药理学论文
摘 要： 氯胺酮的快速抗抑郁功效被认为是“整个精神疾病领域近半个世纪最重要的发现”。氯胺酮快速抗抑郁的机制尚不明确。胡海岚团队的研究揭示了“反奖赏中心”外侧缰核的簇状放电是抑郁发生的充分条件。抑郁状态下,外侧缰核胶质细胞Kir4.1通道表达上调,引发簇状放电神经元比例上升,增强对下游奖赏中心的抑制作用。而氯胺酮则可通过阻断外侧缰核的NMDA受体减少簇状放电,释放对奖赏中心的抑制,产生快速抗抑郁效果。这一研究为抑郁症的治疗和诊断提供了全新的分子靶点。
关键词： 外侧缰核; 簇状放电; 氯胺酮; 快速抗抑郁;
Abstract： Ketamine, a rapid antidepressant, is the revolutionary discovery of mental health field in the last few decades. However, its mechanism of rapid effect remains elusive. Our latest discovery revealed that the up-regulation of lateral habenular astroglial potassium channel(Kir4.1) initiates increased burst firing of neuron and thereby suppresses the downstream reward center during depression. Ketamine reduces neuronal bursting by blocking N-methyl-D-aspartate receptor(NMDAR) in the 'anti-reward center', the lateral habenula(LHb), and then relieves the suppression break onto the “reward center” to combat depression. The new molecular targets in LHb might have shed light on treating clinical depression.
Keyword： lateral habenula; depression; burst firing; ketamine; rapid antidepressant;
抑郁症已成为影响人类生活最严重的精神疾病之一。全球约3.22亿抑郁症患者,发病率高达11%,我国抑郁障碍发病率为3.02%[1]。抑郁症给人类社会带来了巨大的经济和心理负担。
抑郁症的产生与遗传、环境及心理等多种因素相关。抑郁症状的多样性和复杂性,为清晰诠释抑郁症的病理分子机制造成了困难。之前的理论认为,抑郁症是由大脑内的如多巴胺、五羟色胺以及去甲肾上腺素等单胺能神经递质减少所引起的。目前临床广泛应用的抗抑郁药物,包括单胺氧化酶的抑制剂、三环类药物以及单胺递质重摄取抑制剂等,通过不同的方式延长单胺递质在脑内的作用时效,发挥抗抑郁效果。然而,这类药物产生抗抑郁效果相对缓慢。虽然患者服药后大脑中单胺类神经递质的水平会在几小时内恢复到正常水平,但情绪的改善往往要到几周之后才会发生。更重要的是,这类抗抑郁药物只能治愈30%左右的抑郁症患者,剩余的70%患者被归为“难治型抑郁症患者”[2]。这些证据提示了现有常规抗抑郁药物可能只是间接地起作用,传统单胺假说还没有触及抑郁症核心机制。
1、 氯胺酮的快速抗抑郁作用
