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瞬時受體電位6型通道在重大中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中病理生理機制及其作為藥物靶點的前景

2017-01-15 16:30屈忠偉王以政軍事醫(yī)學研究院軍事認知與腦科學研究所北京100850
中國藥理學與毒理學雜志 2017年11期
關鍵詞:離子通道樹突靶點

屈忠偉,張 慧,王以政(軍事醫(yī)學研究院軍事認知與腦科學研究所,北京 100850)

腦卒中、阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease,AD)和癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病不僅嚴重影響患者的健康,而且造成極大的社會負擔。在中國,腦卒中已成為致殘率第一、致死率第二的疾病,每年用于該疾病的治療費用>100億;目前AD患者人數(shù)已>800萬,預測2040年患病人數(shù)或將達到2600萬。癲癇因其致殘率高、病程長等特點亦嚴重損害患者生理及心理健康,對患者及家庭造成嚴重負擔。流行病學調(diào)查顯示,我國癲癇患病率為0.4%~0.7%,由此推算目前在我國有600萬~900萬癲癇患者。臨床上70%~80%患者在服用抗癲癇藥物后癥狀得到控制,但仍有20%~25%的患者癥狀控制不理想,稱為難治性癲癇[1]。因此,重大腦疾病的防治在中國的腦研究計劃中占有重要組成部分。近年來大量研究發(fā)現(xiàn),離子通道在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展中扮演重要角色,逐漸成為開發(fā)防治神經(jīng)系統(tǒng)疾病的重要藥物靶點。

瞬時受體電位(transient receptor potential,TRP)通道最早在果蠅中被發(fā)現(xiàn)并克隆出來[2-3]。目前被發(fā)現(xiàn)的TRP家族成員已>30種[4],而根據(jù)序列同源性,這些成員又被分為7個亞家族:TRPC(TRP canonical),TRPV(TRP vanilloid),TRPM(TRP melastatin),TRPML(TRP muco-lipin),TRPN(TRP NOMP-C),TRPA(TRP ankyrin)和 TRPP(TRP polycystic)家族[5]。TRP亞基為六次跨膜蛋白,它們以同源或異源四聚體形式組成可通透Ca2+,Mg2+和Na+等離子的非選擇性陽離子通道。TRP通道在哺乳動物體內(nèi)廣泛分布,尤其是神經(jīng)系統(tǒng)。越來越多的研究表明,TRPC家族成員,尤其是TRPC6參與了許多中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)疾病的發(fā)生發(fā)展過程。本文將簡述近年來TRPC6在CNS中的生理功能及其在疾病狀態(tài)下的病理改變,總結其作為藥物靶點治療疾病的前景。

1 TRPC6的激活方式及其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的生理功能

TRPC家族包括7個成員,根據(jù)序列同源性,又可分為3個亞家族,包括TRPC1/4/5,TRPC2和TRPC3/6/7[6]。其中 TRPC6亞基含有6個跨膜結構域(S1~S6),在S5和S6之間形成孔區(qū),以同源或異源四聚體形式組成非選擇性陽離子通道。該通道可通過多種形式被激活:①TRPC6通道可被磷脂酶C(phospholipase C,PLC)催化產(chǎn)生的甘油二酯(diacylglycerol,DAG)或其類似物1-油酰基-2-乙?;?sn-丙三醇(1-oleoyl-2-acetyl-sn-glycerol,OAG)直接激活[7-9];② Src家族成員Fyn也可使TRPC6磷酸化而使其活化[10];③ TRPC6通道活性也受到細胞內(nèi)外鈣離子濃度的調(diào)節(jié)[11],當細胞外鈣離子濃度在0.1~1 mmol·L-1或細胞內(nèi)鈣離子在濃度20~200 nmol·L-1時,TRPC6通道活性上調(diào);而當胞內(nèi)外鈣離子濃度進一步升高時,TRPC6通道活性受到抑制;④TRPC6通道也可被一些天然化合物激活,如貫葉金絲桃素(hyperforin)[12]。

TRPC6在神經(jīng)系統(tǒng)有著廣泛的表達,7~14 d齡大鼠的海馬組織中表達量達到峰值[13],提示TRPC6在神經(jīng)元的發(fā)育階段發(fā)揮著重要的作用。近年研究發(fā)現(xiàn),TRPC6參與諸多神經(jīng)發(fā)育的生理過程。

