Nat Chem Biol | 上海药物所合作揭示钾通道Kir4.1是具潜力的快速抗抑郁药物靶点

　　2024年2月14日，中国科学院上海药物研究所高召兵课题组联合浙江大学郭江涛课题组在Nature Chemical Biology 发表了题为Pharmacological inhibition of Kir4.1 evokes rapid-onset antidepressant responses的研究论文。该项工作揭示钾通道Kir4.1是具有高度治疗和研发价值的新型快速抗抑郁药物靶点，同时该工作提供了一种以胶质细胞为核心的新型抗抑郁干预策略示例。
　　抑郁症是一种病因复杂、症状多样的精神疾病，可从持久性的情绪低落、快感缺失等症状发展到产生自杀意念和行为。目前，抑郁症已成为全球致残的第一诱因，每年因抑郁症自杀的人数高达80万余。据统计全球约有3.5亿抑郁症患者，而中国抑郁症患者约9500万。全球每年抑郁症治疗费高达300亿美元，已成为全球第二大疾病负担。传统的抗抑郁药物存在响应率低、安全性不佳及患者依从性不足等缺点，更为突出的是起效慢，这些药物一般需要数周甚至数月用药才能改善病情。2019年，美国FDA批准首个速效抗抑郁药S-氯胺酮（Spravato，中文名速开朗）上市，用于治疗成人难治性抑郁症，临床上单次用药1-4小时即可产生抗抑郁疗效。然而，氯胺酮临床上一般作为麻醉剂使用，具有易成瘾和致幻等特点和风险，也被滥用为毒品，俗称K粉。氯胺酮用于治疗抑郁症是精神疾病药物研发领域的重要进展，但同时更凸显了临床对快速起效抗抑郁药物的迫切需求，以及缺少快速低毒抗抑郁药物靶点的严峻现状。
　　钾离子（K+）通道是一类数量庞大、种类众多的离子通道家族，其在调节神经元兴奋性中扮演着基础性作用。长期以来，钾通道被认为是癫痫、疼痛、抑郁等疾病的潜在药物靶点。目前已有KCNQ、TREK1及Kir4.1等多个钾通道被认为具有治疗抑郁症的潜力，其中KCNQ和TREK1的小分子调节剂分别处于临床和临床前研究阶段。内向整流Kir4.1钾通道于20世纪90年代首次被克隆，与于神经元表达钾通道不同，Kir4.1主要定位于大脑胶质细胞。Kir4.1被认为介导星形胶质细胞的“K+空间缓冲”功能，清除因神经活动而胞外累积的K+，从而维持大脑钾离子稳态，并间接调控神经元兴奋性。有报道指出，传统的三环类和5-羟色胺抑制剂（SSRI）类抗抑郁药物均具有弱Kir4.1通道的抑制活性，且抑制水平与抗抑郁药物起效生物标志物脑源性神经营养因子（BDNF）的表达增加呈正相关，进一步提示该蛋白与抑郁症的潜在关联。近年来，浙江大学胡海岚研究团队研究进一步指出，Kir4.1钾通道参与外侧缰核脑区神经环路对抑郁样行为的调控，通过外源基因手段敲减或表达失活的Kir4.1通道可降低局部神经元簇状放电活性，从而缓解小鼠抑郁样表型。上述研究提示小分子调控Kir4.1钾通道可能是潜在的抗抑郁策略。然而，高选择性Kir4.1小分子调节剂目前严重匮乏且效能不足，Kir4.1是否可作为抗抑郁药物靶点尚不清楚，特别是其能否产生快速抗抑郁效应尚未获得证明。
　　高召兵课题组长期从事离子通道药理研究和新药研发,注重从具有重要功能但研究尚不充分的钾通道庞大家族中挖掘和确证新靶点。在该项研究中，依托上海药物所离子通道研究平台，研究人员首先建立了靶向Kir4.1钾通道的高通量筛选体系，筛选并发现了一系列Kir4.1小分子抑制剂。其中，临床前小分子Lys05展现出较已有调节剂更强的Kir4.1抑制活性，对通道的半数有效抑制浓度为0.22 M。为评估其能否作为药理学探针工具，研究人员着重考察了Lys05对多种Kir通道亚型、神经元和星形胶质细胞表达的钾通道及已知抗抑郁相关靶点，如单胺转运体、离子通道和受体的活性。结果表明，相较于所有已报道抑制剂，Lys05表现出Kir4.1通道优良选择性。综合整体评估结果，Lys05的高活性、高选择性、适宜的药代动力学特征使其具备作为Kir4.1靶标研究可靠的药理学探针属性。