氯胺酮为功能依赖的苯环己哌啶N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartic acid receptor,N M D A受体)非竞争性阻断剂,作用于开放的NMDA受体孔区阻断阳离子内流[3]。2000年,Berman等[4]采用随机双盲的临床试验发现,低剂量(0.5 mg/kg)的氯胺酮在静脉注射后的4小时内迅速改善患者的抑郁症状,且抗抑郁效应至少持续3天。继而,Zarate等[5]报道,氯胺酮注射后40分钟,难治性抑郁症患者的抑郁症状迅速改善,1天内达到抗抑郁效应的峰值,且抗抑郁效应持续约1周。值得一提的是,有自杀倾向的抑郁症患者,静脉注射后40分钟,自杀意念评估分数显着下降[6]。以上研究提示,理解氯胺酮的快速抗抑郁机制成为了抑郁症研究领域的圣杯,因为它很可能将提示抑郁症的核心脑机制。
早在1990年,Trullas等[7]发现,NMDA受体阻断剂可以逆转抑郁动物行为绝望。通过对三种不同的NMDA受体阻断剂地佐环平(MK801)、2-氨基-7-膦酰戊酸(2-amino-7-phosphonoheptanoic acid,AP7)以及1-氨酰基-丁酸(1-aminocylopropanecarboxylic acid,ACPC)进行测试,观察到在给药后15分钟,即显着逆转行为绝望,包括在强迫游泳测试以及悬尾测试当中小鼠放弃挣扎的时间显着缩短。这也就提示,NMDA受体参与抑郁的病理过程。NMDA受体广泛存在于脑内,氯胺酮作为NMDA受体拮抗剂,可能作用脑内多个区域,然而介导快速抗抑郁的关键脑区寥寥无几。氯胺酮是通过哪个脑区产生快速抗抑郁效果的?其作用于何种细胞、背后的分子机制是什么?这些问题是理解氯胺酮快速抗抑郁的关键。
氯胺酮靶向作用于NMDA受体的速率快,在人体内的代谢速率为3小时[3],也较快。这些特性决定了氯胺酮作用的关键脑区是一个抑郁状态下存在较多NMDA受体开放且较活跃的区域。其次,氯胺酮能够快速提升脑内的多巴胺、五羟色胺以及去甲肾上腺素等单胺递质水平[3,8,9],表明氯胺酮的靶向脑区对“奖赏中心”存在抑制作用,包括多巴胺能中心腹侧被盖区(ventral tegmental area,VTA)、五羟色胺能中心中缝背核及中缝核(dorsal raphe nucleus,DRN)、胆碱能的背外侧被盖区(laterodorsal tegmentum,LDT)及肾上腺素能的蓝斑核(locus coeruleus,LC)。这些证据提示,氯胺酮通过快速阻断抑郁状态下较活跃脑区内的NMDA受体,解除该脑区对“奖赏中心”的抑制作用实现其快速抗抑郁效果。
2、 外侧缰核——抑郁状态下活跃的“反奖赏中心”
缰核是一个进化上相对保守的脑区[10],存在于所有的脊椎动物中,在大脑中位于海马下方,丘脑上方,分为外侧缰核(lateral habenula,LHb)和内侧缰核(medial habenula,MHb)。研究表明,通过激活外侧缰核的谷氨酸能兴奋性神经元,直接[11,12]或间接[11,13,14][抑制性的中转脑区,如吻内侧被盖核(rostromedial tegmental nucleus,RMTg)]对“奖赏中心”的神经元产生抑制作用[11]。因此,外侧缰核被称为“反奖赏中心”。
外侧缰核神经元可以编码负面的奖赏信号[11,13,15]。Hikosaka等[15]通过在体电生理记录发现,当猴子在得到奖赏时,外侧缰核神经元的放电明显被抑制;而没有得到奖赏时,放电频率则会明显地增加。另外,给予猴子眼部吹气等厌恶刺激时,外侧缰核神经元的兴奋性显着升高。Shabel等[16]采用双光子成像技术从单细胞层面上揭示,当小鼠受到电击刺激时,外侧缰核神经元对于奖赏刺激糖水的编码由抑制转变为激活;当没有得到奖赏刺激时,外侧缰核神经元的活动相较正常状态明显增加。以上信息提示,外侧缰核在奖赏行为中是编码负面的奖赏信号,扮演“反奖赏中心”的角色。