首先,TRPC6參與神經(jīng)元生長錐的導向[14]。腦內(nèi)神經(jīng)網(wǎng)絡的建立是大腦執(zhí)行功能的前提。因此,神經(jīng)元軸突如何精確地投射到下游功能核團和靶細胞一直是神經(jīng)科學領域的研究重點。研究表明,TRPC3和TRPC6介導的鈣離子內(nèi)流參與了腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)誘導的小腦顆粒細胞軸突生長錐的導向。在此過程中,阻斷TRPC通道活性,或敲低TRPC3和TRPC6表達后,均能有效地阻斷BDNF誘導的軸突生長錐導向。

其次,TRPC6促進小腦顆粒細胞的存活[15]。體外培養(yǎng)的小腦顆粒細胞在血清剝奪條件下大量死亡,而外源性給予BDNF后細胞死亡明顯減少。進一步研究發(fā)現(xiàn),這種保護作用是通過誘導TRPC3和TRPC6通道的開放、進鈣并激活環(huán)磷酸腺苷反應元件結合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)信號通路實現(xiàn)的。在體敲除TRPC3或TRPC6,會導致小腦顆粒細胞的大量死亡。

第三,TRPC6參與樹突的生長和樹突棘形成[13,16]。樹突正常的生長發(fā)育和樹突棘的形成是神經(jīng)元之間建立突觸聯(lián)系、傳遞信號及神經(jīng)網(wǎng)絡建立中重要的環(huán)節(jié)。而樹突發(fā)育異常則會影響智力發(fā)育或導致疾病的發(fā)生,如唐氏綜合征[17]和X染色體易裂癥[18]等。研究發(fā)現(xiàn),大鼠海馬神經(jīng)元中TRPC6蛋白表達的高峰期與樹突最大生長期重合。體內(nèi)外實驗均證明,TRPC6過表達可增加鈣調(diào)蛋白激酶Ⅳ(calmodulin-dependent kinaseⅣ,CaMKⅣ)和CREB的磷酸化水平及樹突生長[13]。同時體外實驗發(fā)現(xiàn),TRPC6表達被敲低后,樹突生長受到抑制。進一步研究發(fā)現(xiàn),在培養(yǎng)的大鼠海馬神經(jīng)元中,敲低TRPC6表達,樹突棘的數(shù)目明顯減少[13]。而在TRPC6轉基因小鼠體內(nèi),海馬神經(jīng)元的樹突棘數(shù)量明顯增加,并且小鼠的空間學習和記憶能力明顯增強[13]。

綜上所述,TRPC6的穩(wěn)定表達和激活在神經(jīng)元的存活、樹突的生長發(fā)育及神經(jīng)網(wǎng)絡的建立過程中都發(fā)揮著重要的作用。

2 TRPC6在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的病理改變

正常范圍內(nèi)的鈣離子濃度可調(diào)節(jié)神經(jīng)元的多種功能,如神經(jīng)元興奮性和突觸可塑性等,而鈣離子濃度異常則可能導致神經(jīng)元死亡[19-20]。作為Ca2+通道,TRPC6在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育階段發(fā)揮著重要的生理功能。此外,大量研究表明,TRPC6的表達異常參與許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理過程[21-22]。如在缺血性腦卒中,TRPC6表達下降;在AD病人腦組織中,TRPC6表達同樣下調(diào);而癲癇病人皮質中TRPC6表達上升。

2.1 TRPC6在缺血性腦卒中表達的變化

缺血性腦卒中具有高致殘率、高致死率和高復發(fā)率的特點。雖然大量研究表明,N-甲基-D-天冬氨酸(N-Methyl-D-aspartic acid receptor,NMDA)受體介導的大量鈣離子內(nèi)流是造成缺血性腦卒中過程中神經(jīng)元損傷的主要原因,但以NMDA受體為靶點開發(fā)的藥物因同時抑制了其正常生理功能,進而產(chǎn)生嚴重的副作用,臨床試驗結果并不理想[23-24]。在此基礎上,研究者提出通過激活或維持神經(jīng)元自身的促存活信號通路作為對抗神經(jīng)元損傷的新策略。

