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在神经细胞之间，大多数快速兴奋性传递是通过谷氨酸的突触释放和后突触离子型受体（如AMPA、kainate和NMDA（N-methyl-D-aspartate）谷氨酸受体）的激活来实现的。NMDAR（N-methyl-D-aspartate glutamate receptors, NMDAR，NMDR谷氨酸受体）在神经迁移、突触生成和成熟方面起着重要作用，并参与长期突触可塑性的启动，以及大脑网络活动和行为的微调。NMDARs是四聚体结构，包含两个必需的GluN1亚基和两个结合谷氨酸的GluN2亚基（或较少见的GluN3亚基）。这些受体形成对钠、钾和钙具有通透性的谷氨酸激活离子通道，促进后突触去极化并引发突触结构和功能的活动依赖性变化。虽然NMDARs介导的钙流入能够招募必要的适应性细胞过程的蛋白质，但越来越多的研究表明，NMDARs的功能也涉及不依赖其离子通道特性的机制。因此，非离子型信号传导在结构可塑性中发挥作用，并通过扩散基础的表面重分布调控突触受体的数量、组成和组织，允许蛋白激酶招募到后突触密度中。即NMDAR介导的信号传导依赖于离子型、非离子型和转运基础过程的复杂组合。
研究指出，NMDAR功能异常与多种严重疾病相关，包括癌症、糖尿病和脑部疾病。癌细胞中的NMDAR促进肿瘤生长和脑转移，而胰腺β细胞的NMDAR可能是调节胰岛素分泌的靶点。在脑部，NMDAR功能失调被怀疑与阿尔茨海默病、抑郁症、中风、癫痫和精神分裂症等神经精神疾病有关。近年来，抗NMDAR（anti-NMDAR）脑炎的研究提供了直接证据，患者体内产生针对NMDAR的自身抗体，导致认知缺陷和严重的精神症状，这些症状可以通过免疫治疗得到改善。NMDAR抗体虽然不损害通道特性，但会导致突触的不稳定与组织混乱，最终影响神经传递，导致兴奋/抑制失衡。尽管对此机制的理解有所进展，但针对NMDAR功能异常的治疗仍未取得令人满意的成果。
NMDA受体（NMDAR）的调节和其相关药物在神经科学中的重要性。具体而言，开放通道阻滞剂（OCBs），以氯胺酮（ketamine）为代表，因其在缓解耐药性抑郁症方面的独特效果而受到广泛关注。尽管OCBs表现出强大的麻醉或精神活性特性，其作用机制尚不清楚，且不完全依赖它们的孔阻滞能力。近期研究发现，NMDAR在突触处的空间-时间重排是调控太阳活动适应的关键机制。研究表明，OCBs的结合会引发NMDAR的构象变化，促进其与含PDZ结构蛋白的相互作用，从而增强受体在突触的捕获。这种增强的捕获可以弥补因NMDAR-IgG导致的突触受体减少，恢复CaMKII信号传导并改善由患者自身抗体引起的行为缺陷。总之，OCBs对大脑功能的影响可能与促进NMDAR在突触的捕获有关。在对NMDAR的临床靶向治疗中往往伴随严重副作用，且其激动剂和拮抗剂在突触、网络和行为层面产生不同反应。其中，开放通道阻滞剂（open channel blockers, OCBs）如氯胺酮（ketamine, KET）引起了广泛关注，因其在缓解耐药性抑郁症方面效果显著，但其作用机制仍不清楚，且不完全依赖于它们的孔阻滞能力，研究发现NMDAR在突触的组织和捕获方式是调控突触适应的重要机制。
图源 Neuron
来自法国波尔多大学的Laurent Groc研究团队在Neruon发表论文Ketamine alleviates NMDA receptor hypofunction through synaptic trapping，他们的研究发现，OCBs结合会引起NMDAR的构象变化，增强NMDAR与PDZ结构蛋白的相互作用，从而在突触中更好地捕获受体。此外，OCBs促进的受体捕获可以弥补由于NMDAR-IgG（NMDAR-immunoglobulin G [IgG]）导致的受体减少，恢复CaMKII（Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II）的信号传导，并改善由患者自身抗体引起的行为缺陷。总而言之，该项研究指出OCBs对大脑功能的影响可能与促进NMDAR在突触的捕获有关。
摘要图
NMDA在兴奋性突触的捕获依赖于细胞外、跨膜和胞内蛋白之间的复杂相互作用，这些相互作用通过翻译后修饰和配体结合进行调节。研究人员首先探讨了不同NMDAR拮抗剂对其捕获和组织的影响，包括竞争性拮抗剂D-AP5（D-2-amino-5-phosphonovalerate）、喹啉酸（kynurenic acid, KA）和几种非竞争性开放通道拮抗剂（如MK-801（OCBs dizocilpine）、KET和MEM（memantine））。虽然这些药物都能有效抑制NMDAR介导的钙流入，但通过单颗粒追踪发现，KET和MK-801在经过1小时的处理后显著减少了NMDAR的表面扩散，并增加了其在突触的停留时间。这种效果在使用毒素（tetrodotoxin, TTX）情况下也得到了验证，显示出增强的受体捕获是药物对受体的直接作用，而非由于网络活动的下降。同时，MEM也在某些条件下增强了受体的限制。研究还发现，OCBs对其他跨膜蛋白（如EphB2受体 EphB2Rs和GABAA受体）的扩散和停留时间没有影响。这些结果表明，OCBs选择性地增强了NMDAR在兴奋性突触的捕获能力。