大量研究表明,在多种抑郁动物模型和抑郁症患者中,外侧缰核的活性显着升高。在多种抑郁大鼠模型中,包括慢性温和性刺激、α-甲基-对-酪氨酸(α-methyl-p-tyrosine,AMPT)诱导以及安非他命戒断,通过碳14标记的脱氧葡萄糖方法显示,外侧缰核的活性都表现出明显的增加。而抗抑郁药物反苯环丙胺(强内心百乐明)可以使外侧缰核的活性降至正常水平[17]。Shumake等[18]通过细胞色素氧化酶染色的方法分析发现,先天抑郁大鼠中,外侧缰核内细胞色素氧化酶的活性显着上调,表明神经元的电活动显着增加。Morris等[19]通过正电子发射断层摄影术成像发现,随着抑郁症患者抑郁程度增加,即汉密尔顿分数评分升高,缰核活性上调。深部电刺激(deep brain stimulation,DBS)使抑郁患者缰核神经元活性降低,可显着缓解抑郁症状[20]。以上研究表明,抑郁状态下,外侧缰核神经元活动显着升高;反之,抗抑郁状态下外侧缰核神经元活动降低。
在研究外侧缰核神经元活动的过程中,通过电生理记录大鼠外侧缰核的急性脑片,发现其分为三类:静息、单个放电和簇状放电。簇状放电的细胞的静息膜电位相比其他两类显着超极化[3,21,22]。三类神经元在外侧缰核的分布是无亚区规律的。通过比较正常大鼠和先天抑郁模型大鼠外侧缰核三类神经元的比例,发现抑郁大鼠外侧缰核的簇状放电神经元比例显着上升。同样,在另一种抑郁动物模型——慢性束缚压力小鼠——的外侧缰核当中,簇状放电神经元的比例相比于正常小鼠也是显着上升的。在自由活动的小鼠抑郁模型上的外侧缰核在体多电极记录的结果与离体脑片的相符[22]。
外侧缰核的簇状放电可以充分引发动物的抑郁样行为。通过病毒载体在外侧缰核神经元当中表达盐细菌视紫红质蛋白eNpHR3.0,在黄光的刺激下可以通透氯离子,从而操纵外侧缰核神经元在合适刺激下超极化,产生回弹簇状放电。非抑郁状态下自由活动的小鼠的外侧缰核在被植入光纤的黄光刺激后,小鼠实时在强迫游泳测试中放弃挣扎的时间上升,在糖水偏好测试中对蔗糖水的偏好下降,即被外侧缰核的簇状放电诱导出了实时的抑郁表型[2]。以上证据提示,抑郁状态下,高度活跃的“反奖赏中心”外侧缰核为氯胺酮快速抗抑郁的潜在靶点。
3、 氯胺酮快速抗抑郁机理——抑制外侧缰核簇状放电
Yang等[22]通过末端埋植于脑内的套管,将氯胺酮药物定点给至先天抑郁模型大鼠的外侧缰核,观察到在给药后1小时,大鼠的抑郁样行为已出现明显改善,包括在测量行为性绝望的强迫游泳测试当中放弃游泳挣扎的时间显着缩短、测量快感缺失的糖水偏好测试当中对蔗糖水的偏好显着上升。这种对抑郁样行为的逆转效果随着外侧缰核接受的氯胺酮剂量的上升而更加显着。考虑到氯胺酮最主要的作用靶标是NMDA受体,为了验证氯胺酮是否通过NMDA受体起作用,Yang等[22]将同是NMDA受体拮抗剂的2-氨基-5-膦酰戊酸(2-amino-5-phosphonopentanoic acid,AP5)通过套管给至抑郁大鼠的外侧缰核,也可以逆转大鼠在强迫游泳和糖水偏好测试中的抑郁样表型。旷场测试表征出,氯胺酮和AP5在外侧缰核的施用均不改变动物的运动能力,即氯胺酮并非通过影响运动而影响抑郁行为测试的结果。而在外侧缰核套管给入α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor,AMPA受体)的拮抗剂氨磺酰苯喹喔啉(2,3-Dioxo-6-nitro-1,2,3,4-tetrahydrobenzo[f]quinoxaline-7-sulfonamide,NBQX),并不能改善抑郁大鼠的症状。以上研究表明,外侧缰核神经元的NMDA受体(而非AMPA受体)是包括氯胺酮在内的抗抑郁药物的重要靶点。