杜婉璐等[25]研究發(fā)現(xiàn),在大鼠大腦中動脈局灶缺血模型中,半暗帶區(qū)TRPC6蛋白被NMDA受體介導激活的蛋白水解酶卡配因(calpain)切割,進而發(fā)生降解,同時CREB信號通路被抑制。而無論是直接抑制卡配因的激活還是通過設計的小肽阻斷卡配因對TRPC6的切割,都可減少TRPC6的降解并維持CREB信號通路的激活,進而減少缺血誘導的神經(jīng)元損傷,并且顯著提高模型大鼠術后的行為學評分和存活率。在隨后的進一步研究中發(fā)現(xiàn),TRPC6對神經(jīng)元的保護功能是通過抑制NMDA受體的活性實現(xiàn)的[26]。此外,也有研究發(fā)現(xiàn),在缺血發(fā)生后,側腦室立即給予TRPC6激動劑貫葉金絲桃素同樣可減少TRPC6降解并激活CREB信號通路,減少腦組織梗死面積[27]。另外,TRPC6表達上調(diào)在大鼠視網(wǎng)膜缺血模型中同樣對視神經(jīng)節(jié)細胞起到保護作用[28]。相反的是,Chen等[29]研究發(fā)現(xiàn),在小鼠腦皮質區(qū)缺血后,TRPC6的表達增加誘導的Na+內(nèi)流激活了NMDA受體,造成胞內(nèi)鈣超載和神經(jīng)元損傷。而敲除TRPC6則可減少缺血誘導的神經(jīng)元死亡。雖然,目前造成這些差異的原因尚不明確,但可肯定的是,在缺血性腦卒中過程中,維持TRPC6蛋白的穩(wěn)定表達及正常生理功能可抑制缺血誘導的NMDA受體過度活化、減少鈣離子內(nèi)流,維持神經(jīng)元內(nèi)鈣離子穩(wěn)態(tài),進而減少缺血造成的神經(jīng)元損傷。

2.2 TRPC6在阿爾茨海默病中表達的變化

β淀粉樣蛋白(β-amyloid protein,Aβ)的大量產(chǎn)生被認為與AD發(fā)生相關。Aβ由β分泌酶和γ分泌酶切割淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)產(chǎn)生,而α分泌酶切割APP則產(chǎn)生神經(jīng)營養(yǎng)因子可溶性APPα(soluble APPα,sAPPα)[30]。γ分泌酶除切割底物APP外,還包括Notch和鈣黏蛋白(cadherin)等等[31]。因此,以抑制γ分泌酶活性為靶點開發(fā)的藥物,會引起包括認知障礙和免疫系統(tǒng)異常等一系列嚴重的副作用[32]。能特異性地抑制γ分泌酶對APP的切割而不影響γ分泌酶對其他底物的作用成為當前AD藥物開發(fā)的一個難點。

關于鈣通道與胞內(nèi)鈣離子濃度對Aβ形成的研究已有大量報道。如有研究發(fā)現(xiàn),突觸上NMDA受體的激活可誘導α分泌酶切割APP,從而減少Aβ的形成[33]。TRPC6作為鈣離子通道,具有促進神經(jīng)元樹突的生長和樹突棘的形成及促神經(jīng)元存活,并增強小鼠空間學習和記憶能力[13,15-16]。此外也有研究發(fā)現(xiàn),γ分泌酶的重要組成成分早老素2(presenilin 2)影響TRPC6介導的鈣離子內(nèi)流入HEK293細胞[34]。提示TRPC6可能參與了AD的病理過程。王軍峰等[35]在體外研究中發(fā)現(xiàn),TRPC6蛋白與APP結合后阻斷了γ分泌酶對APP切割位點的識別,從而以不依賴自身通道活性的方式,特異性地減少了Aβ的產(chǎn)生,同時不影響γ分泌酶對其他底物的切割。隨后他們鑒定出TRPC6蛋白487-508位氨基酸序列阻斷了γ分泌酶對APP的切割,并合成了帶有穿膜肽序列及該段序列的融合肽段。在APP/PS1轉基因的AD模型小鼠體內(nèi)注射該肽段,在不影響γ分泌酶對Notch等底物切割的條件下,可有效減少Aβ的產(chǎn)生和老年斑的形成,并顯著提高小鼠的空間學習和記憶能力。在隨后的大樣本、多中心臨床研究中發(fā)現(xiàn),與無認知功能障礙的對照組相比,輕度認知障礙患者及不同臨床分期的AD患者血液中TRPC6的mRNA水平均明顯降低。對AD患者死后的額葉和顳葉組織進行免疫組織化學檢測發(fā)現(xiàn),TRPC6表達明顯減少[36]。這些結果提示,外周血液中TRPC6的mRNA水平可作為AD早期臨床診斷的生物標志物,并通過ROC曲線分析發(fā)現(xiàn),檢測血液中TRPC6的mRNA水平與檢測腦脊液中Aβ42具有相似的診斷精確性。

