increase as pressure increased, and when a stable ramp of pressure was applied, the response gradually subsided as receptors appeared to slowly adapt. However, it should be noted that single units were not isolated in these studies, and so it is not clear to what extent this adaptation profile is really true of individual sensory neurons that innervate the marrow cavity.

기계적 반응 특성

기계적 자극은

뼈의 골수강에 등장성 식염수를 주입하여

정상 골내압을 증가시키는 방식으로 골수강에 전달되었다.

정상 골내압과 증가된 압력의 정도는

시스템에 부착된 압력계를 통해 모니터링되었다.

개에서 경골 골수강 내 정상 골내압은 30–50 mmHg 범위였으며,

골내압을 약 3–5배 증가시킨 경우(100–130 mmHg)

전체 신경 기록에서 다중 단위를 기계적으로 활성화시키기에 충분했다(Seike, 1976).

전체 신경 활동에 대한 유사한 활성화 역치는 이전에 Furusawa(1970)에 의해 보고된 바 있다. 이는 정상 생리학적 조건에서는 경험하기 어려운 매우 높은 역치이다. 그러나 골내 압력 증가(정상 골내 압력의 약 3~5배)는 골내 충혈 증후군(Lemperg and Arnoldi, 1978; Arnoldi et al., 1980). 이러한 경우 압력 상승은 통증과 연관되며, 창개술로 완화될 수 있어 골수강 내 압력 증가가 통증을 유발함을 시사한다.

Seike(1976)의 연구에서 방전 빈도는 압력 자극 시작 직후 증가하여 기계적 자극에 대한 짧은 잠복기 반응을 시사했다. 방전 속도는 일반적으로 압력 증가에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 안정적인 압력 상승이 가해지면 수용체가 서서히 적응하는 것처럼 반응이 점차 감소했다. 그러나 이 연구들에서 단일 단위가 분리되지 않았다는 점을 유의해야 하며, 따라서 이 적응 양상이 골수강을 신경 분포하는 개별 감각 신경세포에 실제로 어느 정도 적용되는지는 명확하지 않다.

Chemical sensitivity

Only one study has investigated the response of sensory receptors in bone marrow to chemical substances (Seike, 1976). Intramedullary administration of known algesic substances (potassium chloride, acetylcholine, histamine, serotonin, and bradykinin) to the bone marrow cavity produced an increase in whole nerve ongoing activity within a few minutes of injection at concentrations comparable to those reported for activation of muscle nociceptors (Fock and Mense, 1976). Whilst the increase in ongoing activity and the latency of the response were reported to be largely dependent on the concentration used for each substance, the extent of these changes was not quantified.

화학적 민감성

골수 내 감각 수용체의 화학적 물질 반응을 조사한 연구는 단 한 건뿐이다(Seike, 1976).

골수강 내로 알려진 통증 유발 물질(염화칼륨, 아세틸콜린, 히스타민, 세로토닌, 브래디키닌)을 투여했을 때,

근육 통각 수용체 활성화에 보고된 농도와 유사한 농도에서

주사 후 몇 분 내에 전체 신경의 지속적 활동 증가가 관찰되었다 (Fock and Mense, 1976).

지속 활동 증가와 반응 지연 시간은

각 물질의 농도에 크게 의존하는 것으로 보고되었으나,

이러한 변화의 정도는 정량화되지 않았다.

Thermal sensitivity

Seike (1976) attempted to record whole nerve activity in response to changes in temperature within the marrow cavity following a reduction in blood flow produced by ligature of the femoral artery or application of vasoconstrictors. Earlier work had reported that these manipulations produce a decrease in temperature of the bone marrow cavity (Yamada and Yoshino, 1977). The frequency of discharge in the whole nerve recordings increased within 5 min of ligature and then gradually decreased back to control levels over the next 15 min. Whilst there was a small decrease in temperature at 5 min, the change in temperature in the subsequent 15 min did not appear to correlate well with frequency of discharge. Intra-osseous injection of adrenaline and noradrenaline (vasoconstrictors) also increased the whole nerve discharge rate. Both substances produced a more significant fall in temperature within the marrow cavity, and a greater change in rate of discharge of the whole nerve, than that generated by the ligature of the femoral artery. As was the case for ligature of the femoral artery, the relationship between the change in temperature and discharge rate was not clear after the initial period of activation. Although, it seems plausible that the thermal change contributes to increased activity in the whole nerve, hypoxia is also likely to contribute to the response. Arterial occlusion results in severe hypoxia and an increase in inflammatory and/or other chemical mediators (Paterson et al., 1988). Indeed some inflammatory mediators have been shown to change whole nerve activity when applied directly to the bone marrow (see above). Thus, the change in temperature in this study may not have been the stimulus that is actually driving change in activity in the whole nerve reported by Seike (1976).

열 감도

Seike (1976)는 대퇴동맥 결찰 또는 혈관수축제 적용으로 인한 혈류 감소 후 골수강 내 온도 변화에 대한 전체 신경 활동을 기록하려 시도했다. 이전 연구에서는 이러한 조작이 골수강 온도 감소를 유발한다고 보고된 바 있다(Yamada and Yoshino, 1977).

전체 신경 기록에서 방전 빈도는

결찰 후 5분 이내에 증가한 후,

이후 15분 동안 점차 감소하여 대조군 수준으로 돌아갔다.

