本文作者：
齊昕 （上海交大醫學院博士二年級）
盧劍飛（上海交大醫學院博士後）
審核：
徐天樂教授
來源：離子通道研究進展
「新冠抑鬱症」：起初，人們覺得這只是一場流感；後來，人們發現自己面對的是陌生的病毒、未知的預後和緊缺的防護物資；隨後，親友的離世、嚴控的禁足令、各種自相矛盾的謠言和疫情引發的金融動蕩也壓到了人們的頭上。雖然新冠病毒可防可控，但是疫情帶來的精神創傷卻是無孔不入，擊穿了許多人的心理防線。
入夏以來，草長鶯飛，百花盛開，中國內地的新冠疫情防控工作已進入復工復產的新階段，但是疫情背後的陰影卻仍未消散。「新冠抑鬱症」如一股暗流，慢慢浮現在大眾的目光之下（圖一）。流行病學調查顯示，全球有3.5億人正在飽受抑鬱症的困擾[1]，隨著新冠疫情席捲全球，這個數字還會增加。與巨大的臨床需求相比，卻是有效抗抑鬱藥物的嚴重匱乏。
圖一 新冠抑鬱症[2]
目前一線抗抑鬱藥的作用機制，主要以增加單胺類神經遞質為主。比如大家熟知的百憂解，可以抑制血清素（5-HT）的重吸收，增加「快樂遞質」在突觸間的濃度，改善患者的情緒。但這些藥物普遍起效很慢，雖然患者服藥後大腦中單胺類神經遞質的水平會在幾小時內升高，但情緒的改善往往要到幾周之後才會發生。同時，有40%以上的患者對藥物不敏感，耐受性差[3]。那麼面對新冠疫情造成的突如其來的人生變故，有沒有能夠快速起效的抗「新冠抑鬱症」藥物呢？
2019年3月5日，美國食品藥品監督管理局（FDA）正式批准強生旗下楊森公司開發的艾司氯胺酮鼻用噴霧Spravato用於治療難治性抑鬱，該藥使用4小時內即可緩解抑鬱樣症狀（圖二）[4]。同年11月國內恆瑞醫藥公司也拿下了國家藥監局頒發的艾司氯胺酮首仿資格，並於11月28日投入生產。這是過去30多年來第一款具有新作用機制的抗抑鬱藥，也是抑鬱症治療史上的重要突破。
圖二 Spravato治療難治性抑鬱（圖片來源網絡）
氯胺酮於1962年首次人工合成，是臨床常用的麻醉劑，也是重症監護室常用的鎮靜藥物。但它的鎮痛機制並不是像巴比妥類那樣作用在抑制性GABA(A)受體/離子通道上，而是與腦中另一種重要的離子通道——N-甲基-D-天冬氨酸受體（NMDA receptor，NMDAR）/離子通道密切相關（圖三）[5]。
圖三 NMDAR複合物及快速抗抑鬱藥物靶點的模型[6]
隨著醫學研究的深入，氯胺酮迎來了角色轉變。2000年，耶魯大學John Krystal教授團隊臨床研究發現，小劑量靜脈注射氯胺酮可以顯著緩解抑鬱症狀[7]。那氯胺酮治療抑鬱症的機制究竟是什麼呢？研究者們眾說紛紜。
2010年，耶魯大學Ronald Duman教授團隊提出，氯胺酮可以激活大腦前額葉皮層的突觸內蛋白合成通路，促進樹突棘的形成發揮抗抑鬱的效果[8]。2016年，馬裡蘭大學Todd Gould教授團隊提出，氯胺酮快速抗抑鬱的效果可能是靠其代謝物羥化去甲氯胺酮（Hydroxynorketamine，HNK）激活α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體（AMPA receptor, AMPAR）實現的[9]。2019年，康奈爾醫學院Conor Liston教授認為，氯胺酮可以通過促進突觸形成減輕慢性應激導致的額葉皮層損傷，發揮長期的抗抑鬱作用[10]。
氯胺酮作為NMDAR抑制劑，其治療抑鬱症的機制是否也與NMDAR有關呢？浙江大學胡海嵐教授團隊研究發現，氯胺酮發揮抗抑鬱作用的靶標是外側韁核NMDAR。抑鬱小鼠外側韁核不僅興奮性增加，還會發生簇狀放電的現象，而這與NMDAR介導的鈣內流相關。腦區注射氯胺酮可以顯著抑制這種異常的興奮性增加，緩解小鼠的抑鬱症狀[11]。
深究其興奮性增加的原因，實驗人員發現這與離子穩態失衡相關。胞內外離子濃度差是神經元興奮性的決定因素。這不僅依賴神經元上離子通道及轉運體的通透性，也需要周圍膠質細胞的離子緩衝作用[12]。當星形膠質細胞上內向整流鉀通道4.1（Inwardly rectifying potassium channel subtype 4.1，Kir4.1）表達上調，會導致細胞間隙鉀離子濃度降低，使神經元胞內外鉀離子濃度差增加。這種超極化會導致低電壓敏感的T型鈣通道（Low-voltage-sensitive T-type calcium channels，T-VSCCs）去失活，通道開放神經元去極化，NMDAR開放，最終導致快感缺失，產生抑鬱症狀（圖四）。這一系統工作不僅為我們理解氯胺酮作用的機制提供了參考，也凸顯了神經系統疾病中膜離子通道異常的普遍性，並且還強調了神經元與膠質細胞協同作用的重要性。