2.3 TRPC6在癲癇中表達的變化

癲癇是一種以癇性發(fā)作為主要特征的神經(jīng)系統(tǒng)疾病,其神經(jīng)病理基礎為神經(jīng)元異常興奮和大腦神經(jīng)元異常同步放電。病因包括腦損傷、腦卒中、顱內(nèi)腫瘤和顱內(nèi)感染等。癲癇發(fā)作可導致皮質、杏仁核及海馬區(qū)神經(jīng)元死亡,并伴有海馬硬化(hippocampal sclerosis,HS)、苔蘚纖維出芽(mossy fiber sprouting,MFS)和突觸重建等腦結構和功能的變化。已有大量研究表明,鈣離子通道參與癲癇的發(fā)病過程,例如L型鈣通道的抑制劑尼卡地平(nicardipine)無論在體內(nèi)還是在體外的癲癇模型中都可有效阻斷MFS。TRPC6作為鈣離子通道,一方面,在海馬區(qū),尤其是齒狀回,具有豐富的表達[37];另一方面,又具有參與神經(jīng)元軸突生長錐導向、促進樹突生長和樹突棘形成的能力。提示TRPC6可能參與了癲癇的病理過程。

目前,關于TRPC6在癲癇的病理過程中的功能尚無統(tǒng)一的結論,主要觀點有2種:①TRPC6可能參與了癲癇形成過程。Zeng等[38]研究發(fā)現(xiàn),在匹羅卡品(pilocarpine)誘導的持續(xù)癲癇模型小鼠的海馬CA3區(qū),TRPC3和TRPC6的表達都有明顯的升高。在此過程中通過抗體中和TRPC3可減少MFS,而用抗體中和TRPC6則可減少CA3區(qū)錐體神經(jīng)元的樹突分支數(shù)量和樹突棘的數(shù)目。此外,在患有難治性癲癇患者的腦皮質樣本中,同樣發(fā)現(xiàn)TRPC3和TRPC6的表達明顯升高。這些結果提示,TRPC3可能參與了匹羅卡品誘導的MFS,TRPC6參與了突觸重建的過程。Zheng等[39]研究發(fā)現(xiàn),構成頑固性癲癇重要病因之一的局灶皮質發(fā)育不良癥(focal cortical dysplasia,F(xiàn)CD)患者皮質組織中TRPC6,BDNF和CaMKⅣ表達明顯增加。上述結果提示,TRPC6可能參與了癲癇的形成過程。②TRPC6抑制神經(jīng)元對癲癇刺激的敏感性。Kim等[40]發(fā)現(xiàn),在匹羅卡品誘導的癲癇模型大鼠海馬CA1、CA3和齒狀回TRPC6的表達水平是降低的,并參與了癲癇誘導的神經(jīng)元死亡。進一步研究發(fā)現(xiàn),TRPC6的穩(wěn)定表達可降低神經(jīng)元對驚厥刺激的敏感性及對抗神經(jīng)元損傷。

綜上,TRPC6很可能同時參與癲癇的形成過程及癲癇誘導的神經(jīng)元死亡過程。但其具體機制仍不明確,可能的原因為海馬區(qū)不同的細胞亞群參與了癲癇誘導的不同的病理過程[41],但有待進一步的研究。

3 TRPC6作為藥物靶點的研究現(xiàn)狀

離子通道具有調(diào)節(jié)膜電位、影響基因表達等能力,參與機體許多重要生理功能,如信號傳導、肌肉伸縮、感覺傳導、血壓調(diào)節(jié)和細胞增殖等。而離子通道的表達或活性異常則會誘發(fā)多種系統(tǒng)疾病,如循環(huán)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等。因此,將離子通道作為藥物開發(fā)靶點治療疾病存在巨大潛力。

TRPC6參與許多CNS疾病的病理過程。特異性地控制TRPC6的表達調(diào)節(jié),有可能減少或減緩疾病的發(fā)生發(fā)展。雖然,目前關于TRPC6異常病理變化的機制還不明確,但可以總結得出主要有以下2種方式:①通過影響通道活性,介導下游信號通路的激活;②通過其自身蛋白表達量變化影響相關酶與底物的結合?;谏鲜?種假說,TRPC6作為藥物靶點進行藥物開發(fā)可從以下3個方面探索。

