医学故事.红蓝融合 中华医学会理事 神经外科教授
缺血性卒中仍然是全球范围内导致死亡和残疾的主要原因。
卒中发生时，缺血状态导致脑梗塞区域严重缺乏葡萄糖和氧气，显著增加了谷氨酸的释放和积累，浓度上升至正常生理水平的10至100倍。这种过量的谷氨酸会通过诱导N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDARs）过度激活引起兴奋性毒性，使得大量钙离子流入神经元以致于超载，导致细胞死亡。因此NMDARs成为卒中治疗的重要靶点。
虽然NMDARs拮抗剂在实验模型中显示出神经保护作用，但在临床上效果不佳甚至诱发患者出现精神问题，暗示阻断NMDARs并不是缺血性卒中治疗的唯一解答。
近日，上海交通大学医学院附属第六人民医院殷善开、时海波和加拿大多伦多大学王路阳合作的最新研究首次揭示，在缺血性脑损伤中，谷氨酸还可以通过增加酸敏感离子通道（ASICs）对酸性环境的敏感度和开放程度，促进其活性，引发兴奋性毒性，而非仅仅通过NMDARs，表明ASICs是之前未被充分考虑的卒中治疗靶点。
他们开发的小分子LK-2能够特异性阻断谷氨酸与ASICs的结合，而避开影响NMDARs。在体内外实验中，LK-2有效减轻由缺血引起的脑损伤，并改善卒中小鼠模型的长期运动功能。
论文于近日发表在顶刊《自然》[1]。
《自然》：发现缺血性卒中脑损伤全新机制，并发现治疗新思路
论文首页截图
酸敏感离子通道（ASICs）在中枢神经系统中广泛表达，对环境pH变化高度敏感，在脑缺血时因局部酸中毒而激活。人们认为，NMDARs和ASICs在卒中发生时具有协同作用，分别被谷氨酸和氢离子激活，加剧神经元死亡。
之前有研究显示，ASICs的活性实际上也能够被谷氨酸增强。为深入解析谷氨酸是否直接与神经元中的ASICs相互作用及其在缺血损伤中的具体作用，研究团队展开了本次探索。
他们在表达人类ASIC1a（ASICs家族中的一员）的CHO细胞中，使用膜片钳技术记录电流情况。结果观察到，谷氨酸能够增强ASIC1a中的电流，使处于关闭状态的ASIC1a更有效地响应酸性环境变化，促进ASIC1a在pH 7.0或7.2的更温和条件下开放，而没有改变其导电率或离子选择性。
《自然》：发现缺血性卒中脑损伤全新机制，并发现治疗新思路
谷氨酸及其结构类似物可以强烈增强ASICs的电流
微量热泳动实验结果证实，谷氨酸可以直接与ASIC1a结合，且在较低的pH值下结合更紧密。此外，几种谷氨酸结构类似的NMDA、AMPA、天冬氨酸，均显示出与谷氨酸类似的效果。
利用正常表达或敲除表达ASIC1a的多种小鼠模型，研究团队发现，谷氨酸和氢离子协同调控着ASICs的活性——谷氨酸的存在，导致即使在轻微酸化条件下，ASIC1a也会通过介导钙超载对神经元造成致命伤害。在pH 7.0左右，谷氨酸和氢离子共同作用于ASICs，促进钙离子通过ASICs流入神经元，引起线粒体功能失调、膜兴奋性和下游信号传导，从而导致神经毒性和神经元死亡。
通过比较NMDARs拮抗剂和ASICs敲除对卒中小鼠的脑梗塞体积的影响，可以观察到阻断ASICs在减少缺血性脑损伤方面可以达到与阻断NMDARs相似的保护效果，这表明ASICs在卒中治疗中的地位可能与NMDARs同等重要。
《自然》：发现缺血性卒中脑损伤全新机制，并发现治疗新思路
谷氨酸加剧神经毒性
研究团队进一步确定了谷氨酸在ASICs中的结合位点，并发现一种已有的NMDARs拮抗剂（CGS19755）同样可以作为ASICs的强效竞争性拮抗剂。但是，鉴于目前临床上显示阻断NMDARs具有副作用，研究团队基于CGS19755结构进行药物筛选，开发了能够靶向ASICs与谷氨酸结合位点而对NMDARs影响很小的药物化合物LK-2。
在临床前小鼠模型实验中，选择性阻断AISCs的LK-2（腹膜内注射30mg/kg）能有效减轻由缺氧引起的神经元损伤，效果与可以同时阻断ASICs、NMDARs的CGS19755相当，并显著减少缺血性卒中小鼠的脑损伤区域。这暗示谷氨酸通过作用于ASICs而非NMDARs其实是导致损伤的主要原因。
研究还验证LK-2能够穿透小鼠血脑屏障达到有效浓度，显示出良好的药代动力学特性。另外，转棒实验结果显示，在缺血性卒中小鼠模型（MCAO）中，LK-2治疗的小鼠运动学习和协调能力有显著改善，表现接近正常小鼠。
《自然》：发现缺血性卒中脑损伤全新机制，并发现治疗新思路
使用LK-2靶向ASICs上的谷氨酸结合位点具有神经保护作用
以上结果表明，LK-2作为离子通道ASICs的竞争性拮抗剂，可用于改善卒中后的神经损伤和功能恢复，而不影响NMDARs等其它通道的活性。这些发现有助于我们深入理解缺血性卒中引起的神经毒性机制，并为开发不依赖于NMDARs的新型卒中治疗方法提供指导。
参考文献：
[1]Lai, K., Pritišanac, I., Liu, ZQ. et al. Glutamate acts on acid-sensing ion channels to worsen ischaemic brain injury. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07684-7