5분 시점에서 미미한 온도 감소가 관찰되었으나,

이후 15분 동안의 온도 변화는 방전 빈도와 잘 연관되지 않는 것으로 나타났다.

골내 아드레날린 및 노르아드레날린(혈관수축제) 주사 역시 전체 신경 방전 속도를 증가시켰다. 두 물질 모두 대퇴동맥 결찰에 비해 골수강 내 온도 하락이 더 현저했으며, 전체 신경 방출률 변화도 더 컸다. 대퇴동맥 결찰의 경우와 마찬가지로, 초기 활성화 기간 이후에는 온도 변화와 방출률 간의 관계가 명확하지 않았다. 온도 변화가 전체 신경 활동 증가에 기여할 가능성은 있지만, 저산소증 역시 반응에 기여할 가능성이 있다. 동맥 폐쇄는 심각한 저산소증과 염증성 및/또는 기타 화학 매개체의 증가를 초래한다(Paterson et al., 1988). 실제로 일부 염증 매개체는 골수에 직접 적용될 때 전체 신경 활동을 변화시키는 것으로 밝혀졌다(위 참조). 따라서 본 연구에서 관찰된 온도 변화는 세이케(1976)가 보고한 골수 전체 신경 활동 변화를 실제로 유발한 자극이 아닐 수 있다.

Summary/conclusions

Figure 3 summarizes what we know about the physiology of sensory neurons that innervate the bone marrow. In contrast to the periosteum, there is little known about the activity of afferent neurons in the bone marrow cavity. Whilst whole nerve activity has been reported subsequent to mechanical, chemical, and possibly thermal stimulation applied to the marrow cavity, the response of single units has not been investigated. Thus, it is not clear if and how single neurons that innervate the marrow cavity respond to mechanical, chemical or thermal stimuli, or if they respond to multiple stimulus types, as is the case for polymodal nociceptors in other tissue systems. It is also unknown if they can be sensitized by inflammatory mediators or other chemical stimuli.

요약/결론

그림 3은 골수를 신경 분포하는 감각 신경 세포의 생리학에 대해 현재 알려진 내용을 요약한다. 골막과 달리 골수강 내 구심성 신경 세포의 활동에 대해서는 거의 알려져 있지 않다. 골수강에 가해진 기계적, 화학적, 그리고 열적 자극 이후 전체 신경 활동이 보고된 바 있으나, 단일 단위의 반응은 연구되지 않았다. 따라서 골수강을 신경 분포하는 단일 뉴런이 기계적, 화학적 또는 열적 자극에 반응하는지, 또는 다른 조직계의 다중 모드 통각 수용체와 같이 여러 자극 유형에 반응하는지 여부는 불분명하다. 또한 염증 매개체나 다른 화학적 자극에 의해 감작될 수 있는지 여부도 알려져 있지 않다.

그림 3.

Figure 3.

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Whole nerve activity subsequent to mechanical, chemical, and thermal stimulation of the bone marrow. Whole nerve activity increases in response to mechanical stimulation delivered by increasing intra-osseous pressure. Chemical stimulation dose-dependently increases whole nerve activity. Temperature changes produced by reductions in blood flow appear to influence whole nerve activity, but this could be due to other factors associated with interruption of blood supply to the bone marrow (e.g., ischemia). Single units have not been tested for response to stimulation of the bone marrow.

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골수의 기계적, 화학적, 열적 자극에 따른 전체 신경 활동.

골내압 증가로 전달된 기계적 자극에 반응하여 전체 신경 활동이 증가한다.

화학적 자극은 용량 의존적으로 전체 신경 활동을 증가시킨다.

혈류 감소로 인한 온도 변화는 신경 전체 활동에 영향을 미치는 것으로 보이지만,

이는 골수 혈류 공급 중단(예: 허혈)과 관련된 다른 요인 때문일 수 있다.

단일 신경 단위가 골수 자극에 반응하는지는 아직 검증되지 않았다.

Physiology of central pathways that code information about bone pain

Spinal cord

Only a few animal studies have attempted to document the physiology of spinal neurons involved in bone nociception. Most of these have relied on studies of activity dependent Fos expression‎. Fos is a protein that is produced in the nucleus of cells following expression‎ of an immediate-early gene c-fos (Coggeshall, 2005), and noxious stimuli are known to induce c-fos expression‎ in neurons that possess the gene. The presence of the Fos protein, which can be labeled immunohistochemically, can therefore be used to identify the location of neurons that have been physiologically activated by noxious stimuli. Acute noxious mechanical stimulation of bone, applied by bone drilling and raising tibial intra-osseous pressure, induces an increase in Fos expression‎ in the ipsilateral superficial, but not deep dorsal horn of the spinal cord (Ivanusic, 2008; Williams and Ivanusic, 2008). This same pattern of activity has been observed in studies of Fos expression‎ following acute noxious stimulation of cutaneous tissue (Dai et al., 2001; Jinks et al., 2002) and implies that spinal mechanisms that mediate acute pain of cutaneous and bony origin share some common features. The data implicate the superficial dorsal horn of the spinal cord as a region of interest in studies of acute bone pain, but it is not known if this pattern of Fos expression‎ is different when an inflammatory stimulus is given. Indeed, when inflammatory agents are applied to other tissue systems (such as skin), the pattern shifts such that the deep dorsal horn is most active (Coggeshall, 2005). In animal models of bone cancer-induced pain and skeletal fracture pain, it appears there is increased Fos expression‎ in the deep as well as the superficial dorsal horn, and there is a significant positive correlation between Fos expression‎ and bone destruction (Schwei et al., 1999; Jimenez-Andrade et al., 2007). Interestingly, increased Fos was observed in the superficial dorsal horn in these studies only after normally innocuous stimuli were delivered to the femur by gentle mechanical stimulation (palpation). In the normal animal, noxious cutaneous stimulation is required to induce c-Fos expression‎ in superficial dorsal neurons (Hunt et al., 1987; Abbadie and Besson, 1993; Abbadie et al., 1994; Honore et al., 1995; Doyle and Hunt, 1999). This suggests that sensitization of spinal neurons is occurring in bone cancer-induced and fracture pain.

