2024年2月14日，中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所高召兵課題組聯(lián)合浙江大學(xué)郭江濤課題組在Nature Chemical Biology 發(fā)表了題為Pharmacological inhibition of Kir4.1 evokes rapid-onset antidepressant responses的研究論文。該項(xiàng)工作揭示鉀通道Kir4.1是具有高度治療和研發(fā)價(jià)值的新型快速抗抑郁藥物靶點(diǎn)，同時(shí)該工作提供了一種以膠質(zhì)細(xì)胞為核心的新型抗抑郁干預(yù)策略示例。

抑郁癥是一種病因復(fù)雜、癥狀多樣的精神疾病，可從持久性的情緒低落、快感缺失等癥狀發(fā)展到產(chǎn)生自殺意念和行為。目前，抑郁癥已成為全球致殘的第一誘因，每年因抑郁癥自殺的人數(shù)高達(dá)80萬(wàn)余。據(jù)統(tǒng)計(jì)全球約有3.5億抑郁癥患者，而中國(guó)抑郁癥患者約9500萬(wàn)。全球每年抑郁癥治療費(fèi)高達(dá)300億美元，已成為全球第二大疾病負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)的抗抑郁藥物存在響應(yīng)率低、安全性不佳及患者依從性不足等缺點(diǎn)，更為突出的是起效慢，這些藥物一般需要數(shù)周甚至數(shù)月用藥才能改善病情。2019年，美國(guó)FDA批準(zhǔn)首個(gè)速效抗抑郁藥S-氯胺酮（Spravato，中文名速開朗）上市，用于治療成人難治性抑郁癥，臨床上單次用藥1-4小時(shí)即可產(chǎn)生抗抑郁療效。然而，氯胺酮臨床上一般作為麻醉劑使用，具有易成癮和致幻等特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，也被濫用為毒品，俗稱K粉。氯胺酮用于治療抑郁癥是精神疾病藥物研發(fā)領(lǐng)域的重要進(jìn)展，但同時(shí)更凸顯了臨床對(duì)快速起效抗抑郁藥物的迫切需求，以及缺少快速低毒抗抑郁藥物靶點(diǎn)的嚴(yán)峻現(xiàn)狀。

鉀離子（K⁺）通道是一類數(shù)量龐大、種類眾多的離子通道家族，其在調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性中扮演著基礎(chǔ)性作用。長(zhǎng)期以來(lái)，鉀通道被認(rèn)為是癲癇、疼痛、抑郁等疾病的潛在藥物靶點(diǎn)。目前已有KCNQ、TREK1及Kir4.1等多個(gè)鉀通道被認(rèn)為具有治療抑郁癥的潛力，其中KCNQ和TREK1的小分子調(diào)節(jié)劑分別處于臨床和臨床前研究階段。內(nèi)向整流Kir4.1鉀通道于20世紀(jì)90年代首次被克隆，與于神經(jīng)元表達(dá)鉀通道不同，Kir4.1主要定位于大腦膠質(zhì)細(xì)胞。Kir4.1被認(rèn)為介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞的“K⁺空間緩沖”功能，清除因神經(jīng)活動(dòng)而胞外累積的K⁺，從而維持大腦鉀離子穩(wěn)態(tài)，并間接調(diào)控神經(jīng)元興奮性。有報(bào)道指出，傳統(tǒng)的三環(huán)類和5-羥色胺抑制劑（SSRI）類抗抑郁藥物均具有弱Kir4.1通道的抑制活性，且抑制水平與抗抑郁藥物起效生物標(biāo)志物腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（BDNF）的表達(dá)增加呈正相關(guān)，進(jìn)一步提示該蛋白與抑郁癥的潛在關(guān)聯(lián)。近年來(lái)，浙江大學(xué)胡海嵐研究團(tuán)隊(duì)研究進(jìn)一步指出，Kir4.1鉀通道參與外側(cè)韁核腦區(qū)神經(jīng)環(huán)路對(duì)抑郁樣行為的調(diào)控，通過(guò)外源基因手段敲減或表達(dá)失活的Kir4.1通道可降低局部神經(jīng)元簇狀放電活性，從而緩解小鼠抑郁樣表型。上述研究提示小分子調(diào)控Kir4.1鉀通道可能是潛在的抗抑郁策略。然而，高選擇性Kir4.1小分子調(diào)節(jié)劑目前嚴(yán)重匱乏且效能不足，Kir4.1是否可作為抗抑郁藥物靶點(diǎn)尚不清楚，特別是其能否產(chǎn)生快速抗抑郁效應(yīng)尚未獲得證明。

高召兵課題組長(zhǎng)期從事離子通道藥理研究和新藥研發(fā),注重從具有重要功能但研究尚不充分的鉀通道龐大家族中挖掘和確證新靶點(diǎn)。在該項(xiàng)研究中，依托上海藥物所離子通道研究平臺(tái)，研究人員首先建立了靶向Kir4.1鉀通道的高通量篩選體系，篩選并發(fā)現(xiàn)了一系列Kir4.1小分子抑制劑。其中，臨床前小分子Lys05展現(xiàn)出較已有調(diào)節(jié)劑更強(qiáng)的Kir4.1抑制活性，對(duì)通道的半數(shù)有效抑制濃度為0.22??M。為評(píng)估其能否作為藥理學(xué)探針工具，研究人員著重考察了Lys05對(duì)多種Kir通道亞型、神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的鉀通道及已知抗抑郁相關(guān)靶點(diǎn)，如單胺轉(zhuǎn)運(yùn)體、離子通道和受體的活性。結(jié)果表明，相較于所有已報(bào)道抑制劑，Lys05表現(xiàn)出Kir4.1通道優(yōu)良選擇性。綜合整體評(píng)估結(jié)果，Lys05的高活性、高選擇性、適宜的藥代動(dòng)力學(xué)特征使其具備作為Kir4.1靶標(biāo)研究可靠的藥理學(xué)探針屬性。

