ASICs——治疗神经系统相关疾病药物作用的新靶点

袁子棋,缪路荣,李光,张广钦

(1.中国药科大学临床药学教研室,江苏 南京 211198;2.西南医科大学心血管研究所医学电生理学教育部重点实验室,四川 泸州 646000)

酸敏感离子通道(acid sensing ion channels,ASICs)是一种质子门控阳离子通道[1]。ASICs的激活会引起神经元的去极化和兴奋,是学习和记忆、突触可塑性、机械感觉以及疼痛感知等病理条件的一个重要过程[2-3]。ASICs作为一种位于中枢神经系统和外周神经系统的质子感受器,在信号传递过程中发挥重要的作用[4]。组织酸化是导致ASICs激活的一个重要条件,同时也是炎症性疼痛、缺血性脑损伤、癫痫等神经系统相关疾病的常见特征。近年来发现,ASICs与神经系统相关疾病的病理过程有着密切的关系,它被认为是一个治疗神经系统相关疾病药物作用的新靶点。本文主要综述ASICs在神经系统相关疾病中的调节作用,以及ASICs相关药物的最新研究进展。

1 ASICs的结构与分布特点

ASICs由细胞膜外H+激活,属于上皮细胞钠离子通道/退化蛋白家族成员,具有6个ASIC亚基,包括ASIC1a、ASIC1b、ASIC2a、ASIC2b、ASIC3和ASIC4,并由4个基因编码。ASICs普遍具有Na+渗透性,其中ASIC1a不仅对Na+有渗透性,还对Ca2+有渗透性[5-6]。ASICs在中枢神经系统和外周神经系统广泛表达[3]。天然ASICs一般以同源或异源多聚体的形式存在,ASIC2b和ASIC4本身不能形成功能性通道,但可能与其他ASIC亚基共同表达形成异质多聚体,而其他4个ASIC亚基可以形成功能性多聚体[7]。这些多聚体在离子选择性、pH敏感性、阻断剂敏感性、动力学等方面存在差异。

2 ASICs与炎症性疼痛

疼痛是一种不愉快的感觉和情感体验,当机体遭遇伤害性刺激时,刺激会被转化为动作电位,当刺激的强度达到动作电位的阈值时会产生神经冲动,之后神经冲动沿着初级传入纤维传播到中枢神经系统,最终导致疼痛的产生[8]。许多离子通道位于初级感觉神经元中,它们与痛觉的转换、传递和调节有关,其中位于中枢神经系统和外周感觉神经元的ASICs发挥了重要的作用,它们参与感觉神经纤维和脊髓神经元对有害刺激的处理和传递过程,介导了伤害性感受[9],如在福尔马林诱导的口面部炎症性疼痛中,ASIC3和ASIC1共同参与伤害性感受的信号传递过程,导致了口面部炎症性疼痛的产生[10]。此外,ASICs的激活还会通过影响炎症因子的表达,诱导疼痛的产生,如ASIC1a的激活可以上调神经源性炎症相关因子p-p38的表达,间接影响p38/MAPK信号通路,导致前列腺炎性疼痛的产生[11]。

炎症状态下组织损伤部位会导致质子、P物质、组胺以及降钙素等物质的释放,这些炎症介质也与炎症性疼痛的产生有关。如在肌肉骨骼炎症性疼痛中[12],ASIC3的激活可以促使免疫细胞大量释放炎症介质,这些炎症介质会导致伤害性感受器的激活,诱导疼痛的产生。此外,ASICs还与炎症引起的痛觉过敏有关,如肌肉炎症所诱发的痛觉过敏中,ASIC1在原发性痛觉过敏发挥关键作用,而ASIC3主要介导的是继发性痛觉过敏[13]。综上,炎症性的疼痛与ASIC1和ASIC3有着密切的联系,它们可以作为镇痛药物作用的新靶点。