골 통증 정보를 인코딩하는 중추 경로의 생리학

척수

뼈 통각에 관여하는 척수 신경세포의 생리학을 규명하려는 동물 연구는

극소수에 불과하다.

대부분은 활동 의존적 Fos 발현 연구에 의존해 왔다.

Fos는 즉각 조기 유전자 c-fos 발현 후 세포핵에서 생성되는 단백질이다(Coggeshall, 2005).

https://www.mdpi.com/2673-4087/3/4/50

Current Opinion on the Use of c-Fos in Neuroscience

c-Fos의 합성. NMDAr 및 전압의존성 칼슘 채널을 통해 활동 전위 동안 칼슘이 뉴런으로 유입된다. 유입된 칼슘은 칼모듈린과 결합하여 CaMK II 또는 IV를 활성화시키고, 이어서 CREB를 활성화시킨다. NMDAr 활성은 또한 RasGRF1을 활성화시켜 Ras 및 c-Raf 활성화를 통해 MAPK(I, II 또는 III) 경로를 활성화시킨다. Fos 단백질의 합성 과정은 세포외 자극이 MAPK 캐스케이드를 활성화하고, Elk-1, CRE, SRF 및 rpS6 단백질이 SRE 프로모터에 결합함으로써 c-fos 유전자를 활성화하는 것으로 시작된다. 활성화된 c-fos 유전자는 핵 수준에서 c-Fos 단백질의 번역을 유도하고 이후 세포질에서 전사됩니다. 생성된 c-Fos는 세포핵으로 돌아가 c-Jun과 결합하여 AP-1 이종 이합체를 형성하며, 이는 표적 유전자의 DNA(5′TGA C/G TCA-3′ 서열)에 통합되어 원하는 반응을 유발합니다. 기본 류신 지퍼 구조는 c-Fos와 c-Jun의 결합을 가능하게 합니다.

유해 자극이 해당 유전자를 보유한 신경세포에서

c-fos 발현을 유도한다는 사실은 알려져 있다.

따라서

면역조직화학적으로 표지 가능한 Fos 단백질의 존재는

통증 자극에 의해 생리적으로 활성화된 뉴런의 위치를 식별하는 데 활용될 수 있다.

골에 대한 급성 유해 기계적 자극(골 드릴링 및 경골 골내압 상승을 통해 적용)은

척수 동측 표층(superficial)에서는 Fos 발현 증가를 유도하지만,

심층(deep)에서는 그렇지 않다(Ivanusic, 2008; Williams and Ivanusic, 2008).

피부 조직의 급성 유해 자극 후 Fos 발현 연구에서도 동일한 활동 패턴이 관찰되었으며(Dai et al., 2001; Jinks et al., 2002),

이는 피부 및 뼈 기원의 급성 통증을 매개하는 척추 기전이 일부 공통된 특징을 공유함을 시사합니다.

이 데이터는

급성 골통 연구에서 척수의 표층 후각이 관심 영역임을 시사하지만,

염증 자극이 가해질 때 이 Fos 발현 패턴이 달라지는지는 알려져 있지 않다.

실제로 다른 조직 시스템(예: 피부)에 염증 유발제를 적용하면

패턴이 변화하여 심층 후각이 가장 활발해진다(Coggeshall, 2005).

골암 유발 통증 및 골절 통증 동물 모델에서는

표층 및 심층 후각 모두에서 Fos 발현이 증가하는 것으로 보이며,

Fos 발현과 골 파괴 사이에는 유의미한 양의 상관관계가 존재한다(Schwei et al., 1999; Jimenez-Andrade et al., 2007).

흥미롭게도,

이러한 연구에서 표층 후각의 Fos 증가 현상은

정상적으로 무해한 자극(경미한 기계적 자극, 촉진)이 대퇴골에 가해진 후에만 관찰되었다.

정상 동물에서는

표층 후각 신경세포에서 c-Fos 발현을 유도하기 위해

통증을 유발하는 피부 자극이 필요하다(Hunt et al., 1987; Abbadie and Besson, 1993; Abbadie et al., 1994; Honore et al., 1995; Doyle and Hunt, 1999).

이는 골암 유발 통증과 골절 통증에서

척수 신경세포의 감작이 발생하고 있음을 시사한다.