圖四 離子穩態失衡導致神經元簇狀放電[13]
離子通道介導神經元與膠質細胞的協同作用不止與抑鬱症相關。上海交通大學醫學院童小萍研究員發現，亨廷頓氏病小鼠星形膠質細胞上的Kir4.1表達下調，影響了鉀離子的緩衝過程，細胞間累積過量的鉀離子增加了紋狀體中型多棘神經元興奮性，使其更易於放電，這可能是主要引起亨廷頓氏病典型舞蹈樣症狀的致病原因[14]。而在缺血性中風中，Kir4.1缺陷也會加重軸突髓鞘的損傷，影響神經功能[15]。這一系列研究不僅再次突出了神經元與膠質細胞功能的協調性，也為針對離子穩態平衡開發神經調節劑提供了理論參考。
得益於晶體解析及計算機科學的發展，新一代的藥物開發不再依賴偶然實驗所得，而是可以有針對性的對潛在化合物結合口袋進行高通量的計算和對接，虛擬篩選和生物學實驗並重，大大提高了開發和轉化效率。基於這一理念，中科院上海藥物所蔣華良院士與高召兵研究員及華東師範大學陽懷宇教授合作對已有的藥物庫進行篩選，發現靶向離子流通孔道的小分子可以作為電壓門控鉀通道共激動劑發揮抗癲癇的作用[16]。
延續該模式，陽懷宇教授和中科院上海藥物研究所李揚研究員合作，針對在離子穩態中發揮重要作用的雙孔鉀通道變構位點進行了精確解析，並驗證了抑制鉀離子漏電流，改變神經元靜息電位，從而改善抑鬱症狀的科學假設[17]。
在此基礎上，陽懷宇教授團隊又與四川大學華西醫院蔣若天研究員課題組合作，通過計算機輔助藥物設計，靶向潛在結合口袋篩選出了首個TASK-3通道（TWIK-related acid-sensitive K+ 3 channel）選擇性激動劑，並以調節劑作為工具，揭示了該通道的鎮痛潛力[18]，為離子通道新靶標確證研究提供了範式（圖五）。
圖五 分子設計獲得TASK-3的選擇性激動劑[18]
這些研究都提示我們，膜離子通道具有廣闊的藥物研發前景。然而，從離子通道中挖掘新靶標仍面臨兩大難題：1）已知靶標主要來自於表型篩選或偶然發現，而對疾病發生發展過程中離子通道作用及異常的規律和分子基礎的認識十分有限；2）選擇性調控劑和精準幹預手段缺乏，致使大量功能性離子通道無法成為治療靶標。
雖然以氯胺酮為代表的新型抗抑鬱藥研發搭上了離子通道的快車，但是我們是不是就可以擺脫抑鬱症的困擾，從此高枕無憂了呢？事實並非如此。從FDA開具的書面報告中，我們可以看到氯胺酮是在帶著枷鎖舞蹈。三期臨床試驗顯示，不僅四項試驗中只有兩項到達了主要終點，急性解離、眩暈、噁心等一系列不良事件也使得氯胺酮的流通被限定在有醫療監測條件的診所和醫院。抗抑鬱藥的研發仍然有很長的路要走。大規模靶向離子通道的靶標發現及新藥研發將有賴於對神經系統疾病發生發展過程中離子通道作用及異常規律和分子基礎的全面認識。
參考文獻：
[1] GBD 2017 Disease and Injury Incidence and Prevalence Collaborators (2018) Global, regional, and national incidence, prevalence, and years lived with disability for 354 diseases and injuries for 195 countries and territories, 1990–2017: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2017. The Lancet. 392:1789-858.
[2] https://durangoherald.com/articles/318970-mental-health-professionals-share-insight-into-coping-with-covid19#
[3] Rosenzweig-Lipson S, Beyer CE, Hughes ZA, Khawaja X, Rajarao SJ, Malberg JE, Rahman Z, Ring RH, Schechter LE (2007) Differentiating antidepressants of the future: efficacy and safety. Pharmacology & Therapeutics. 113:134-53.
