从氯胺酮抗抑郁新机制探讨靶向离子通道的新药研发
本文作者：
齐昕 （上海交大医学院博士二年级）
卢剑飞（上海交大医学院博士后）
审核：
徐天乐教授
来源：离子通道研究进展 公众号
“新冠抑郁症”：起初，人们觉得这只是一场流感；后来，人们发现自己面对的是陌生的病毒、未知的预后和紧缺的防护物资；随后，亲友的离世、严控的禁足令、各种自相矛盾的谣言和疫情引发的金融动荡也压到了人们的头上。虽然新冠病毒可防可控，但是疫情带来的精神创伤却是无孔不入，击穿了许多人的心理防线。
入夏以来，草长莺飞，百花盛开，中国内地的新冠疫情防控工作已进入复工复产的新阶段，但是疫情背后的阴影却仍未消散。“新冠抑郁症”如一股暗流，慢慢浮现在大众的目光之下（图一）。流行病学调查显示，全球有3.5亿人正在饱受抑郁症的困扰[1]，随着新冠疫情席卷全球，这个数字还会增加。与巨大的临床需求相比，却是有效抗抑郁药物的严重匮乏。
图一 新冠抑郁症[2]
目前一线抗抑郁药的作用机制，主要以增加单胺类神经递质为主。比如大家熟知的百忧解，可以抑制血清素（5-HT）的重吸收，增加“快乐递质”在突触间的浓度，改善患者的情绪。但这些药物普遍起效很慢，虽然患者服药后大脑中单胺类神经递质的水平会在几小时内升高，但情绪的改善往往要到几周之后才会发生。同时，有40%以上的患者对药物不敏感，耐受性差[3]。那么面对新冠疫情造成的突如其来的人生变故，有没有能够快速起效的抗“新冠抑郁症”药物呢？
2019年3月5日，美国食品药品监督管理局（FDA）正式批准强生旗下杨森公司开发的艾司氯胺酮鼻用喷雾Spravato用于治疗难治性抑郁，该药使用4小时内即可缓解抑郁样症状（图二）[4]。同年11月国内恒瑞医药公司也拿下了国家药监局颁发的艾司氯胺酮首仿资格，并于11月28日投入生产。这是过去30多年来第一款具有新作用机制的抗抑郁药，也是抑郁症治疗史上的重要突破。
图二 Spravato治疗难治性抑郁（图片来源网络）
氯胺酮于1962年首次人工合成，是临床常用的麻醉剂，也是重症监护室常用的镇静药物。但它的镇痛机制并不是像巴比妥类那样作用在抑制性GABA(A)受体/离子通道上，而是与脑中另一种重要的离子通道——N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDA receptor，NMDAR）/离子通道密切相关（图三）[5]。
图三 NMDAR复合物及快速抗抑郁药物靶点的模型[6]
随着医学研究的深入，氯胺酮迎来了角色转变。2000年，耶鲁大学John Krystal教授团队临床研究发现，小剂量静脉注射氯胺酮可以显著缓解抑郁症状[7]。那氯胺酮治疗抑郁症的机制究竟是什么呢？研究者们众说纷纭。
2010年，耶鲁大学Ronald Duman教授团队提出，氯胺酮可以激活大脑前额叶皮层的突触内蛋白合成通路，促进树突棘的形成发挥抗抑郁的效果[8]。2016年，马里兰大学Todd Gould教授团队提出，氯胺酮快速抗抑郁的效果可能是靠其代谢物羟化去甲氯胺酮（Hydroxynorketamine，HNK）激活α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体（AMPA receptor, AMPAR）实现的[9]。2019年，康奈尔医学院Conor Liston教授认为，氯胺酮可以通过促进突触形成减轻慢性应激导致的额叶皮层损伤，发挥长期的抗抑郁作用[10]。
氯胺酮作为NMDAR抑制剂，其治疗抑郁症的机制是否也与NMDAR有关呢？浙江大学胡海岚教授团队研究发现，氯胺酮发挥抗抑郁作用的靶标是外侧缰核NMDAR。抑郁小鼠外侧缰核不仅兴奋性增加，还会发生簇状放电的现象，而这与NMDAR介导的钙内流相关。脑区注射氯胺酮可以显著抑制这种异常的兴奋性增加，缓解小鼠的抑郁症状[11]。
深究其兴奋性增加的原因，实验人员发现这与离子稳态失衡相关。胞内外离子浓度差是神经元兴奋性的决定因素。这不仅依赖神经元上离子通道及转运体的通透性，也需要周围胶质细胞的离子缓冲作用[12]。当星形胶质细胞上内向整流钾通道4.1（Inwardly rectifying potassium channel subtype 4.1，Kir4.1）表达上调，会导致细胞间隙钾离子浓度降低，使神经元胞内外钾离子浓度差增加。这种超极化会导致低电压敏感的T型钙通道（Low-voltage-sensitive T-type calcium channels，T-VSCCs）去失活，通道开放神经元去极化，NMDAR开放，最终导致快感缺失，产生抑郁症状（图四）。这一系统工作不仅为我们理解氯胺酮作用的机制提供了参考，也凸显了神经系统疾病中膜离子通道异常的普遍性，并且还强调了神经元与胶质细胞协同作用的重要性。