Ascending pathways

Williams and Ivanusic (2008) used Fos expression‎ in combination with retrograde tracing to identify the ascending targets of dorsal horn neurons activated by noxious mechanical stimulation delivered by bone drilling. They reported the involvement of the spinoparabrachial pathway, but not the spinothalamic tract or the post-synaptic dorsal column in this model of acute bone nociception. This pattern of activation is different to that observed following acute noxious mechanical stimulation of cutaneous and visceral tissues (Palecek et al., 2003). Spinoparabrachial projection neurons originate predominantly from lamina I of the spinal dorsal horn and project mostly to the contralateral lateral parabrachial nucleus (Kitamura et al., 1993; Gauriau and Bernard, 2002; Almarestani et al., 2007). The lateral parabrachial nucleus connects with several areas of the brain implicated in affective-motivational aspects of nociceptive processing and homeostatic responses to nociceptive stimuli, including the amygdala, nucleus of the solitary tract, ventrolateral medulla, periaqueductal gray, medial thalamus, and hypothalamus (Bianchi et al., 1998; Almarestani et al., 2007). This reinforces connectivity consistent with a strong affective component to bone pain. Whilst Williams and Ivanusic did not provide evidence of the involvement of either the spinothalamic tract or post-synaptic dorsal column pathways in bone nociception, they could not rule out the possibility that these pathways may be involved in animal models characterized by inflammatory or chronic cancer-induced pain. As noted above, these sorts of models are characterized by greater Fos expression‎ in cells of the deep dorsal horn, and are therefore more likely to project through spinothalamic tract or post-synaptic dorsal column pathways, because the majority of cells from these pathways originate in the deep dorsal horn of the rat lumbar spinal cord.

상행 경로

Williams와 Ivanusic(2008)은

뼈 드릴링에 의한 유해한 기계적 자극으로 활성화된 등쪽 뿔 신경세포의 상행 표적을 확인하기 위해

Fos 발현과 역행 추적을 병용하였다.

그들은 이 급성 골 통각 모델에서 척추-뇌간 경로의 관여를 보고했으나,

척추-시상 경로나 시냅스 후 등쪽 기둥의 관여는 보고하지 않았다.

이러한 활성화 패턴은

피부 및 내장 조직의 급성 유해 기계적 자극 후 관찰된 패턴과는 다릅니다 (Palecek et al., 2003).

척추-부뇌교 투사 뉴런은

주로 척추 후각의 제1층에서 기원하며,

대부분 대측 측부 뇌교핵으로 투사한다(Kitamura et al., 1993; Gauriau and Bernard, 2002; Almarestani et al., 2007).

측부 파라브라키얼 핵은

통각 처리의 정서적-동기적 측면 및

통각 자극에 대한 항상성 반응과 관련된 뇌의 여러 영역과 연결됩니다.

여기에는

편도체, 고립로핵, 복측측부 수질, 뇌실주위회색질, 내측 시상, 시상하부가 포함됩니다(Bianchi et al., 1998; Almarestani et al., 2007).

이는 골통증에

강한 정서적 요소가 관여한다는 연결성을 강화한다.

Williams와 Ivanusic은 척수시상경로 또는 시냅스 후 후주경로가 골통각에 관여한다는 증거를 제시하지는 않았으나, 염증성 또는 만성 암 유발 통증이 특징인 동물 모델에서 이러한 경로가 관여할 가능성을 배제할 수 없었다. 위에서 언급한 바와 같이, 이러한 유형의 모델은 심부 후각 세포에서 더 높은 Fos 발현을 특징으로 하며, 따라서 척수시상로를 통한 투사 또는 시냅스 후 후주기 경로를 통한 투사가 더 가능성이 높다. 이는 해당 경로의 세포 대부분이 쥐 요추 척수의 심부 후각에서 기원하기 때문이다.

Cortex

Understanding the physiology of cortical neurons activated by noxious stimuli is important because the cortex is critical to the perception of pain. Only a single study has shown cortical activity related to stimulation of bone afferent neurons (Ivanusic et al., 2009). They showed that sensory information from bone reaches the discriminative areas of the somatosensory cortices by electrically stimulating the nerve to the cat humerus and recording evoked potentials on the surface of the primary (SI) and secondary (SII) somatosensory cortex. Importantly, the nerve to the cat humerus contains only small diameter myelinated and unmyelinated nerve fibers, the size distribution (Ivanusic et al., 2006) and conduction velocities (Mahns et al., 2006) of which are consistent with an Aδ and C fiber classification and therefore a role in nociception. Cortical responses evoked by Aδ stimulation in other tissue types have a relatively short latency (within 50 ms) and are thought to reflect mechanisms associated with fast, sharp pain, whilst cortical responses evoked by C fiber stimulation have a longer latency (50–300 ms) and are thought to reflect mechanisms associated with slow, burning pain (Bromm and Treede, 1984; Willis, 1985). Interestingly, the latency (6–11 ms) to onset of both SI and SII cortical responses on stimulation of the nerve to the cat humerus was consistent with activation of Aδ fibers in the peripheral nerve, and may reflect a mechanism for fast, sharp, and well-localized bone pain, of the sort commonly perceived with periosteal stimulation or in breakthrough pain associated with bone cancers. By increasing the intensity of electrical stimulation, the authors were able to show stronger cortical activation, implying that neurons in SI and SII are able to code for the intensity of stimuli applied to bone. They suggested that small stress fractures are therefore not likely to produce significant pain because the intensity of cortical activity may not be sufficient, whilst large breaks or metastases are likely to produce significant pain. This mechanism of coding for the intensity of noxious stimuli is well-documented in animal studies of the cutaneous system (Kenshalo et al., 1988, 2000; Chudler et al., 1990), and findings of functional imaging studies show that it is also likely to apply to humans (Porro et al., 1998; Coghill et al., 1999). However, the investigators failed to observe long latency cortical responses (50–300 ms) that would be consistent with C fiber activation in the nerve to the cat humerus. Whilst they provided evidence that this may be attributable to inhibition of cortical responsiveness following the initial Aδ response, they could not exclude the possibility that either C fiber projections to SI and SII are too widespread to generate focal evoked potentials of the sort that they could record, or that C fiber input from the nerve to the cat humerus does not reach SI and SII at all. It is also possible that the C fiber input instead projects to other cortical territories, such as the insula, or subcortical areas including the amygdala, nucleus of the solitary tract, ventrolateral medulla, periaqueductal gray, thalamus, and hypothalamus, that have been reported to be important in the affective, emotional aspects of pain.

