ASICs
——治療神經系統相關疾病藥物作用的新靶點

袁子棋,繆路榮,李光,張廣欽

(1.中國藥科大學臨床藥學教研室,江蘇 南京 211198;2.西南醫科大學心血管研究所醫學電生理學教育部重點實驗室,四川 瀘州 646000)

酸敏感離子通道(acid sensing ion channels,ASICs)是一種質子門控陽離子通道[1]。ASICs的激活會引起神經元的去極化和興奮,是學習和記憶、突觸可塑性、機械感覺以及疼痛感知等病理條件的一個重要過程[2-3]。ASICs作為一種位于中樞神經系統和外周神經系統的質子感受器,在信號傳遞過程中發揮重要的作用[4]。組織酸化是導致ASICs激活的一個重要條件,同時也是炎癥性疼痛、缺血性腦損傷、癲癇等神經系統相關疾病的常見特征。近年來發現,ASICs與神經系統相關疾病的病理過程有著密切的關系,它被認為是一個治療神經系統相關疾病藥物作用的新靶點。本文主要綜述ASICs在神經系統相關疾病中的調節作用,以及ASICs相關藥物的最新研究進展。

1 ASICs的結構與分布特點

ASICs由細胞膜外H+激活,屬于上皮細胞鈉離子通道/退化蛋白家族成員,具有6個ASIC亞基,包括ASIC1a、ASIC1b、ASIC2a、ASIC2b、ASIC3和ASIC4,并由4個基因編碼。ASICs普遍具有Na+滲透性,其中ASIC1a不僅對Na+有滲透性,還對Ca2+有滲透性[5-6]。ASICs在中樞神經系統和外周神經系統廣泛表達[3]。天然ASICs一般以同源或異源多聚體的形式存在,ASIC2b和ASIC4本身不能形成功能性通道,但可能與其他ASIC亞基共同表達形成異質多聚體,而其他4個ASIC亞基可以形成功能性多聚體[7]。這些多聚體在離子選擇性、pH敏感性、阻斷劑敏感性、動力學等方面存在差異。

2 ASICs與炎癥性疼痛

疼痛是一種不愉快的感覺和情感體驗,當機體遭遇傷害性刺激時,刺激會被轉化為動作電位,當刺激的強度達到動作電位的閾值時會產生神經沖動,之后神經沖動沿著初級傳入纖維傳播到中樞神經系統,最終導致疼痛的產生[8]。許多離子通道位于初級感覺神經元中,它們與痛覺的轉換、傳遞和調節有關,其中位于中樞神經系統和外周感覺神經元的ASICs發揮了重要的作用,它們參與感覺神經纖維和脊髓神經元對有害刺激的處理和傳遞過程,介導了傷害性感受[9],如在福爾馬林誘導的口面部炎癥性疼痛中,ASIC3和ASIC1共同參與傷害性感受的信號傳遞過程,導致了口面部炎癥性疼痛的產生[10]。此外,ASICs的激活還會通過影響炎癥因子的表達,誘導疼痛的產生,如ASIC1a的激活可以上調神經源性炎癥相關因子p-p38的表達,間接影響p38/MAPK信號通路,導致前列腺炎性疼痛的產生[11]。

炎癥狀態下組織損傷部位會導致質子、P物質、組胺以及降鈣素等物質的釋放,這些炎癥介質也與炎癥性疼痛的產生有關。如在肌肉骨骼炎癥性疼痛中[12],ASIC3的激活可以促使免疫細胞大量釋放炎癥介質,這些炎癥介質會導致傷害性感受器的激活,誘導疼痛的產生。此外,ASICs還與炎癥引起的痛覺過敏有關,如肌肉炎癥所誘發的痛覺過敏中,ASIC1在原發性痛覺過敏發揮關鍵作用,而ASIC3主要介導的是繼發性痛覺過敏[13]。綜上,炎癥性的疼痛與ASIC1和ASIC3有著密切的聯系,它們可以作為鎮痛藥物作用的新靶點。

