从毒品到抗抑郁药物，中国研究团队 Nature 揭示「K 粉

丁香学术2021-09-09

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氯胺酮（Ketamine），化学名为 2-邻氯苯基-2-甲氨基环己酮，其最早是由美国药剂师 CalvinStevens 合成的，起初作为麻醉使用，氯胺酮作为麻醉药使用的特点是麻醉作用快，但作用时间很短，在越南战争中被广泛应用于创伤外科。

但在氯胺酮发明 9 年之后，氯胺酮就被滥用，成为了一类毒品。70 mg 的氯胺酮会引发中毒反应，200 mg 就会让人产生幻觉，如果一次性使用过多可能会导致呼吸停止甚至死亡。氯胺酮还有一个大家更熟悉的名字就是「K 粉」，之所以叫这个名字是因为氯胺酮英文的第一个字母是 K。

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随着氯胺酮的机制研究不断深入，其抗炎，神经保护等作用陆续被发现。近年来，临床研究发现氯胺酮可快速有效地缓解抑郁，使其成为目前抑郁症治疗领域的热点。

2021 年 7 月 28 日，中国科学院上海药物研究所罗成课题组与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）竺淑佳课题组合作，于 Nature 杂志在线发表了一篇题为 Structural basis of ketamine action on human NMDA receptors 的文章。

图片来源：Nature

该文章解析了 NMDA 受体结合快速抗抑郁药氯胺酮的冷冻电镜结构，为靶向 NMDA 受体设计新型抗抑郁药的研发提供了重要基础。

人 GluN1-GluN2A 和 GluN1-GluN2B NMDA 受体与 S-氯胺酮结合的冷冻电镜结构

抑郁症是世界第四大疾病，但我们国家对抑郁症的诊断和识别仍然不足，抑郁症在近年来呈现低龄化趋势，同时对于抑郁症的治疗也没有特效药物。目前主要用于临床的一些药物包括 5-羟色胺再摄取抑制剂、5-羟色胺和去甲肾上腺素再摄取抑制剂等。

氯胺酮由于它快速起效的特点，可以在短时间内缓解患者的症状，而成为一类新型抗抑郁药物，但对氯胺酮的机制研究仍然不多。

在既往的研究中，发现氯胺酮作为大脑内 N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDA 受体）的抑制剂，通过抑制 NMDA 受体通道活性，参与到神经信号传递及神经细胞信号通路的调控，从而恢复由各种因素引发的皮层损伤，最终达到抗抑郁的作用效果。

因此，研究氯胺酮如何与受体结合，以及如何发挥抑制作用就成为了一个重要的课题，这也将为抑郁症药物的开发提供有效依据和参考。

N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDA 受体）是离子型谷氨酸受体的一个亚型，在学习和记忆中发挥着重要的作用，NMDA 受体通常形成异四聚体复合物发挥功能，包括两个甘氨酸结合的 GluN1 亚基和两个谷氨酸结合的 GluN2(2A–2D) 亚基。

研究者们利用了哺乳动物中系统表达的 GluN1–GluN2AEM 和 GluN1–GluN2BEM 受体，这两种 NMDA 受体是成年哺乳动物脑内表达最丰富的亚型。通过双电极电压钳（TEVC）实验验证了氯胺酮的亲和力，并通过冷冻电镜的结构解析，获得了分辨率分别为 3.5 Å 的 GluN1-GluN2A 和 4.0 Å GluN1-GluN2B 受体结构。

接下来，研究者们发现氯胺酮密度位于 GluN1-GluN2A 和 GluN1-GluN2B 受体中的 TMD 跨膜区。TMD 由三个 α-螺旋跨膜节段（M1、M3 和 M4) 以及来自每个亚基的短重入环 (M2) 构成，进而确认了氯胺酮的结合位点是在离子通道的门控与选择性过滤器中间的空腔内。空腔顶部和底部分别由极性氨基酸苏氨酸和天冬酰胺组成，空腔中部由疏水氨基酸颉氨酸和亮氨酸构成。

氯胺酮与受体结合的具体位置

为了更好地揭示氯胺酮的抑制机制，研究者们利用分子动力学模拟（MD）分析了氯胺酮在受体结合口袋内的动态构象改变，发现氯胺酮在空腔内存在「upper（向上）」和「lower（向下）」两种构象，而冷冻电镜捕捉到了「upper」构象。

通过结合自由能分析发现 GluN2A-L642 对氯胺酮结合发挥着至关重要的作用，其疏水侧链可与氯胺酮形成疏水作用，同时发现 GluN1-N616 会与氯胺酮形成氢键作用。

接着，研究者们进行了 TEVC 电生理实验证实氯胺酮抑制了 GluN1-GluN2A 受体，并通过一系列蛋白点突变实验，证实了分子动力学模拟的结论，GluN1-N616 及 GluN2A-L642(同源 GluN2B-L643) 是参与氯胺酮结合的关键氨基酸，在氯胺酮抑制通道活性过程中发挥重要作用。

氯胺酮抑制受体机制

进一步分析发现，与氯胺酮相互作用的受体 GluN1-Asn616 以及 GluN2B-Leu643 氨基酸的在离子型谷氨酸受体中的保守性，同时分析了手性异构体 R-氯胺酮和 S-氯胺酮在结合和分子机制上的相同点和差异点。

通过氯胺酮与 NMDA 受体结合的结构研究，可以促进基于氯胺酮的新型药物开发，特别是与人类 NMDA 受体具有理想相互作用的氯胺酮衍生物和代谢物的进一步的研究和发现，为靶向 NMDA 受体设计新型抗抑郁药的研发提供了重要基础。

参考文献：

Zhang, Y., Ye, F., Zhang, T. et al. Structural basis of ketamine action on human NMDA receptors. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03769-9