　　为阐释小分子Lys05抑制Kir4.1通道的分子机制，研究团队采用冷冻电镜解析了Kir4.1通道与配体结合状态下的复合物结构。在捕捉到的通道开放构象上，Lys05被发现位于Kir4.1通道中央孔区，发挥阻塞钾离子流动作用。进一步的电生理功能验证，证实了E158，I159及T128残基是小分子发挥抑制效能的关键位点。此部分工作为Lys05抑制Kir4.1钾通道提供了分子水平的直接证据。
快速抗抑郁Kir4.1小分子抑制剂及其分子作用机制
　　接下来，研究团队借助Lys05作为探针工具，尝试回答了小分子抑制Kir4.1钾通道是否能够产生抗抑郁效应这一科学问题。研究人员发现，单剂量Lys05注射可以缓解外侧缰核Kir4.1过表达驱动的抑郁表型；以上市的快速起效药物S-氯胺酮和缓慢起效抗抑郁药物丙咪嗪为对照，在一系列啮齿类动物经典抑郁模型中进一步确证Lys05的快速抗抑郁效应，腹腔注射1 小时后，Lys05在新奇抑制摄食模型、嗅球切除模型和皮质酮诱导的抑郁症模型中均展现与S-氯胺酮相媲美的快速抗抑郁疗效，而丙咪嗪则需连续给药5天后才产生抗抑郁效应。以上结果表明，单剂量Lys05足以诱导快速抗抑郁效应。除此之外，该研究还提供多项证据支持Kir4.1钾通道是Lys05发挥体内外效应的作用靶点，包括：治疗剂量下，模型动物脑内Lys05含量和Kir4.1通道抑制水平相契合；基于Lys05设计合成的光亲和探针，可从脑组织中“垂钓”到Kir4.1蛋白，并可被低浓度Lys05竞争结合。特别值得指出的是，基于体外和结构生物学研究，研究人员发现单点突变I159A可基本取消Lys05对通道的抑制活性；进而研究人员构建了I159A点突变敲入小鼠，发现Lys05的快速抗抑郁药效被取消。
小分子Lys05通过抑制Kir4.1钾通道展现快速抗抑郁活性
　　研究者们还考察了小分子Lys05是否具有治疗窗口，通过对潜在神经毒性和肾脏毒性进行测试，显示Lys05在急性和亚慢性抗抑郁治疗剂量下未产生明显毒副反应，表明药理阻断Kir4.1钾通道具有良好的治疗窗口。
　　快速起效抗抑郁药物研发是抑郁症研究领域的热点问题。值得提出的是，近年来研究者们致力于改造氯胺酮和赛洛西宾等致幻剂，分离其致幻作用和抗抑郁疗效，并取得了显著进展；而基于单胺能系统的新型“解偶联”调控机制也代表了一个新研发方向。高召兵和郭江涛联合研究团队的此项研究工作首次证实了Kir4.1钾通道可作为快速起效、安全的抗抑郁药物靶点， Kir4.1钾通道抑制剂可产生与S-氯胺酮相媲美的快速抗抑郁效应，其全新机制可能规避氯胺酮的严重副反应，为发展新一代抗抑郁药物提供了理论依据和实验证据。
　　上海药物所周晓宇博士、许海燕博士，浙江大学基础医学院赵成博士为论文的共同第一作者。高召兵研究员、郑月明副研究员、浙江大学基础医学院郭江涛为共同通讯作者。该工作还得到华东理工大学李剑教授、浙江大学胡海岚教授、华中科技大学刘剑锋教授、上海药物所谢欣研究员、李扬研究员和郭飞副研究员等的大力支持；电镜数据收集得到浙江大学冷冻电镜中心的大力支持。本研究受到国家杰出青年基金、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、国家科技创新2030重大计划、中国科学院青年创新促进会和国家重点研发计划等项目的资助。
（供稿部门：高召兵课题组）