3 ASICs與中樞神經系統相關疾病

已知正常生理條件下,細胞內和細胞外的pH值保持在7.0～7.3之間。雖然正常神經元活動會導致局部pH值的改變[14],但會將胞質pH值維持在其生理范圍內,pH值的改變一旦超出這個范圍,可能會導致疾病的發生[15]。在神經退行性疾病,缺血性腦損傷,癲癇發作等中樞神經系統相關疾病的病理過程中,神經元過度興奮會導致局部組織出現持續性的酸化,這往往會導致神經炎癥的出現[15]。ASICs作為大腦中廣泛表達的一種pH感受器,具有感知和響應微小pH值的變化的能力,這種能力在神經炎癥中起關鍵作用[3]。

3.1 神經退行性疾病阿爾茨海默病、帕金森病、多發性硬化癥等神經退行性疾病是一種影響人類正常生活的常見疾病。神經退行性疾病的病理特征普遍包括酸中毒以及神經元的大量丟失。酸中毒的條件下,一方面可以導致慢性神經炎癥的產生,另一方面會導致ASICs的異常激活[16]。研究表明ASIC1a與神經系統退行性疾病存在密切關系。ASIC1a可以通過影響線粒體功能,參與細胞的凋亡、分化和自噬過程,誘導神經元損傷,促進神經細胞死亡,推動神經退行性疾病的發展[17-19]。這主要與ASIC1a位于細胞線粒體內有關。線粒體是發生氧化磷酸化的重要部位。若線粒體功能障礙,則會導致氧化磷酸化過程受阻以及ATP生成減少,引起神經元細胞受損,促進神經細胞死亡[19]。位于細胞線粒體內的ASIC1a是線粒體通透性轉換孔的重要調節因子[18],它可以通過影響線粒體功能,間接影響氧化磷酸化過程和ATP的生成,最終導致神經細胞的死亡。

神經退行性疾病的發生往往涉及多條途徑。研究表明帕金森病除了與ASICs誘導多巴胺能神經元的退化有關[20],還與Parkin底物單泛素化缺陷有關,單泛素化缺陷可以增強非神經元細胞中的ASIC2a,導致興奮性毒性的增強,進一步導致了帕金森病的發生[21]。阿爾茨海默病中,ASIC1a通過影響CA1椎體神經元中AMPA受體的數目和功能,參與AMPA受體介導的代謝性谷氨酸受體觸發的長時程抑制[22]。此外,β-淀粉樣蛋白(Aβ)與阿爾茨海默病的發生機制有關。研究表明Aβ可以調節海馬CA1錐體神經元的內在興奮性。而ASIC1a通過影響Aβ,參與Aβ介導的去極化反應,進而影響椎體神經元的興奮性,推動阿爾茨海默病的發生[23]。

3.2 精神疾病杏仁核主要表達ASIC1a,它是焦慮、恐懼、抑郁等情緒行為的核心[24]。ASIC1a可以通過抑制基底外側杏仁核興奮發揮抗焦慮作用[25]。條件性恐懼的消除需要海馬、內側前額葉皮層(mPFC)和基底外側杏仁核(BLA)相關回路的動態參與。ASIC1a在調節這些回路方面中發揮了關鍵作用,促進了恐懼記憶的消除[26]。此外在抑郁癥中,ASIC1a可以影響抑郁癥的生化標志物腦源性神經營養因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)的表達,如ASIC1a抑制劑可以阻止壓力情緒引起的BDNF水平的降低[27]。因此, ASIC1a的抑制劑具有阻止精神疾病的發展的潛力。

3.3 缺血性疾病缺血性腦損傷的研究主要關注的是Ca2+超載引起的神經元損傷以及組織酸中毒誘發的腦神經元損傷。酸中毒或組織pH值降低與血流量減少而導致的缺氧有關,缺氧會導致乳酸堆積并伴隨ATP水解釋放質子,從而導致pH的下降[3]。ASIC1a作為唯一已知對Ca2+有滲透性的ASIC亞基,在酸中毒的情況下會被激活。ASIC1a的激活會促進Ca2+內流,導致胞內Ca2+大量積聚引起神經元毒性,進而促進神經元死亡[28],如在酸性條件下,ASIC1a會導致谷氨酸受體依賴性神經元的損傷,促進缺血性腦損傷的發展[29-30]。