대뇌 피질

유해 자극에 의해 활성화되는 대뇌 피질 뉴런의 생리학을 이해하는 것은

대뇌 피질이 통증 인식에 매우 중요하기 때문에 중요합니다.

단 하나의 연구만이

골감각 신경 자극과 관련된 피질 활동을 보여주었습니다(Ivanusic et al., 2009).

그들은 고양이 상완골로 가는 신경을 전기적으로 자극하고 일차(SI) 및 이차(SII) 체성감각 피질 표면에서 유발된 전위를 기록함으로써, 골감각 정보가 체성감각 피질의 분별 영역에 도달함을 보여주었습니다.

중요한 점은 고양이 상완골 신경에는

직경이 작은 수초화 및 비수초화 신경 섬유만 포함되어 있으며,

그 크기 분포(Ivanusic et al., 2006)와 전도 속도(Mahns et al., 2006)는

Aδ 및 C 섬유 분류와 일치하여 통각 수용에서 역할을 함을 시사합니다.

다른 조직 유형에서 Aδ 자극에 의해 유발된 피질 반응은

상대적으로 짧은 지연 시간(50ms 이내)을 가지며 빠르고 날카로운 통증과 관련된 기전을 반영하는 것으로 여겨지는 반면,

C 섬유 자극에 의해 유발된 피질 반응은 더 긴 지연 시간(50–300ms)을 가지며

느리고 타는 듯한 통증과 관련된 기전을 반영하는 것으로 여겨진다(Bromm and Treede, 1984; Willis, 1985).

흥미롭게도, 고양이 상완골 신경 자극 시 SI 및 SII 피질 반응의 발현 지연 시간(6–11ms)은 말초 신경 내 Aδ 섬유 활성화와 일치하며, 골막 자극이나 골암 관련 돌파통에서 흔히 경험하는 빠르고 날카로우며 국소화된 골통의 메커니즘을 반영할 수 있다. 전기 자극 강도를 높임으로써 저자들은 더 강한 피질 활성화를 보여줄 수 있었는데, 이는 SI 및 SII의 뉴런이 뼈에 가해진 자극의 강도를 코딩할 수 있음을 시사한다. 그들은 따라서 작은 스트레스 골절은 피질 활동의 강도가 충분하지 않을 수 있으므로 상당한 통증을 유발할 가능성이 낮고, 큰 골절이나 전이는 상당한 통증을 유발할 가능성이 높다고 제안했다.

유해 자극 강도에 대한 이러한 인코딩 메커니즘은 피부 시스템에 대한 동물 연구에서 잘 입증되어 있다(Kenshalo et al., 1988, 2000; Chudler et al., 1990)에서 잘 입증되었으며, 기능적 영상 연구 결과는 이 메커니즘이 인간에게도 적용될 가능성이 있음을 보여줍니다(Porro et al., 1998; Coghill et al., 1999). 그러나 연구자들은 고양이 상완골 신경의 C 섬유 활성화와 일치하는 긴 지연 시간(50–300 ms)의 피질 반응을 관찰하지 못했습니다. 그들은 이것이 초기 Aδ 반응에 따른 피질 반응성 억제 때문일 수 있다는 증거를 제시했지만, C 섬유가 SI 및 SII로 투사되는 범위가 너무 광범위하여 그들이 기록할 수 있는 유형의 국소 유발 전위를 생성하지 못하거나, 고양이 상완골 신경의 C 섬유 입력이 SI 및 SII에 전혀 도달하지 않을 가능성을 배제할 수 없었다. 또한 C 섬유 입력이 대신 섬엽이나 편도체, 고립로핵, 복측측부 수질, 수로주회회색질, 시상, 시상하부 등 통증의 정서적·감정적 측면에 중요하다고 보고된 피질 하부 영역으로 투사될 가능성도 있다.

Pathophysiological changes in animal models of bone pain

A number of animal models of bony pathology have been developed and are being used to explore pathophysiological and neurochemical changes, in both peripheral and central neurons, that contribute to bone pain. The most common model used is the bone cancer-induced pain model that usually involves inoculation of the rodent femur or tibia with tumor cells (Schwei et al., 1999; Medhurst et al., 2002), but models of bone fracture-induced pain are also common (Freeman et al., 2008; Minville et al., 2008).