3 ASICs与中枢神经系统相关疾病

已知正常生理条件下,细胞内和细胞外的pH值保持在7.0～7.3之间。虽然正常神经元活动会导致局部pH值的改变[14],但会将胞质pH值维持在其生理范围内,pH值的改变一旦超出这个范围,可能会导致疾病的发生[15]。在神经退行性疾病,缺血性脑损伤,癫痫发作等中枢神经系统相关疾病的病理过程中,神经元过度兴奋会导致局部组织出现持续性的酸化,这往往会导致神经炎症的出现[15]。ASICs作为大脑中广泛表达的一种pH感受器,具有感知和响应微小pH值的变化的能力,这种能力在神经炎症中起关键作用[3]。

3.1 神经退行性疾病阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化症等神经退行性疾病是一种影响人类正常生活的常见疾病。神经退行性疾病的病理特征普遍包括酸中毒以及神经元的大量丢失。酸中毒的条件下,一方面可以导致慢性神经炎症的产生,另一方面会导致ASICs的异常激活[16]。研究表明ASIC1a与神经系统退行性疾病存在密切关系。ASIC1a可以通过影响线粒体功能,参与细胞的凋亡、分化和自噬过程,诱导神经元损伤,促进神经细胞死亡,推动神经退行性疾病的发展[17-19]。这主要与ASIC1a位于细胞线粒体内有关。线粒体是发生氧化磷酸化的重要部位。若线粒体功能障碍,则会导致氧化磷酸化过程受阻以及ATP生成减少,引起神经元细胞受损,促进神经细胞死亡[19]。位于细胞线粒体内的ASIC1a是线粒体通透性转换孔的重要调节因子[18],它可以通过影响线粒体功能,间接影响氧化磷酸化过程和ATP的生成,最终导致神经细胞的死亡。

神经退行性疾病的发生往往涉及多条途径。研究表明帕金森病除了与ASICs诱导多巴胺能神经元的退化有关[20],还与Parkin底物单泛素化缺陷有关,单泛素化缺陷可以增强非神经元细胞中的ASIC2a,导致兴奋性毒性的增强,进一步导致了帕金森病的发生[21]。阿尔茨海默病中,ASIC1a通过影响CA1椎体神经元中AMPA受体的数目和功能,参与AMPA受体介导的代谢性谷氨酸受体触发的长时程抑制[22]。此外,β-淀粉样蛋白(Aβ)与阿尔茨海默病的发生机制有关。研究表明Aβ可以调节海马CA1锥体神经元的内在兴奋性。而ASIC1a通过影响Aβ,参与Aβ介导的去极化反应,进而影响椎体神经元的兴奋性,推动阿尔茨海默病的发生[23]。

3.2 精神疾病杏仁核主要表达ASIC1a,它是焦虑、恐惧、抑郁等情绪行为的核心[24]。ASIC1a可以通过抑制基底外侧杏仁核兴奋发挥抗焦虑作用[25]。条件性恐惧的消除需要海马、内侧前额叶皮层(mPFC)和基底外侧杏仁核(BLA)相关回路的动态参与。ASIC1a在调节这些回路方面中发挥了关键作用,促进了恐惧记忆的消除[26]。此外在抑郁症中,ASIC1a可以影响抑郁症的生化标志物脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)的表达,如ASIC1a抑制剂可以阻止压力情绪引起的BDNF水平的降低[27]。因此, ASIC1a的抑制剂具有阻止精神疾病的发展的潜力。

3.3 缺血性疾病缺血性脑损伤的研究主要关注的是Ca2+超载引起的神经元损伤以及组织酸中毒诱发的脑神经元损伤。酸中毒或组织pH值降低与血流量减少而导致的缺氧有关,缺氧会导致乳酸堆积并伴随ATP水解释放质子,从而导致pH的下降[3]。ASIC1a作为唯一已知对Ca2+有渗透性的ASIC亚基,在酸中毒的情况下会被激活。ASIC1a的激活会促进Ca2+内流,导致胞内Ca2+大量积聚引起神经元毒性,进而促进神经元死亡[28],如在酸性条件下,ASIC1a会导致谷氨酸受体依赖性神经元的损伤,促进缺血性脑损伤的发展[29-30]。

