引言
缺血性卒中由于其高发病率、高致残率和高致死率，已然构成全世界人民健康的威胁【1】，然而临床一直缺乏有效的靶向治疗药物，因此，针对脑卒中的致病机制以及药物靶点研究也一直备受关注。在缺血性卒中早期病理过程中，由于存在缺血局部脑组织酸化和经典的神经递质谷氨酸大量释放，传统观点一直认为谷氨酸过度激活N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）介导的神经元死亡是主要的病理事件。然而，以NMDAR作为靶点进行拮抗治疗的临床试验发现，卒中患者预后无显著改善，且出现精神症状等副作用甚至增加患者死亡率【2】，后续研究证实，阻断NMDAR可能会对突触可塑性、认知行为和其他重要神经功能造成负面影响，因此NMDAR并不适合作为治疗缺血性卒中的靶点。
2024年7月10日，上海交通大学医学院附属第六人民医院耳鼻咽喉头颈外科殷善开/时海波教授研究团队在Nature发表题为Glutamate acts on acid-sensing ion channels to worsen ischaemic brain injury的研究论文。在该项研究工作中，研究人员首次发现谷氨酸通过正向变构调节酸敏感离子通道 (ASICs) ，增加ASIC介导的电流从而加剧缺血性脑损伤，并筛选出拮抗谷氨酸与ASIC结合的小分子化合物LK-2，LK-2不影响NMDAR受体本身活性，展现了靶向治疗缺血性脑损伤的潜力。
ASICs是一类广泛表达于中枢神经系统，由细胞外H+激活的非选择性阳离子通道，参与学习、恐惧记忆等生理过程，也与脑卒中和慢性疼痛等疾病密切相关【3】。该研究的合作者上海交通大学医学院基础医学院徐天乐教授团队已于突触可塑性、神经环路及动物行为等多角度、多层面揭示了ASICs的重要作用。为了证实谷氨酸对ASICs的直接作用，研究人员利用基因转染、细胞电生理以及微量热涌动结合分析等十余项实验技术，综合分析了谷氨酸对ASICs的激活、去敏感化等通道动力学的作用，测定了谷氨酸量效曲线以及单通道开放概率、电导等指标，开创性地提出了谷氨酸以及谷氨酸结构类似物是ASICs正向变构调节剂的概念，揭示了经典神经递质谷氨酸与缺血性卒中脑损伤的全新关联和分子基础。更令研究人员惊讶的是，传统NMDAR拮抗药物DL-AP5同样可以发挥促进ASICs开放的作用，这意味着既往研究中用于保护神经元的药物恰恰可能发挥杀伤神经细胞的作用。因此，该研究在一定程度上也解释了过去拮抗NMDAR药物治疗卒中反而加重病情的原因。研究团队在体缺血性卒中模型实验显示，与野生型模型小鼠相比，ASICs基因缺失小鼠的脑梗死体积减小了60%；一系列的细胞死亡实验也证实，pH为6.5至7.0，也就是非缺血核心区脑组织的pH值的弱酸性环境中，谷氨酸促进ASICs而非传统认为的NMDAR活性发挥最强的神经损伤作用，拮抗ASICs开放即可有效减轻神经元损伤，进一步表明谷氨酸增强ASICs的活性是造成缺血性卒中脑损伤的主要因素。目前尚无直接靶向离子通道治疗缺血性卒中的有效药物，是否存在既可阻断谷氨酸与ASICs结合以减轻缺血性卒中脑损伤，又可最大限度减少对NMDAR正常生理功能的干扰以减轻其副作用的“一举两得”的小分子药物呢？为了回答这一问题，研究人员首先联想到，既然与谷氨酸化学结构相似的小分子可以促进ASICs活性，或许同样可能存在减弱ASICs活性的小分子。因此，研究团队利用计算机模拟以及高通量虚拟筛选、基因定点突变和细胞电生理等技术，揭示了ASICs 细胞外结构域中存在谷氨酸结合口袋，同时合成了一种小分子化合物LK-2，它可与谷氨酸“争夺”该结合口袋，从而阻止谷氨酸与ASICs结合。更重要的是，该化合物拮抗谷氨酸与ASICs结合的半数抑制浓度（IC50）仅为拮抗NMDAR IC50的1/10，这意味着LK-2在阻断谷氨酸与ASICs结合的同时又最低限度影响NMDAR的功能。基于一系列细胞死亡实验及在体缺血性卒中模型研究结果，研究团队证实，LK-2发挥了理想的神经保护作用，与对照组相比，LK-2减轻了约53.6%的脑梗死体积。药代动力学测试结果表明LK-2的终末消除半衰期为2.297 小时，其神经保护作用在卒中发作后的关键治疗时间窗内。最后，研究团队通过转棒运动能力及运动学习试验发现，LK-2可改善缺血性卒中康复模型小鼠的运动功能及学习认知行为。研究表明，LK-2作为一种阻止谷氨酸-ASICs结合的小分子化合物，有望为开发治疗缺血性卒中的靶向药物提供参考。该研究报道了一种缺血性卒中脑损伤新的病理机制，谷氨酸正向变构调节ASICs活性加剧神经元损伤；提出了卒中干预新策略及证据，发现了一种既能减轻脑损伤又能避免副作用“一举两得”新的小分子化合物。从更为普遍的意义上来看，一种神经递质也许不仅只有一种配体，也不仅只发挥一种生物学效应。近年来，越来越多令人振奋的研究结果证实了上述观点。该研究再一次强有力地证明了，即使作为经典兴奋性神经递质的谷氨酸，在病理状态下，也可因过高的浓度与ASICs结合产生不可逆的损伤作用。
参考文献
1. GBD 2016 Lifetime Risk of Stroke Collaborators, Feigin VL, Nguyen G, et al. Global, Regional, and Country-Specific Lifetime Risks of Stroke, 1990 and 2016. N Engl J Med. 2018;379(25):2429-2437.2. O'Collins VE, Macleod MR, Donnan GA, Horky LL, van der Worp BH, Howells DW. 1,026 experimental treatments in acute stroke. Ann Neurol. 2006;59(3):467-477.3. Wemmie JA, Chen J, Askwith CC, et al. The acid-activated ion channel ASIC contributes to synaptic plasticity, learning, and memory. Neuron. 2002;34(3):463-477.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07684-7
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文章来源|“BioArt”
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