Several pro-inflammatory cytokines (IL-1β, TNFα, IL-6, and TGFβ) and inflammatory mediators (CGRP) are increased in the DRG in response to bone cancer and fracture (Kon et al., 2001; Cho et al., 2002; Kang et al., 2005; Rundle et al., 2006; Baamonde et al., 2007; Geis et al., 2010; Fang et al., 2015; Hansen et al., 2016). In animals with bone cancer-induced pain there is also increased DRG expression‎ of several membrane receptors/channels (TRPV1, P2X3, ASIC1a/1b, Nav 1.8, and Nav 1.9) which are known to be involved in the transduction of nociceptive stimuli and/or in the excitability of nociceptors (Nagae et al., 2007; Niiyama et al., 2007; Han et al., 2012; Qiu et al., 2012; Liu et al., 2013; Li et al., 2014). Administration of selective antagonists or antisense oligodeoxynucleotides against some of these channels/receptors attenuate pain-like behaviors in animals with bone cancer pain, further reinforcing a role for these molecules in bone pain (Ghilardi et al., 2005; Gonzalez-Rodriguez et al., 2009; Kaan et al., 2010; Miao et al., 2010). In other tissue systems, inflammatory mediators sensitize peripheral nociceptors, and changes in membrane receptors/channels are likely to be involved (Kidd and Urban, 2001). However, there is no evidence that any of these inflammatory mediators directly activate or sensitize bone nociceptors, or that changes in expression‎ of the various ion channels and receptors alter the physiology or function of bone afferent neurons. Furthermore, the changes observed in the DRG were not localized to sensory neurons that innervate bone; protein expression‎ was assayed using Western blots of whole DRG lysates or quantified by immunohistochemistry performed without retrograde labeling to confirm‎ that DRG neurons innervate bone. Thus, direct evidence for a role of ion channels, receptors, and inflammatory mediators in modulating the activity of peripheral bone afferent neurons, and in regulating pain in bony pathology, is still lacking.

Some direct evidence of sensitization of peripheral nociceptors in bone cancer-induced pain was provided by Cain (Cain et al., 2001) and Uhelski (Uhelski et al., 2013). They reported increased spontaneous activity and reduced heat (but not mechanical) thresholds in peripherally recorded C fiber afferents in animals that had developed behavioral sensitivity in response to injection of tumor cells in and around the calcaneus, but not in control animals. However, in both of these studies, the tumor cells were not clearly confined to the bone, and the C fibers recorded were cutaneous afferents, and so the sensitization was not of bone afferent neurons, but rather of cutaneous afferent neurons innervating the surrounding skin. These studies are more relevant to an understanding of secondary or referred pain associated with bony pathology than the pain perceived on stimulation of the bone itself.

A number of studies have also reported changes in the central nervous system driven by pathology in bone. Increased expression‎ of spinal SP, CGRP, and other inflammatory mediators (TNF, IL-1, IL-6, CCL2, and nerve growth factor) are observed in the spinal cord of rats with fracture-induced and bone cancer-induced pain (Zhao et al., 2013; Shi et al., 2015). Bone cancer induces hypertrophy of astrocytes within the spinal cord, and elevation of the pro-hyperalgesic peptide dynorphin and c-Fos expression‎ in second order neurons of the deep dorsal horn (Schwei et al., 1999; Honore et al., 2000b; Shen et al., 2014). Bone cancer also produces alterations in the physiological response properties of second order neurons in the spinal dorsal horn. In the superficial dorsal horn of animals with bone cancer, there is enhanced spinal synaptic transmission, a higher proportion of wide dynamic range cells, and enlarged receptive field sizes in wide dynamic range cells (Urch et al., 2003; Donovan-Rodriguez et al., 2004; Yanagisawa et al., 2010). Together these changes result in a more excitable spinal cord. They are typical of central sensitization and may underly the development of chronic bone pain.

골 통증 동물 모델의 병리생리학적 변화

골 병리를 모사하는 여러 동물 모델이 개발되어 골 통증에 기여하는 말초 및 중추 신경세포의 병리생리학적·신경화학적 변화를 탐구하는 데 활용되고 있다. 가장 흔히 사용되는 모델은 골암 유발 통증 모델로, 일반적으로 설치류의 대퇴골 또는 경골에 종양 세포를 접종하는 방식이다(Schwei et al., 1999; Medhurst et al., 2002). 그러나 골절 유발 통증 모델도 흔히 사용된다(Freeman et al., 2008; Minville et al., 2008).

골암 및 골절에 반응하여

DRG에서 여러 염증성 사이토카인(IL-1β, TNFα, IL-6, TGFβ)과 염증 매개체(CGRP)가 증가한다

(Kon et al., 2001; Cho et al., 2002; Kang et al., 2005; Rundle et al., 2006; Baamonde et al., 2007; Geis et al., 2010; Fang et al., 2015; Hansen et al., 2016).

