2024年2月14日，中國科學院上海藥物研究所高召兵課題組聯合浙江大學郭江濤課題組在Nature Chemical Biology 發(fā)表了題為Pharmacological inhibition of Kir4.1 evokes rapid-onset antidepressant responses的研究論文。該項工作揭示鉀通道Kir4.1是具有高度治療和研發(fā)價值的新型快速抗抑郁藥物靶點，同時該工作提供了一種以膠質細胞為核心的新型抗抑郁干預策略示例。

抑郁癥是一種病因復雜、癥狀多樣的精神疾病，可從持久性的情緒低落、快感缺失等癥狀發(fā)展到產生自殺意念和行為。目前，抑郁癥已成為全球致殘的第一誘因，每年因抑郁癥自殺的人數高達80萬余。據統計全球約有3.5億抑郁癥患者，而中國抑郁癥患者約9500萬。全球每年抑郁癥治療費高達300億美元，已成為全球第二大疾病負擔。傳統的抗抑郁藥物存在響應率低、安全性不佳及患者依從性不足等缺點，更為突出的是起效慢，這些藥物一般需要數周甚至數月用藥才能改善病情。2019年，美國FDA批準首個速效抗抑郁藥S-氯胺酮（Spravato，中文名速開朗）上市，用于治療成人難治性抑郁癥，臨床上單次用藥1-4小時即可產生抗抑郁療效。然而，氯胺酮臨床上一般作為麻醉劑使用，具有易成癮和致幻等特點和風險，也被濫用為毒品，俗稱K粉。氯胺酮用于治療抑郁癥是精神疾病藥物研發(fā)領域的重要進展，但同時更凸顯了臨床對快速起效抗抑郁藥物的迫切需求，以及缺少快速低毒抗抑郁藥物靶點的嚴峻現狀。

鉀離子（K⁺）通道是一類數量龐大、種類眾多的離子通道家族，其在調節(jié)神經元興奮性中扮演著基礎性作用。長期以來，鉀通道被認為是癲癇、疼痛、抑郁等疾病的潛在藥物靶點。目前已有KCNQ、TREK1及Kir4.1等多個鉀通道被認為具有治療抑郁癥的潛力，其中KCNQ和TREK1的小分子調節(jié)劑分別處于臨床和臨床前研究階段。內向整流Kir4.1鉀通道于20世紀90年代首次被克隆，與于神經元表達鉀通道不同，Kir4.1主要定位于大腦膠質細胞。Kir4.1被認為介導星形膠質細胞的“K⁺空間緩沖”功能，清除因神經活動而胞外累積的K⁺，從而維持大腦鉀離子穩(wěn)態(tài)，并間接調控神經元興奮性。有報道指出，傳統的三環(huán)類和5-羥色胺抑制劑（SSRI）類抗抑郁藥物均具有弱Kir4.1通道的抑制活性，且抑制水平與抗抑郁藥物起效生物標志物腦源性神經營養(yǎng)因子（BDNF）的表達增加呈正相關，進一步提示該蛋白與抑郁癥的潛在關聯。近年來，浙江大學胡海嵐研究團隊研究進一步指出，Kir4.1鉀通道參與外側韁核腦區(qū)神經環(huán)路對抑郁樣行為的調控，通過外源基因手段敲減或表達失活的Kir4.1通道可降低局部神經元簇狀放電活性，從而緩解小鼠抑郁樣表型。上述研究提示小分子調控Kir4.1鉀通道可能是潛在的抗抑郁策略。然而，高選擇性Kir4.1小分子調節(jié)劑目前嚴重匱乏且效能不足，Kir4.1是否可作為抗抑郁藥物靶點尚不清楚，特別是其能否產生快速抗抑郁效應尚未獲得證明。

高召兵課題組長期從事離子通道藥理研究和新藥研發(fā),注重從具有重要功能但研究尚不充分的鉀通道龐大家族中挖掘和確證新靶點。在該項研究中，依托上海藥物所離子通道研究平臺，研究人員首先建立了靶向Kir4.1鉀通道的高通量篩選體系，篩選并發(fā)現了一系列Kir4.1小分子抑制劑。其中，臨床前小分子Lys05展現出較已有調節(jié)劑更強的Kir4.1抑制活性，對通道的半數有效抑制濃度為0.22??M。為評估其能否作為藥理學探針工具，研究人員著重考察了Lys05對多種Kir通道亞型、神經元和星形膠質細胞表達的鉀通道及已知抗抑郁相關靶點，如單胺轉運體、離子通道和受體的活性。結果表明，相較于所有已報道抑制劑，Lys05表現出Kir4.1通道優(yōu)良選擇性。綜合整體評估結果，Lys05的高活性、高選擇性、適宜的藥代動力學特征使其具備作為Kir4.1靶標研究可靠的藥理學探針屬性。