此外,糖尿病也會加重缺血性腦損傷[31]。主要是因為使用胰島素治療糖尿病會產生低血糖的副作用[32]。低血糖會使缺血后灌注不足和缺血性腦損傷程度加重,ASIC1a抑制劑可以抑制這種情況的發生,表明ASIC1a與低血糖引起的灌注不足和缺血性腦損傷程度加重有關[33]。同時ASIC3也與缺血性腦損傷有關,ASIC3可以引起血管平滑肌細胞中鈣庫操縱的Ca2+內流增加,Ca2+增加會影響血管張力,引起對腦血管的收縮作用,促進缺血性腦損傷的發展[33]。

3.4 癲癇病Ca2+超載以及組織酸中毒誘發的神經元損傷與癲癇病也存在密切聯系。Ca2+超載促進興奮性遞質谷氨酸和ATP的釋放,誘導癲癇的發展[34]。癲癇病也會導致組織pH值的改變引起ASICs的激活。不同ASIC亞基所參與的癲癇類型有所不同。ASIC1a、ASIC2b和ASIC3主要與大鼠癲癇的持續性發作有關[35-36]。ASIC2a則會增強梨狀皮層對癲癇發生的易感性[37],而ASIC3與ASIC1a的激活既可以抑制癲癇發作,降低癲癇發作時的嚴重程度[38-39],也可以導致癲癇的發生,如局灶性皮質發育不良導致的癲癇[40]以及毛果蕓香堿誘導[35]的大鼠持續性癲癇都與ASICs的激活有關。因此,我們推測不同部位ASICs的激活在癲癇病中發揮的作用不同。位于抑制性中樞神經元中的ASIC1a和ASIC3可能與終止癲癇的作用機制有關,位于興奮性抑制中樞神經元中的ASIC1a和ASIC3可能與癲癇的產生有關。

4 以ASICs為靶點的抑制劑及藥物

4.1 常見的ASICs的阻斷劑阿米洛利本身是一種保鉀利尿劑和排鈉劑,同時還是ASICs的非特異性阻斷劑,被廣泛用于與ASICs相關的研究。阿米洛利在炎癥疼痛方面表現出了良好的鎮痛作用,主要體現在鞘內注射阿米洛利和苯甲酰胺,可以阻止大鼠脊髓神經結扎模型中傷害感受的產生[41];局部外周同側注射阿米洛利,可以用于減少5-羥色胺、辣椒素或福爾馬林在酸性條件下誘導的傷害性行為[42]。阿米洛利在類風濕性關節炎中不僅可以達到鎮痛的目的,還可以抑制酸化誘導的大鼠關節軟骨細胞凋亡,保護線粒體功能[43]。同時,阿米洛利在治療中樞神經系統相關疾病方面也表現出了一定的潛力。在腦缺血和帕金森模型中,阿米洛利可以通過阻斷中樞神經元中的ASICs發揮神經保護作用,從而阻止疾病的發展[43-44]。阿米洛利通過抑制ASICs可以減少動物模型中的焦慮反應,研究人員對此還設計了經鼻輸送阿米洛利的方式,使其可以更快地發揮抗焦慮作用[45]。此外,阿米洛利通過抑制ASIC1a和ASIC3阻止毛果蕓香堿誘導的大鼠癲癇持續狀態[35]。

動物毒素肽如Psalmotoxin 1(PcTx1)、Hila和APETx2作為ASICs的特異性阻斷劑,通過阻斷ASICs發揮鎮痛作用,在鎮痛方面普遍顯現出了作為候選鎮痛藥物的潛力。此外在中樞神經系統相關疾病中PcTx1作為ASIC1a的特異性阻斷劑,可以減少梗死面積,保護神經元,同時還可以防止細胞凋亡。Hila與PcTx1功能類似,它除了可以減少梗死面積,保護神經元還可以改善神經和運動功能[46],如往嚙齒動物腦室內注射ASIC1a阻滯劑阿米洛利和PcTx1,可以減少短暫的大腦中動脈閉塞誘導的缺血后的梗死體積[3]。此外,APETx2是ASIC3的特異性阻斷劑,能夠減弱酸中毒誘導的軟骨細胞毒性,抑制細胞凋亡[46]。這些毒素肽還可以通過阻斷ASIC1a和ASIC3,防止低血糖誘導的缺血性灌注不足和降低缺血性腦損傷程度,阻止因ASICs激活導致的缺血后灌注不足[33]。