골암으로 유발된 통증이 있는 동물에서는 통각 자극의 전달 및/또는 통각 수용체의 흥분성에 관여하는 것으로 알려진 여러 막 수용체/이온 채널(TRPV1, P2X3, ASIC1a/1b, Nav 1.8, Nav 1.9)의 DRG 발현도 증가한다(Nagae et al., 2007; Niiyama et al., 2007; Han et al., 2012; Qiu et al., 2012; Liu et al., 2013; Li et al., 2014). 이러한 채널/수용체 중 일부에 대한 선택적 길항제 또는 안티센스 올리고데옥시뉴클레오티드의 투여는 골암 통증이 있는 동물에서 통증 유사 행동을 약화시켜, 이러한 분자들이 골통증에서 역할을 한다는 점을 더욱 강화합니다(Ghilardi et al., 2005; Gonzalez-Rodriguez et al., 2009; Kaan et al., 2010; Miao et al., 2010). 다른 조직 시스템에서는 염증 매개체가 말초 통각 수용체를 감작시키며, 막 수용체/이온 채널의 변화가 관여할 가능성이 있다(Kidd and Urban, 2001). 그러나 이러한 염증 매개체 중 어느 것도 뼈 통각 수용체를 직접 활성화하거나 감작시킨다는 증거는 없으며, 다양한 이온 채널 및 수용체의 발현 변화가 뼈 감각 신경 세포의 생리학적 기능이나 작용을 변화시킨다는 증거도 없다. 또한 DRG에서 관찰된 변화는 뼈를 신경 분포하는 감각 신경세포에 국한되지 않았습니다. 단백질 발현은 DRG 전체 용해물의 웨스턴 블롯 분석을 통해 측정되었거나, DRG 신경세포가 뼈를 신경 분포함을 확인하기 위해 역행성 표지 없이 수행된 면역조직화학으로 정량화되었습니다. 따라서 이온 채널, 수용체 및 염증 매개체가 말초 뼈 구심성 신경세포의 활동을 조절하고 골 병리에서 통증을 조절하는 역할에 대한 직접적인 증거는 여전히 부족합니다.

골암 유발 통증에서 말초 통각 수용체의 감작에 대한 일부 직접적 증거는 Cain(Cain et al., 2001)과 Uhelski(Uhelski et al., 2013)에 의해 제시되었다. 그들은 종양 세포를 종골 내부 및 주변에 주입하여 행동 감수성을 보인 동물에서 말초에서 기록된 C 섬유 구심성 신경의 자발적 활동이 증가하고 열(기계적은 아님) 역치가 감소했다고 보고했으나, 대조군 동물에서는 그러한 현상이 관찰되지 않았다. 그러나 두 연구 모두 종양 세포가 뼈에 명확히 국한되지 않았으며, 기록된 C 섬유는 피부 구심성 신경이었습니다. 따라서 이 감작은 뼈 구심성 신경세포가 아닌 주변 피부를 신경 분포하는 피부 구심성 신경세포의 감작이었습니다. 이러한 연구들은 뼈 자체 자극으로 인지되는 통증보다는 골 병리와 관련된 이차적 또는 전이 통증의 이해에 더 관련성이 있습니다.

또한 여러 연구에서 골 병리에 의해 유발되는 중추신경계의 변화를 보고하였다. 골절 유발 통증 및 골암 유발 통증이 있는 쥐의 척수에서는 척수성 SP, CGRP 및 기타 염증 매개체(TNF, IL-1, IL-6, CCL2, 신경성장인자)의 발현 증가가 관찰되었다(Zhao et al., 2013; Shi et al., 2015). 골암은 척수 내 성상세포의 비대를 유발하며, 심부 후각의 2차 뉴런에서 통증 과민을 촉진하는 펩타이드인 다노르핀과 c-Fos 발현을 증가시킵니다(Schwei et al., 1999; Honore et al., 2000b; Shen et al., 2014). 골암은 또한 척수 후각의 2차 뉴런의 생리적 반응 특성에 변화를 일으킵니다. 골암이 있는 동물의 표층 후각에서는 척수 시냅스 전달이 강화되고, 넓은 동적 범위 세포의 비율이 높아지며, 넓은 동적 범위 세포의 수용장 크기가 확대됩니다(Urch et al., 2003; Donovan-Rodriguez et al., 2004; Yanagisawa et al., 2010). 이러한 변화들은 종합적으로 척수의 흥분성을 증가시킵니다. 이는 중추 감작의 전형적인 특징이며 만성 골통 발생의 기저에 있을 수 있습니다.

Final conclusions

There are many studies that have reported the existence of sensory neurons that innervate the periosteum and marrow cavity, and it has become clear that most of these have a morphology and molecular phenotype consistent with a role in nociception. However, very little is known of the physiology of these neurons. The periosteum has received greater attention relative to the bone marrow, reflecting the easier access of the periosteum for experimental assessment than the marrow cavity of bone. Electrophysiological recordings of sensory neurons in both the periosteum and the bone marrow have confirmed that they both contain nociceptors likely to provide the CNS with information about bone pain. The periosteum (but not the bone marrow) is also innervated by neurons that have properties suggesting they may be stretch receptors or impart innocuous sensibility, although it is not clear if the latter is relevant to stimuli applied to bone. There is only limited evidence that peripheral bone afferent neurons can be sensitized or that they can be activated by multiple stimulus types, and at present this only exists in part for periosteal units. In the central nervous system, it is clear that spinal dorsal horn neurons can be activated by noxious stimuli applied to bone. Some can be sensitized under pathological conditions and may contribute to secondary hyperalgesia or referred pain associated with bony pathology. There are only a few studies of ascending pathways and cortical territories involved. Whilst these provide some clues as to the way information about bone pain is centrally coded, they need to be expanded to further our understanding of other central territories involved. There is a lot more to learn about the physiology of bone afferent neurons, and their central projections, before we approach an understanding that could inform the way we think about and manage bone pain.