图四 离子稳态失衡导致神经元簇状放电[13]
离子通道介导神经元与胶质细胞的协同作用不止与抑郁症相关。上海交通大学医学院童小萍研究员发现，亨廷顿氏病小鼠星形胶质细胞上的Kir4.1表达下调，影响了钾离子的缓冲过程，细胞间累积过量的钾离子增加了纹状体中型多棘神经元兴奋性，使其更易于放电，这可能是主要引起亨廷顿氏病典型舞蹈样症状的致病原因[14]。而在缺血性中风中，Kir4.1缺陷也会加重轴突髓鞘的损伤，影响神经功能[15]。这一系列研究不仅再次突出了神经元与胶质细胞功能的协调性，也为针对离子稳态平衡开发神经调节剂提供了理论参考。
得益于晶体解析及计算机科学的发展，新一代的药物开发不再依赖偶然实验所得，而是可以有针对性的对潜在化合物结合口袋进行高通量的计算和对接，虚拟筛选和生物学实验并重，大大提高了开发和转化效率。基于这一理念，中科院上海药物所蒋华良院士与高召兵研究员及华东师范大学阳怀宇教授合作对已有的药物库进行筛选，发现靶向离子流通孔道的小分子可以作为电压门控钾通道共激动剂发挥抗癫痫的作用[16]。
延续该模式，阳怀宇教授和中科院上海药物研究所李扬研究员合作，针对在离子稳态中发挥重要作用的双孔钾通道变构位点进行了精确解析，并验证了抑制钾离子漏电流，改变神经元静息电位，从而改善抑郁症状的科学假设[17]。
在此基础上，阳怀宇教授团队又与四川大学华西医院蒋若天研究员课题组合作，通过计算机辅助药物设计，靶向潜在结合口袋筛选出了首个TASK-3通道（TWIK-related acid-sensitive K+ 3 channel）选择性激动剂，并以调节剂作为工具，揭示了该通道的镇痛潜力[18]，为离子通道新靶标确证研究提供了范式（图五）。
图五 分子设计获得TASK-3的选择性激动剂[18]
这些研究都提示我们，膜离子通道具有广阔的药物研发前景。然而，从离子通道中挖掘新靶标仍面临两大难题：1）已知靶标主要来自于表型筛选或偶然发现，而对疾病发生发展过程中离子通道作用及异常的规律和分子基础的认识十分有限；2）选择性调控剂和精准干预手段缺乏，致使大量功能性离子通道无法成为治疗靶标。虽然以氯胺酮为代表的新型抗抑郁药研发搭上了离子通道的快车，但是我们是不是就可以摆脱抑郁症的困扰，从此高枕无忧了呢？事实并非如此。从FDA开具的书面报告中，我们可以看到氯胺酮是在带着枷锁舞蹈。三期临床试验显示，不仅四项试验中只有两项到达了主要终点，急性解离、眩晕、恶心等一系列不良事件也使得氯胺酮的流通被限定在有医疗监测条件的诊所和医院。抗抑郁药的研发仍然有很长的路要走。大规模靶向离子通道的靶标发现及新药研发将有赖于对神经系统疾病发生发展过程中离子通道作用及异常规律和分子基础的全面认识。
参考文献
推荐阅读及相关链接
[1] 胡海岚课题组网站链接：
http://www.hailanhu-lab.net/zw/index.html
[2] 童小萍课题组网站链接：
http://daoshi.shsmu.edu.cn/Pages/TeacherInformationView.aspx?uid=1771021a-0aec-40a0-917a-b1e089354237&from=s&pId=&tId=710
[3] 蒋华良课题组网站链接:
http://sourcedb.simm.cas.cn/zw/zjrc/200906/t20090622_1763505.html
[4] 高召兵课题组网站链接:
http://sourcedb.simm.cas.cn/zw/zjrc/201609/t20160930_4672227.html
[5] 阳怀宇课题组网站链接：
http://www.biomed.ecnu.edu.cn/98/cf/c9347a104655/page.htm
[6] 李扬课题组网站链接：
http://sourcedb.simm.cas.cn/zw/zjrc/200911/t20091117_2656783.html
[7] 蒋若天课题组网站链接：
http://yjs.cd120.com/showteacher.asp?id=747
本文作者：
齐昕 （上海交大医学院博士二年级）
卢剑飞（上海交大医学院博士后）
审核：
徐天乐教授
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