此外,糖尿病也会加重缺血性脑损伤[31]。主要是因为使用胰岛素治疗糖尿病会产生低血糖的副作用[32]。低血糖会使缺血后灌注不足和缺血性脑损伤程度加重,ASIC1a抑制剂可以抑制这种情况的发生,表明ASIC1a与低血糖引起的灌注不足和缺血性脑损伤程度加重有关[33]。同时ASIC3也与缺血性脑损伤有关,ASIC3可以引起血管平滑肌细胞中钙库操纵的Ca2+内流增加,Ca2+增加会影响血管张力,引起对脑血管的收缩作用,促进缺血性脑损伤的发展[33]。

3.4 癫痫病Ca2+超载以及组织酸中毒诱发的神经元损伤与癫痫病也存在密切联系。Ca2+超载促进兴奋性递质谷氨酸和ATP的释放,诱导癫痫的发展[34]。癫痫病也会导致组织pH值的改变引起ASICs的激活。不同ASIC亚基所参与的癫痫类型有所不同。ASIC1a、ASIC2b和ASIC3主要与大鼠癫痫的持续性发作有关[35-36]。ASIC2a则会增强梨状皮层对癫痫发生的易感性[37],而ASIC3与ASIC1a的激活既可以抑制癫痫发作,降低癫痫发作时的严重程度[38-39],也可以导致癫痫的发生,如局灶性皮质发育不良导致的癫痫[40]以及毛果芸香碱诱导[35]的大鼠持续性癫痫都与ASICs的激活有关。因此,我们推测不同部位ASICs的激活在癫痫病中发挥的作用不同。位于抑制性中枢神经元中的ASIC1a和ASIC3可能与终止癫痫的作用机制有关,位于兴奋性抑制中枢神经元中的ASIC1a和ASIC3可能与癫痫的产生有关。

4 以ASICs为靶点的抑制剂及药物

4.1 常见的ASICs的阻断剂阿米洛利本身是一种保钾利尿剂和排钠剂,同时还是ASICs的非特异性阻断剂,被广泛用于与ASICs相关的研究。阿米洛利在炎症疼痛方面表现出了良好的镇痛作用,主要体现在鞘内注射阿米洛利和苯甲酰胺,可以阻止大鼠脊髓神经结扎模型中伤害感受的产生[41];局部外周同侧注射阿米洛利,可以用于减少5-羟色胺、辣椒素或福尔马林在酸性条件下诱导的伤害性行为[42]。阿米洛利在类风湿性关节炎中不仅可以达到镇痛的目的,还可以抑制酸化诱导的大鼠关节软骨细胞凋亡,保护线粒体功能[43]。同时,阿米洛利在治疗中枢神经系统相关疾病方面也表现出了一定的潜力。在脑缺血和帕金森模型中,阿米洛利可以通过阻断中枢神经元中的ASICs发挥神经保护作用,从而阻止疾病的发展[43-44]。阿米洛利通过抑制ASICs可以减少动物模型中的焦虑反应,研究人员对此还设计了经鼻输送阿米洛利的方式,使其可以更快地发挥抗焦虑作用[45]。此外,阿米洛利通过抑制ASIC1a和ASIC3阻止毛果芸香碱诱导的大鼠癫痫持续状态[35]。

动物毒素肽如Psalmotoxin 1(PcTx1)、Hila和APETx2作为ASICs的特异性阻断剂,通过阻断ASICs发挥镇痛作用,在镇痛方面普遍显现出了作为候选镇痛药物的潜力。此外在中枢神经系统相关疾病中PcTx1作为ASIC1a的特异性阻断剂,可以减少梗死面积,保护神经元,同时还可以防止细胞凋亡。Hila与PcTx1功能类似,它除了可以减少梗死面积,保护神经元还可以改善神经和运动功能[46],如往啮齿动物脑室内注射ASIC1a阻滞剂阿米洛利和PcTx1,可以减少短暂的大脑中动脉闭塞诱导的缺血后的梗死体积[3]。此外,APETx2是ASIC3的特异性阻断剂,能够减弱酸中毒诱导的软骨细胞毒性,抑制细胞凋亡[46]。这些毒素肽还可以通过阻断ASIC1a和ASIC3,防止低血糖诱导的缺血性灌注不足和降低缺血性脑损伤程度,阻止因ASICs激活导致的缺血后灌注不足[33]。