최종 결론

골막과 골수강을 신경 분포하는 감각 신경세포의 존재를 보고한 연구가 다수 있으며, 이들 대부분이 통각 수용 역할과 일치하는 형태학적 및 분자적 표현형을 지닌다는 점이 명확해졌다. 그러나 이러한 신경세포의 생리학적 특성에 대해서는 거의 알려져 있지 않다. 골수강에 비해 골막이 실험적 평가에 더 용이한 접근성을 제공한다는 점을 반영하여, 골막은 골수에 비해 더 많은 관심을 받아왔다. 골막과 골수 모두에서 감각 신경세포의 전기생리학적 기록은 이들이 중추신경계에 골통에 관한 정보를 제공할 가능성이 있는 통각 수용체를 포함하고 있음을 확인시켜 주었다. 또한 골막(골수는 아님)은 신장 수용체이거나 무해한 감각을 전달할 수 있음을 시사하는 특성을 가진 신경세포에 의해 신경 분포를 받지만, 후자가 뼈에 가해지는 자극과 관련이 있는지는 분명하지 않다. 말초 골 감각 신경세포가 감작될 수 있거나 다양한 자극 유형에 의해 활성화될 수 있다는 증거는 제한적이며, 현재 이는 골막 단위에 대해서만 부분적으로 존재한다. 중추신경계에서는 척수 후각 신경세포가 뼈에 가해진 유해 자극에 의해 활성화될 수 있음이 분명하다. 일부는 병리적 조건 하에서 감작될 수 있으며, 뼈 병리와 관련된 이차성 통각과민증이나 전이통에 기여할 수 있다. 상행 경로와 관련된 대뇌 피질 영역에 대한 연구는 극소수에 불과하다. 이러한 연구들은 골 통증 정보가 중추에서 어떻게 인코딩되는지에 대한 단서를 제공하지만, 관련된 다른 중추 영역에 대한 이해를 심화시키기 위해서는 연구가 확대되어야 한다. 골 통증에 대한 우리의 사고 방식과 관리 방법을 제시할 수 있는 이해에 도달하기 전에, 골 구심성 신경세포와 그 중추 투사 경로의 생리학에 대해 훨씬 더 많은 연구가 필요하다.

Author contributions

SN and JI both contributed intellectually to the development of this review, including drafting and revising the manuscript. Both approved the final version to be published.

Conflict of interest statement

The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.

References

1. Abbadie C., Besson J. M. (1993). C-fos expression‎ in rat lumbar spinal cord following peripheral stimulation in adjuvant-induced arthritic and normal rats. Brain Res. 607, 195–204. 10.1016/0006-8993(93)91507-O [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
2. Abbadie C., Honore P., Besson J. M. (1994). Intense cold noxious stimulation of the rat hindpaw induces c-fos expression‎ in lumbar spinal cord neurons. Neuroscience 59, 457–468. 10.1016/0306-4522(94)90609-2 [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
3. Almarestani L., Waters S. M., Krause J. E., Bennett G. J., Ribeiro-Da-Silva A. (2007). Morphological characterization of spinal cord dorsal horn lamina I neurons projecting to the parabrachial nucleus in the rat. J. Comp. Neurol. 504, 287–297. 10.1002/cne.21410 [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
4. Arnoldi C. C. (1990). Intraosseous engorgement-pain syndromes. The pathomechanism of pain, in Bone Circulation and Bone Necrosis, eds Arlet J., Mazières B. (Berlin; Heidelberg: Springer; ), 253–259. 10.1007/978-3-642-73644-5_52 [DOI] [Google Scholar]
5. Arnoldi C. C., Djurhuus J. C., Heerfordt J., Karle A. (1980). Intraosseous phlebography, intraosseous pressure measurements and 99mTC-polyphosphate scintigraphy in patients with various painful conditions in the hip and knee. Acta Orthop. Scand. 51, 19–28. 10.3109/17453678008990764 [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
6. Aso K., Ikeuchi M., Izumi M., Sugimura N., Kato T., Ushida T., et al. (2014). Nociceptive phenotype of dorsal root ganglia neurons innervating the subchondral bone in rat knee joints. Eur. J. Pain 18, 174–181. 10.1002/j.1532-2149.2013.00360.x [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
7. Baamonde A., Curto-Reyes V., Juarez L., Meana A., Hidalgo A., Menendez L. (2007). Antihyperalgesic effects induced by the IL-1 receptor antagonist anakinra and increased IL-1beta levels in inflamed and osteosarcoma-bearing mice. Life Sci. 81, 673–682. 10.1016/j.lfs.2007.07.003 [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
8. Bianchi R., Corsetti G., Rodella L., Tredici G., Gioia M. (1998). Supraspinal connections and termination patterns of the parabrachial complex determined by the biocytin anterograde tract-tracing technique in the rat. J. Anat. 193 (Pt 3), 417–430. 10.1046/j.1469-7580.1998.19330417.x [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
9. Bjurholm A., Kreicbergs A., Brodin E., Schultzberg M. (1988). Substance P- and CGRP-immunoreactive nerves in bone. Peptides 9, 165–171. 10.1016/0196-9781(88)90023-X [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
10. Bove S. E., Flatters S. J., Inglis J. J., Mantyh P. W. (2009). New advances in musculoskeletal pain. Brain Res. Rev. 60, 187–201. 10.1016/j.brainresrev.2008.12.012 [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]