為闡釋小分子Lys05抑制Kir4.1通道的分子機制，研究團隊采用冷凍電鏡解析了Kir4.1通道與配體結合狀態(tài)下的復合物結構。在捕捉到的通道開放構象上，Lys05被發(fā)現位于Kir4.1通道中央孔區(qū)，發(fā)揮阻塞鉀離子流動作用。進一步的電生理功能驗證，證實了E158，I159及T128殘基是小分子發(fā)揮抑制效能的關鍵位點。此部分工作為Lys05抑制Kir4.1鉀通道提供了分子水平的直接證據。

快速抗抑郁Kir4.1小分子抑制劑及其分子作用機制

接下來，研究團隊借助Lys05作為探針工具，嘗試回答了小分子抑制Kir4.1鉀通道是否能夠產生抗抑郁效應這一科學問題。研究人員發(fā)現，單劑量Lys05注射可以緩解外側韁核Kir4.1過表達驅動的抑郁表型；以上市的快速起效藥物S-氯胺酮和緩慢起效抗抑郁藥物丙咪嗪為對照，在一系列嚙齒類動物經典抑郁模型中進一步確證Lys05的快速抗抑郁效應，腹腔注射1 小時后，Lys05在新奇抑制攝食模型、嗅球切除模型和皮質酮誘導的抑郁癥模型中均展現與S-氯胺酮相媲美的快速抗抑郁療效，而丙咪嗪則需連續(xù)給藥5天后才產生抗抑郁效應。以上結果表明，單劑量Lys05足以誘導快速抗抑郁效應。除此之外，該研究還提供多項證據支持Kir4.1鉀通道是Lys05發(fā)揮體內外效應的作用靶點，包括：治療劑量下，模型動物腦內Lys05含量和Kir4.1通道抑制水平相契合；基于Lys05設計合成的光親和探針，可從腦組織中“垂釣”到Kir4.1蛋白，并可被低濃度Lys05競爭結合。特別值得指出的是，基于體外和結構生物學研究，研究人員發(fā)現單點突變I159A可基本取消Lys05對通道的抑制活性；進而研究人員構建了I159A點突變敲入小鼠，發(fā)現Lys05的快速抗抑郁藥效被取消。

小分子Lys05通過抑制Kir4.1鉀通道展現快速抗抑郁活性

研究者們還考察了小分子Lys05是否具有治療窗口，通過對潛在神經毒性和腎臟毒性進行測試，顯示Lys05在急性和亞慢性抗抑郁治療劑量下未產生明顯毒副反應，表明藥理阻斷Kir4.1鉀通道具有良好的治療窗口。

快速起效抗抑郁藥物研發(fā)是抑郁癥研究領域的熱點問題。值得提出的是，近年來研究者們致力于改造氯胺酮和賽洛西賓等致幻劑，分離其致幻作用和抗抑郁療效，并取得了顯著進展；而基于單胺能系統的新型“解偶聯”調控機制也代表了一個新研發(fā)方向。高召兵和郭江濤聯合研究團隊的此項研究工作首次證實了Kir4.1鉀通道可作為快速起效、安全的抗抑郁藥物靶點， Kir4.1鉀通道抑制劑可產生與S-氯胺酮相媲美的快速抗抑郁效應，其全新機制可能規(guī)避氯胺酮的嚴重副反應，為發(fā)展新一代抗抑郁藥物提供了理論依據和實驗證據。

上海藥物所周曉宇博士、許海燕博士，浙江大學基礎醫(yī)學院趙成博士為論文的共同第一作者。高召兵研究員、鄭月明副研究員、浙江大學基礎醫(yī)學院郭江濤為共同通訊作者。該工作還得到華東理工大學李劍教授、浙江大學胡海嵐教授、華中科技大學劉劍鋒教授、上海藥物所謝欣研究員、李揚研究員和郭飛副研究員等的大力支持；電鏡數據收集得到浙江大學冷凍電鏡中心的大力支持。本研究受到國家杰出青年基金、國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、國家科技創(chuàng)新2030重大計劃、中國科學院青年創(chuàng)新促進會和國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。