为研究氯胺酮作用于外侧缰核抗抑郁的详细机理,通过离体脑切片电生理实验,用接近套管给药至外侧缰核浓度的氯胺酮溶液处理含外侧缰核的脑片,发现外侧缰核神经元的簇状放电在短时间内即可被消除,使用同为NMDA受体拮抗剂的AP5亦然。使用AMPA受体的拮抗剂NBQX仅能轻度减少簇状放电,而使用常用的五羟色胺再摄取抑制剂机理的抗抑郁药氟西汀(百忧解)在快速起效时间窗内对簇状放电没有影响。同样的,通过超极化诱导出来的外侧缰核的簇状放电,也可以被氯胺酮阻断。上述一系列研究将氯胺酮的作用靶点精确定位到一个局部脑区和一种放电方式,为探索以簇状放电为靶标的抗抑郁策略提供了理论基础。在最近的研究中,Huang等[23]和Dong等[24]报道,视网膜接受到强光刺激后,通过外侧膝状体对外侧缰核产生抑制性输入,减少簇状放电,从而介导光疗的抗抑郁效果。
进一步研究表明,在三种放电模式中,仅有簇状放电细胞在被河豚毒素阻断发放后,残留一个平台电位,提示簇状放电本身不仅依赖钠离子,还依赖钙离子。对一个非簇状放电的神经元施加一个短暂的坡道样超极化电流,使其静息膜电位下降,可以将其转变为簇状放电模式;对一个簇状放电神经元施加坡道样去极化电流,可以将其转变为单个放电模式。这提示,簇状放电需要其他的起搏器类离子通道,其中最重要的是T型电压敏感钙离子通道(low-voltage-sensitive T-type calcium channels,T-VSCC)。在小鼠和大鼠的外侧缰核神经元当中都可以记录到T-VSCC电流,并且施用其拮抗剂米贝地尔可以减少外侧缰核的簇状放电。在先天抑郁大鼠模型和慢性束缚压力小鼠抑郁模型上,使用T-VSCC的阻断剂乙琥胺,均可以产生快速抗抑郁效果,从强迫游泳和糖水偏好测试中都可以体现。这为抑制外侧缰核簇状放电的抑郁疗法探索指明了另一个靶点。
4、 外侧缰核簇状放电增加介导抑郁发生的分子机制
导致抑郁动物的外侧缰核簇状放电比例上升的原因是什么?Li等[25]通过高通量蛋白质谱研究发现,先天抑郁大鼠模型的外侧缰核中,存在于星形胶质细胞内向整流钾通道4.1(Kir4.1)表达量相比正常动物显着上升。Cui等[26]研究发现,不仅在先天抑郁大鼠模型中,而且在脂多糖注射导致的大鼠抑郁模型上,外侧缰核Kir4.1表达量都显着增加。
外侧缰核Kir4.1上调导致动物产生抑郁症状的充分必要性可以得到验证。充分性方面,在正常小鼠的外侧缰核注射病毒载体,在星形胶质细胞当中表达更多的Kir4.1,神经元的膜电位更加超极化,簇状放电比例上升,动物在强迫游泳和糖水偏好当中展现出抑郁样表型。必要性方面,在先天抑郁大鼠模型的外侧缰核注射病毒载体,用短发卡RNA干扰Kir4.1表达,或用经改造的显性负性Kir4.1突变体干扰,降低Kir4.1的功能,均可以使得该脑区神经元静息膜电位去极化,簇状放电比例下降,动物在强迫游泳、糖水偏好、习得性无助测试中展现出的抑郁表型被缓解。
Kir4.1上调如何调控神经元膜电位和簇状放电增加?传统理论认为,Kir4.1主要在三重突触位置发挥作用,然而在对外侧缰核Kir4.1的免疫荧光染色实验中,Kir4.1蛋白分布在神经元胞体周围,形成一个“包绕”的结构。这个结构通过包括免疫电镜等多种技术得到了确认。基于这个结构,Cu等[26]提出,外侧缰核的星形胶质细胞通过Kir4.1快速吸收以清除活跃神经元释放的钾离子,Kir4.1增多导致神经元胞体周围钾离子减少,通过能斯特方程计算和实验都可以证明,静息膜电位更加超极化,簇状放电增多;反过来,Kir4.1减少导致神经元膜电位更加去极化,簇状放电减少。
综合以上研究成果,胡海岚团队阐明了抑郁症发病的核心脑机制及氯胺酮快速抗抑郁的机理理论。抑郁的动物外侧缰核星形胶质细胞的Kir4.1通道表达量上升,使神经元胞体周围空间内钾离子浓度下降,神经元膜电位超极化,引起T-VSCC活动,随即产生NMDA受体依赖的簇状放电,正是这种高频的簇状放电,强烈的抑制下游单胺中心,引发动物抑郁。而氯胺酮阻断外侧缰核NMDA受体,从而起到快速抗抑郁的效果。这一理论对抑郁症这一重大疾病的机制理解进行了清晰的阐释,为抑郁症的治疗和诊断提供了全新的靶点和理论框架。
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