第一,篩選、開發(fā)TRPC6特異性的激動劑和抑制劑。研究表明,可通過調(diào)節(jié)TRPC6離子通道活性對疾病進行干預,但目前尚無TRPC6特異性的激動劑和抑制劑。研究較明確且廣泛應用的TRPC6非特異性激動劑僅有貫葉金絲桃素[42]。在貫葉金絲桃素對上述3種疾病的研究報道中,多數(shù)報道認為,其對于缺血性卒中具有保護作用,但也有研究得到相反結論。因此,對于貫葉金絲桃素治療缺血性卒中仍有待進一步探究。對于AD而言,貫葉金絲桃素能夠減少Aβ的沉積及其誘發(fā)的神經(jīng)毒性,從而減輕認知損傷。目前對于貫葉金絲桃素治療癲癇的研究同樣存在爭議,但因研究較少尚無定論。研究發(fā)現(xiàn),貫葉金絲桃素除激活TRPC6外,還具有質子載體的性質,可誘導線粒體釋放鋅離子和鈣離子等[43-44]。另外,也有一些研究人員試圖從化合物庫中篩選TRPC6特異性的激動劑。Sawamura等人從8000個化合物中篩選得到了兩個TRPC6的激動劑PPZ1和PPZ2,而且這兩個化合物具有促進神經(jīng)元樹突生長和促進神經(jīng)元存活的能力[45]。雖然實驗結果顯示這兩個化合物還可以激活TRPC3和TRPC7,但為進一步的開發(fā)提供了方向。

第二,以TRPC6為靶點開發(fā)肽類藥物。多肽類藥物在臨床上已早有應用,從胰島素到谷胱甘肽,再至催產(chǎn)素和內(nèi)啡肽等。在大鼠局灶腦缺血模型中,使用設計合成的小肽阻斷卡配因對TRPC6的切割可有效保護缺血誘導的腦損傷。同樣,在AD小鼠模型中,通過小肽阻斷γ分泌酶對APP的作用同樣可減少Aβ的產(chǎn)生,提高小鼠的空間學習記憶能力。這些結果提示,肽類藥物在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中同樣可發(fā)揮良好的效果。當然,除了制備困難、抗原性及易降解等缺點,神經(jīng)系統(tǒng)肽類藥物的開發(fā)還面臨著給藥方式、血腦屏障通透性等問題,需要在進一步的研究中解決。

第三,以調(diào)控TRPC6表達的信號通路為靶點開發(fā)藥物。TRPC6在神經(jīng)元中的穩(wěn)定表達對維持神經(jīng)系統(tǒng)的生理功能至關重要。研究發(fā)現(xiàn),TRPC6在神經(jīng)元中的表達受到興奮性神經(jīng)遞質谷氨酸的調(diào)控[46]。一方面,谷氨酸可通過NMDA受體1型亞基(NMDA receptor subunit 1,NR1)和2A型亞基(NR2A)組成的離子通道(NR1/NR2A)鈣神經(jīng)素信號通路誘導TRPC6轉錄和翻譯增加;另一方面,谷氨酸又可通過NR1和2B型亞基(NR2B)組成的離子通道(NR1/NR2B)激活卡配因介導TRPC6的降解。因此可以針對調(diào)控TRPC6表達的信號通路開發(fā)藥物,從而影響TRPC6在神經(jīng)元中的表達,進而達到治療目的。但目前研究尚少,潛在風險仍待進一步評估。

4 展望

綜上,TRPC6在正常生理狀態(tài)下具有促進神經(jīng)元軸突生長錐導向、樹突生長和興奮性突觸形成等功能。同時大量研究表明,TRPC6的病理生理學改變在缺血性腦卒中、AD和癲癇等CNS疾病中亦發(fā)揮著重要作用。研究表明,干預TRPC6的表達及通道活性可影響缺血造成的神經(jīng)元死亡、Aβ產(chǎn)生及癲癇形成過程,有望成為治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病新靶點。雖然,新一步闡明TRPC6在相關神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的病理機制、增加藥物特異性和減少藥物副作用等問題還有待深入研究,但是,從篩選、開發(fā)TRPC6特異性激動劑和抑制劑、以TRPC6為靶點開發(fā)肽類藥物及以調(diào)控TRPC6表達的信號通路這3個方面探索藥物開發(fā)存在巨大潛力。

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