4.2 天然產物目前一些天然產物用于與ASICs相關的研究。這些天然產物也普遍與鎮痛有關。白藜蘆醇是一種存在于葡萄和紅葡萄酒中的天然化合物,可以用于緩解各種條件下的疼痛。白藜蘆醇的鎮痛機制與ASICs有關,通過抑制ASIC3介導的電生理活動和局部的傷害性感受,達到減少傷害性行為以及減輕局部炎性疼痛的目的[48]。龍血竭總黃酮是從龍血竭提取出來的主要鎮痛活性成分,它可以通過抑制ASIC3起到鎮痛作用[49]。同樣的姜黃素也可以通過抑制ASIC3,達到治療福爾馬林誘導的口面部炎癥性疼痛的目的[50]。此外,從中草藥芍藥根部提取的芍藥苷,可以抑制三叉神經節神經元細胞中的ASICs,在治療口面部外周炎性疼痛中也表現出了鎮痛的作用[50]。除了鎮痛,芍藥苷還表現出了治療帕金森病的潛力,研究表明它與ASIC1a阻斷劑有類似的作用,在帕金森病中具有神經保護的作用,具體體現在芍藥苷可以延緩多巴胺能神經元丟失,減少多巴胺及其代謝物,保護多巴胺能神經元。同時,芍藥苷可以通過調節ASIC1a的表達和活性,降低α-突觸核蛋白的水平,改善自噬功能障礙,通過增強α-突觸核蛋白的自噬降解,保護多巴胺能神經元免受6-羥基多巴胺引起的神經毒性作用[20]。

4.3 臨床藥物在早期的研究中,非甾體抗炎藥(NSAIDs)主要通過抑制環氧化酶來發揮抗炎,解熱和鎮痛作用。近些年研究發現NSAIDs還可以通過抑制ASICs發揮鎮痛作用,如氟比洛芬可以特異性的阻斷對PcTx1敏感的ASIC1a;水楊酸及雙氯芬酸可特異性的阻斷ASIC3通道[51]。此外,NSAIDs通過抑制ASICs還可以發揮神經保護作用,如吡羅昔康可以通過抑制ASIC1a,用于預防腦缺血導致的神經元變性[52]。阿司匹林及其代謝物水楊酸通過抑制ASICs,用于治療缺血性中風[53]。雙氯芬酸通過阻斷ASICs,用于治療與酸中毒有關的疾病[54]。

同時中藥方劑也可以用于抑制炎性疼痛的產生。骨青顆粒是在補腎方劑青蛾丸的基礎上進行調整的中藥方劑,它由補骨脂、骨碎補、杜仲、烏梢蛇4味中藥組成。骨青顆粒可以通過抑制ASIC3的表達發揮抗炎鎮痛和保護軟骨的作用。在臨床上骨青顆粒已經被用于治療類風濕性關節炎并取得了良好的療效[55]。

此外,研究表明一些抗癲癇藥物主要通過激活/阻斷ASICs發揮抗癲癇的作用。其中拉莫三嗪可以通過抑制ASIC1a發揮抗癲癇作用[56]。托吡酯通過增強抑制性中樞神經元上的ASIC1a同聚體的表達抑制癲癇的發作[38]。綜上,不同部位ASICs的激活在癲癇病中發揮的作用不同。

5 結語與展望

綜上所述,不同ASIC亞基在神經系統相關疾病的病理過程中所發揮的作用以及作用的位點不同。近年來針對神經系統相關疾病的藥物大多以ASIC1a和或ASIC3為靶點。表明ASIC1a和ASIC3是對神經系統相關疾病最重要的兩種ASIC亞基。此外在其他研究中還發現了有關ASIC2a和ASIC2b參與神經系統相關疾病的報道。表明其他ASIC亞基也可能參與神經系統相關疾病的病理過程,這提示可以基于不同ASIC亞基作用的差異性以及結構特性,開發選擇性高,療效好,副作用低的藥物用于神經系統相關疾病的治療。雖然開發這種藥物還有很長的一段路要走,但是對于神經系統相關疾病來說ASICs是一個極具潛力的藥物靶點。