Nature：上海交大殷善開/時(shí)海波團(tuán)隊(duì)首次揭示谷氨酸通過酸敏感離子通道加重缺血性腦損傷，并提出治療新策略

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來源：生物世界

2024-07-11

研究首次發(fā)現(xiàn)，谷氨酸通過正向變構(gòu)調(diào)節(jié)酸敏感離子通道（ASIC），增加ASIC介導(dǎo)的電流，從而加劇缺血性腦損傷，并篩選出拮抗谷氨酸與ASIC結(jié)合的小分子化合物——LK-2，展現(xiàn)了其靶向治療缺血性腦損傷的潛力。

缺血性卒中由于其高發(fā)病率、高致殘率和高致死率，已然構(gòu)成全世界人民健康的威脅，然而臨床一直缺乏有效的靶向治療藥物，因此，針對腦卒中的致病機(jī)制以及藥物靶點(diǎn)研究也一直備受關(guān)注。

在缺血性卒中早期病理過程中，由于存在缺血局部腦組織酸化和經(jīng)典的神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸大量釋放，傳統(tǒng)觀點(diǎn)一直認(rèn)為谷氨酸過度激活N-甲基-D-天冬氨酸受體（NMDAR）介導(dǎo)的神經(jīng)元死亡是主要的病理事件。然而，以NMDAR作為靶點(diǎn)進(jìn)行拮抗治療的臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，卒中患者預(yù)后無顯著改善，且出現(xiàn)精神癥狀等副作用甚至增加患者死亡率，后續(xù)研究證實(shí)，阻斷NMDAR可能會(huì)對突觸可塑性、認(rèn)知行為和其他重要神經(jīng)功能造成負(fù)面影響，因此，NMDAR并不適合作為治療缺血性卒中的靶點(diǎn)。

2024年7月10日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科殷善開教授、時(shí)海波教授團(tuán)隊(duì)（賴軻、劉珍齊為共同第一作者）在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Nature 上發(fā)表了題為：Glutamate acts on acid-sensing ion channels to worsen ischaemic brain injury 的研究論文。

該研究首次發(fā)現(xiàn)，谷氨酸通過正向變構(gòu)調(diào)節(jié)酸敏感離子通道（ASIC），增加ASIC介導(dǎo)的電流，從而加劇缺血性腦損傷，并篩選出拮抗谷氨酸與ASIC結(jié)合的小分子化合物——LK-2，展現(xiàn)了其靶向治療缺血性腦損傷的潛力。

酸敏感離子通道（ASIC）是一類廣泛表達(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，由細(xì)胞外氫離子（H⁺）激活的非選擇性陽離子通道，參與學(xué)習(xí)、恐懼記憶等生理過程，也與腦卒中和慢性疼痛等疾病密切相關(guān)。

該研究的合作者上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院/松江研究院徐天樂教授團(tuán)隊(duì)已于突觸可塑性、神經(jīng)環(huán)路及動(dòng)物行為等多角度、多層面揭示了ASIC的重要作用。

為了證實(shí)谷氨酸對ASICs的直接作用，研究團(tuán)隊(duì)利用基因轉(zhuǎn)染、細(xì)胞電生理以及微量熱涌動(dòng)結(jié)合分析等十余項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，綜合分析了谷氨酸對ASIC的激活、去敏感化等通道動(dòng)力學(xué)的作用，測定了谷氨酸量效曲線以及單通道開放概率、電導(dǎo)等指標(biāo)，開創(chuàng)性地提出了谷氨酸以及谷氨酸結(jié)構(gòu)類似物是ASIC正向變構(gòu)調(diào)節(jié)劑的概念，揭示了經(jīng)典神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸與缺血性卒中腦損傷的全新關(guān)聯(lián)和分子基礎(chǔ)。

更令研究團(tuán)隊(duì)驚訝的是，傳統(tǒng)NMDAR拮抗藥物DL-AP5同樣可以發(fā)揮促進(jìn)ASIC開放的作用，這意味著既往研究中用于保護(hù)神經(jīng)元的藥物恰恰可能發(fā)揮殺傷神經(jīng)細(xì)胞的作用。因此，該研究在一定程度上也解釋了過去拮抗NMDAR藥物治療卒中反而加重病情的原因。