[4] https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-new-nasal-spray-medication-treatment-resistant-depression-available-only-certified
[5] Lodge D (2009) The history of the pharmacology and cloning of ionotropic glutamate receptors and the development of idiosyncratic nomenclature. Neuropharmacology. 56:6-21.
[6] Duman RS, Shinohara R, Fogaa MV, Hare B (2019) Neurobiology of rapid-acting antidepressants: convergent effects on GluA1-synaptic function. Molecular Psychiatry. 24:1816–1832.
[7] Berman RM, Cappiello A, Anand A, Oren DA, Heninger GR, Charney DS, Krystal JH (2000) Antidepressant effects of ketamine in depressed patients. Biological Psychiatry. 47:351-354.
[8] Li N, Lee B, Liu RJ, Banasr M, Dwyer JM, Iwata M, Li XY, Aghajanian G, Duman RS (2010) mTOR-dependent synapse formation underlies the rapid antidepressant effects of NMDA antagonists. Science. 329:959-964.
[9] Zanos P, Moaddel R, Morris PJ, Georgiou P, Fischell J, Elmer GI, Alkondon M, Yuan P, Pribut HJ, Singh NS, Dossou KS, Fang Y, Huang XP, Mayo CL, Wainer IW, Albuquerque EX, Thompson SM, Thomas CJ, Zarate CA Jr, Gould TD (2016) NMDAR inhibition-independent antidepressant actions of ketamine metabolites. Nature. 533:481-486.
[10] Moda-Sava RN, Murdock MH, Parekh PK, Fetcho RN, Huang BS, Huynh TN, Witztum J, Shaver DC, Rosenthal DL, Alway EJ, Lopez K, Meng Y, Nellissen L, Grosenick L, Milner TA, Deisseroth K, Bito H, Kasai H, Liston C (2019) Sustained rescue of prefrontal circuit dysfunction by antidepressant-induced spine formation. Science. 364:eaat8078.
[11] Yang Y, Cui Y, Sang K, Dong Y, Ni Z, Ma S, Hu H (2018) Ketamine blocks bursting in the lateral habenula to rapidly relieve depression. Nature. 544:317-322.
[12] Cui Y, Yang Y, Ni Z, Dong Y, Cai G, Foncelle A, Ma S, Sang K, Tang S, Li Y, Shen Y, Berry H, Wu S, Hu H (2018) Astroglial Kir4.1 in the lateral habenula drives neuronal bursts in depression. Nature. 544:323-327.
[13] Hu H, Cui Y, Yang Y (2020) Circuits and functions of the lateral habenula in health and in disease. Nature Review Neuroscience. 21:277-295.
[14] Tong X, Ao Y, Faas GC, Nwaobi SE, Xu J, Haustein MD, Anderson MA, Mody I, Olsen ML, Sofroniew MV, Khakh BS (2014) Astrocyte Kir4.1 ion channel deficits contribute to neuronal dysfunction in Huntington's disease model mice. Nature Neuroscience. 17:694-703.
[15] Song F, Hong X, Cao J, Ma G, Han Y, Cepeda C, Kang Z, Xu T, Duan S, Wan J, Tong X (2018) Kir4.1 channels in NG2-glia play a role in development, potassium signaling, and ischemia-related myelin loss. Communications Biology. 1:80.
[16] Li P, Chen Z, Xu H, Sun H, Li H, Liu H, Yang H, Gao Z, Jiang H, Li M (2013) The gating charge pathway of an epilepsy-associated potassium channel accommodates chemical ligands. Cell Research. 23:1106-1118.
[17] Luo Q, Chen L, Cheng X, Ma Y, Li X, Zhang B, Li L, Zhang S, Guo F, Li Y, Yang H (2017) An allosteric ligand-binding site in the extracellular cap of K2P channels. Nature Communications. 8:378.
[18] Liao P, Qiu Y, Mo Y, Fu J, Song Z, Huang L, Bai S, Wang Y, Zhu JJ, Tian F, Chen Z, Pan N, Sun EY, Yang L, Lan X, Chen Y, Huang D, Sun P, Zhao L, Yang D, Lu W, Yang T, Xiao J, Li WG, Gao Z, Shen B, Zhang Q, Liu J, Jiang H, Jiang R, Yang H (2019) Selective activation of TWIK-related acid-sensitive K(+) 3 subunit-containing channels is analgesic in rodent models. Science Translational Medicine. 11:eaaw8434
*除標註外，圖片來自網絡