4.2 天然产物目前一些天然产物用于与ASICs相关的研究。这些天然产物也普遍与镇痛有关。白藜芦醇是一种存在于葡萄和红葡萄酒中的天然化合物,可以用于缓解各种条件下的疼痛。白藜芦醇的镇痛机制与ASICs有关,通过抑制ASIC3介导的电生理活动和局部的伤害性感受,达到减少伤害性行为以及减轻局部炎性疼痛的目的[48]。龙血竭总黄酮是从龙血竭提取出来的主要镇痛活性成分,它可以通过抑制ASIC3起到镇痛作用[49]。同样的姜黄素也可以通过抑制ASIC3,达到治疗福尔马林诱导的口面部炎症性疼痛的目的[50]。此外,从中草药芍药根部提取的芍药苷,可以抑制三叉神经节神经元细胞中的ASICs,在治疗口面部外周炎性疼痛中也表现出了镇痛的作用[50]。除了镇痛,芍药苷还表现出了治疗帕金森病的潜力,研究表明它与ASIC1a阻断剂有类似的作用,在帕金森病中具有神经保护的作用,具体体现在芍药苷可以延缓多巴胺能神经元丢失,减少多巴胺及其代谢物,保护多巴胺能神经元。同时,芍药苷可以通过调节ASIC1a的表达和活性,降低α-突触核蛋白的水平,改善自噬功能障碍,通过增强α-突触核蛋白的自噬降解,保护多巴胺能神经元免受6-羟基多巴胺引起的神经毒性作用[20]。

4.3 临床药物在早期的研究中,非甾体抗炎药(NSAIDs)主要通过抑制环氧化酶来发挥抗炎,解热和镇痛作用。近些年研究发现NSAIDs还可以通过抑制ASICs发挥镇痛作用,如氟比洛芬可以特异性的阻断对PcTx1敏感的ASIC1a;水杨酸及双氯芬酸可特异性的阻断ASIC3通道[51]。此外,NSAIDs通过抑制ASICs还可以发挥神经保护作用,如吡罗昔康可以通过抑制ASIC1a,用于预防脑缺血导致的神经元变性[52]。阿司匹林及其代谢物水杨酸通过抑制ASICs,用于治疗缺血性中风[53]。双氯芬酸通过阻断ASICs,用于治疗与酸中毒有关的疾病[54]。

同时中药方剂也可以用于抑制炎性疼痛的产生。骨青颗粒是在补肾方剂青蛾丸的基础上进行调整的中药方剂,它由补骨脂、骨碎补、杜仲、乌梢蛇4味中药组成。骨青颗粒可以通过抑制ASIC3的表达发挥抗炎镇痛和保护软骨的作用。在临床上骨青颗粒已经被用于治疗类风湿性关节炎并取得了良好的疗效[55]。

此外,研究表明一些抗癫痫药物主要通过激活/阻断ASICs发挥抗癫痫的作用。其中拉莫三嗪可以通过抑制ASIC1a发挥抗癫痫作用[56]。托吡酯通过增强抑制性中枢神经元上的ASIC1a同聚体的表达抑制癫痫的发作[38]。综上,不同部位ASICs的激活在癫痫病中发挥的作用不同。

5 结语与展望

综上所述,不同ASIC亚基在神经系统相关疾病的病理过程中所发挥的作用以及作用的位点不同。近年来针对神经系统相关疾病的药物大多以ASIC1a和或ASIC3为靶点。表明ASIC1a和ASIC3是对神经系统相关疾病最重要的两种ASIC亚基。此外在其他研究中还发现了有关ASIC2a和ASIC2b参与神经系统相关疾病的报道。表明其他ASIC亚基也可能参与神经系统相关疾病的病理过程,这提示可以基于不同ASIC亚基作用的差异性以及结构特性,开发选择性高,疗效好,副作用低的药物用于神经系统相关疾病的治疗。虽然开发这种药物还有很长的一段路要走,但是对于神经系统相关疾病来说ASICs是一个极具潜力的药物靶点。