研究團(tuán)隊(duì)在體缺血性卒中模型實(shí)驗(yàn)顯示，與野生型模型小鼠相比，ASIC基因缺失小鼠的腦梗死體積減小了60%；一系列的細(xì)胞死亡實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，pH為6.5-7.0（也就是非缺血核心區(qū)腦組織的pH值）的弱酸性環(huán)境中，谷氨酸促進(jìn)ASIC而非傳統(tǒng)認(rèn)為的NMDAR活性發(fā)揮最強(qiáng)的神經(jīng)損傷作用，拮抗ASIC開放即可有效減輕神經(jīng)元損傷，進(jìn)一步表明谷氨酸增強(qiáng)ASIC的活性是造成缺血性卒中腦損傷的主要因素。

目前尚無直接靶向離子通道治療缺血性卒中的有效藥物，是否存在既可阻斷谷氨酸與ASIC結(jié)合以減輕缺血性卒中腦損傷，又可最大限度減少對NMDAR正常生理功能的干擾以減輕其副作用的“一舉兩得”的小分子藥物呢？

為了回答這一問題，研究團(tuán)隊(duì)首先聯(lián)想到，既然與谷氨酸化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的小分子可以促進(jìn)ASIC活性，或許同樣可能存在減弱ASIC活性的小分子。因此，研究團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)模擬以及高通量虛擬篩選、基因定點(diǎn)突變和細(xì)胞電生理等技術(shù)，揭示了ASIC細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域中存在谷氨酸結(jié)合口袋，同時(shí)合成了一種小分子化合物——LK-2，它可與谷氨酸“爭奪”該結(jié)合口袋，從而阻止谷氨酸與ASIC結(jié)合。更重要的是，該化合物拮抗谷氨酸與ASIC結(jié)合的半數(shù)抑制濃度（IC₅₀）僅為拮抗NMDAR IC₅₀的1/10，這意味著LK-2在發(fā)揮阻斷谷氨酸與ASIC結(jié)合的同時(shí)又最低限度影響NMDAR的功能。

LK-2

基于一系列細(xì)胞死亡實(shí)驗(yàn)及在體缺血性卒中模型研究結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)， LK-2發(fā)揮了理想的神經(jīng)保護(hù)作用，與對照組相比，LK-2減輕了約53.6%的腦梗死體積。藥代動(dòng)力學(xué)測試結(jié)果表明LK-2的終末消除半衰期為2.297 小時(shí)，其神經(jīng)保護(hù)作用在卒中發(fā)作后的關(guān)鍵治療時(shí)間窗內(nèi)。

最后，研究團(tuán)隊(duì)通過轉(zhuǎn)棒運(yùn)動(dòng)能力及運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，LK-2可改善缺血性卒中康復(fù)模型小鼠的運(yùn)動(dòng)功能及學(xué)習(xí)認(rèn)知行為。這些研究表明，LK-2作為一種阻止谷氨酸-ASIC結(jié)合的小分子化合物，有望為開發(fā)治療缺血性卒中的靶向藥物提供參考。

LK-2靶向ASIC上的谷氨酸結(jié)合位點(diǎn)具有神經(jīng)保護(hù)作用

總的來說，該研究報(bào)道了一種缺血性卒中腦損傷新的病理機(jī)制，谷氨酸正向變構(gòu)調(diào)節(jié)ASIC活性加劇神經(jīng)元損傷；提出了卒中干預(yù)新策略及證據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一種既能減輕腦損傷又能避免副作用“一舉兩得”新的小分子化合物。

從更為普遍的意義上來看，一種神經(jīng)遞質(zhì)也許不僅只有一種配體，也不僅只發(fā)揮一種生物學(xué)效應(yīng)。近年來，越來越多令人振奮的研究結(jié)果證實(shí)了上述觀點(diǎn)。該研究再一次強(qiáng)有力地證明了，即使作為經(jīng)典興奮性神經(jīng)遞質(zhì)的谷氨酸，在病理狀態(tài)下，也可因過高的濃度與ASIC結(jié)合產(chǎn)生不可逆的損傷作用。該研究結(jié)果印證了唐代詩人皇甫曾的詩句“秋花偏似雪，楓葉不禁霜。”

圖注：如果將大腦比作一棵楓樹，血管則是樹干，是楓葉的供養(yǎng)來源，當(dāng)局部楓葉受到霜雪以及光照的雙重刺激時(shí)，這部分楓葉即可變紅。類比本研究中缺血性腦損傷病理?xiàng)l件時(shí)，當(dāng)局部血管梗阻引起腦組織缺血缺氧，H⁺（光照）以及谷氨酸（霜雪）濃度升高促進(jìn)ASIC通道開放從而導(dǎo)致神經(jīng)元壞死（變紅）。

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