為闡釋小分子Lys05抑制Kir4.1通道的分子機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)采用冷凍電鏡解析了Kir4.1通道與配體結(jié)合狀態(tài)下的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。在捕捉到的通道開放構(gòu)象上，Lys05被發(fā)現(xiàn)位于Kir4.1通道中央孔區(qū)，發(fā)揮阻塞鉀離子流動(dòng)作用。進(jìn)一步的電生理功能驗(yàn)證，證實(shí)了E158，I159及T128殘基是小分子發(fā)揮抑制效能的關(guān)鍵位點(diǎn)。此部分工作為L(zhǎng)ys05抑制Kir4.1鉀通道提供了分子水平的直接證據(jù)。

快速抗抑郁Kir4.1小分子抑制劑及其分子作用機(jī)制

接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)借助Lys05作為探針工具，嘗試回答了小分子抑制Kir4.1鉀通道是否能夠產(chǎn)生抗抑郁效應(yīng)這一科學(xué)問(wèn)題。研究人員發(fā)現(xiàn)，單劑量Lys05注射可以緩解外側(cè)韁核Kir4.1過(guò)表達(dá)驅(qū)動(dòng)的抑郁表型；以上市的快速起效藥物S-氯胺酮和緩慢起效抗抑郁藥物丙咪嗪為對(duì)照，在一系列嚙齒類動(dòng)物經(jīng)典抑郁模型中進(jìn)一步確證Lys05的快速抗抑郁效應(yīng)，腹腔注射1 小時(shí)后，Lys05在新奇抑制攝食模型、嗅球切除模型和皮質(zhì)酮誘導(dǎo)的抑郁癥模型中均展現(xiàn)與S-氯胺酮相媲美的快速抗抑郁療效，而丙咪嗪則需連續(xù)給藥5天后才產(chǎn)生抗抑郁效應(yīng)。以上結(jié)果表明，單劑量Lys05足以誘導(dǎo)快速抗抑郁效應(yīng)。除此之外，該研究還提供多項(xiàng)證據(jù)支持Kir4.1鉀通道是Lys05發(fā)揮體內(nèi)外效應(yīng)的作用靶點(diǎn)，包括：治療劑量下，模型動(dòng)物腦內(nèi)Lys05含量和Kir4.1通道抑制水平相契合；基于Lys05設(shè)計(jì)合成的光親和探針，可從腦組織中“垂釣”到Kir4.1蛋白，并可被低濃度Lys05競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合。特別值得指出的是，基于體外和結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，研究人員發(fā)現(xiàn)單點(diǎn)突變I159A可基本取消Lys05對(duì)通道的抑制活性；進(jìn)而研究人員構(gòu)建了I159A點(diǎn)突變敲入小鼠，發(fā)現(xiàn)Lys05的快速抗抑郁藥效被取消。

小分子Lys05通過(guò)抑制Kir4.1鉀通道展現(xiàn)快速抗抑郁活性

研究者們還考察了小分子Lys05是否具有治療窗口，通過(guò)對(duì)潛在神經(jīng)毒性和腎臟毒性進(jìn)行測(cè)試，顯示Lys05在急性和亞慢性抗抑郁治療劑量下未產(chǎn)生明顯毒副反應(yīng)，表明藥理阻斷Kir4.1鉀通道具有良好的治療窗口。

快速起效抗抑郁藥物研發(fā)是抑郁癥研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。值得提出的是，近年來(lái)研究者們致力于改造氯胺酮和賽洛西賓等致幻劑，分離其致幻作用和抗抑郁療效，并取得了顯著進(jìn)展；而基于單胺能系統(tǒng)的新型“解偶聯(lián)”調(diào)控機(jī)制也代表了一個(gè)新研發(fā)方向。高召兵和郭江濤聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)的此項(xiàng)研究工作首次證實(shí)了Kir4.1鉀通道可作為快速起效、安全的抗抑郁藥物靶點(diǎn)， Kir4.1鉀通道抑制劑可產(chǎn)生與S-氯胺酮相媲美的快速抗抑郁效應(yīng)，其全新機(jī)制可能規(guī)避氯胺酮的嚴(yán)重副反應(yīng)，為發(fā)展新一代抗抑郁藥物提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

上海藥物所周曉宇博士、許海燕博士，浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院趙成博士為論文的共同第一作者。高召兵研究員、鄭月明副研究員、浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院郭江濤為共同通訊作者。該工作還得到華東理工大學(xué)李劍教授、浙江大學(xué)胡海嵐教授、華中科技大學(xué)劉劍鋒教授、上海藥物所謝欣研究員、李揚(yáng)研究員和郭飛副研究員等的大力支持；電鏡數(shù)據(jù)收集得到浙江大學(xué)冷凍電鏡中心的大力支持。本研究受到國(guó)家杰出青年基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、國(guó)家科技創(chuàng)新2030重大計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。