图1 OCB可增强NMDAR的突触捕获能力
研究人员进一步评估了OCBs的增强受体捕获是否改变了突触中NMDAR的数量和分布。经过1小时的处理，发现药物并未改变树突棘的数量，且NMDAR簇的线性密度及其宏观特征保持不变，这表明急性接触NMDAR拮抗剂不会影响突触处的受体数量。NMDAR突触组织的重新排列和信号调整可能在突触中没有明显受体数量变化的情况下发生。因此，研究人员进一步使用随机光学重建显微镜（stochastic optical reconstruction microscopy, STORM）来检查这一可能性，这种单分子定位显微镜方法可以提供表面NMDAR的纳米尺度图。他们进一步发现，经过1小时接触D-AP5能使突触NMDAR簇和纳米域显著收缩并增加密度。这种重组可能是由于D-AP5抑制神经元活动，因为TTX对NMDAR簇也会产生类似的作用；相反，KET和MK-801对NMDAR突触簇的特性没有影响。需要注意的是，MEM对NMDAR突触簇和纳米域的大小或密度没有影响。综合而言，这些数据表明短期接触OCBs会增加NMDAR的突触捕获，从而防止受活动依赖的受体重组。
图2 急性接触OCBs对NMDAR突触数量和组织的影响有限
为了研究OCB是否通过调节NMDAR与其胞质伴侣cytosolic partners的相互作用来增强NMDAR突触稳定性，研究人员使用FLIM-FRET（fluorescence lifetime imaging of Förster resonance energy transfer）技术监测GluN1亚基C端的构象变化，发现拮抗剂与NMDAR的结合会引起其胞质结构域的构象重排。在海马神经元中，KET和MK-801的暴露增加了GluN1-GFP和GluN1-mCherry之间的FRET效率，表明这些药物的结合驱动了NMDAR胞质结构域的构象变化。此外，MAGUK（membrane-associated guanylate kinase）家族的PDZ结构域含量丰富的支架蛋白在突触后致密带（PSD）的组织中起重要作用，通过与GluN2亚基C端基序结合稳定NMDAR。研究还发现，干扰MAGUK与NMDAR的相互作用会阻止KET引起的FRET效率增加，这表明这种机制需要MAGUK的物理交互。这些发现表明，KET和MK-801通过驱动NMDAR胞质结构域的构象重排，增强了与PDZ结构域支架蛋白的相互作用，从而增强了NMDAR的突触捕获。
图3 KET驱动NMDAR胞质结构域的构象变化
图4 KET通过增强与含PDZ结构域的支架蛋白的相互作用促进突触捕获
研究人员为了进一步探讨KET（氯胺酮）在防止由患者衍生的抗NMDAR抗体引起的NMDAR突触锚定和信号传导损伤中的作用，开发了NMDAR抗体脑炎模型，这是一种严重的脑部疾病，其中NMDAR-IgG针对NMDAR的细胞外结构域，引发精神病样表现和威胁生命的神经功能障碍。研究表明，NMDAR-IgG不会损害NMDAR通道功能，但会破坏NMDAR与跨膜伴侣的相互作用，从而导致突触受体的扩散和NMDAR介导的传递和可塑性功能减弱。研究发现，暴露于纯化的NMDAR-IgG或患者的脑脊液会损害受体在兴奋性突触的捕获，但氯胺酮的共同应用可以防止这种破坏性作用，并有利于NMDAR的突触锚定。通过FRAP（fluorescence recovery after photobleaching，光漂白后荧光恢复技术）的实验观察也证实，NMDAR-IgG增加了突触中可移动受体的比例，但暴露于氯胺酮则避免了这种有害作用。此外，研究指出目前用于治疗抗NMDAR脑炎患者的镇静药物咪达唑仑midazolam不具有氯胺酮KET的代偿作用。实验显示，氯胺酮能够通过诱导NMDAR胞质结构域的重新排列，补偿由于NMDAR-IgG引起的NMDAR突触数量和受体密度的损伤，而不会影响突触的密度或PSD支架蛋白簇的特性。进一步的研究表明，氯胺酮通过增强突触捕获，抵消了由NMDAR-IgG引起的NMDAR病理性失稳，从而恢复了CaMKIIα活性，防止了信号传导的损伤。总之，氯胺酮通过增强NMDAR的突触捕获来减轻由患者衍生的抗NMDAR抗体引起的突触锚定和信号传导损伤。
图5 KET可防止源自患者的anti-NMDAR抗体造成的NMDAR突触捕获和构象重排损伤
图6 KET可防止源自患者的anti-NMDAR抗体造成的突触NMDAR耗竭和信号传递障碍
为了研究氯胺酮KET是否能改善由患者衍生的NMDAR-IgG引起的行为缺陷，研究团队构建了一个大鼠模型，通过连续14天将NMDAR-IgG输送到脑脊液中来模拟疾病。行为测试结果显示，与健康IgG相比，NMDAR-IgG导致大鼠出现了快感缺失、焦虑和绝望等行为异常。但KET能够阻止这些病理性行为的出现，恢复大鼠的行为表现。同时，使用NMDAR-IgG和KET共同处理的大鼠在预脉冲抑制测试中表现优于仅使用NMDAR-IgG处理的动物，表明KET能够改善由NMDAR-IgG引起的感觉运动控制缺陷。综上所述，KET通过增强NMDAR的突触捕获，缓解了由NMDAR-IgG引起的行为缺陷，包括焦虑和感觉运动控制障碍。
这项大鼠的疾病模型以及其行为学实验涉及不同行为测试，用以评估大鼠在暴露于不同处理后表现出的行为缺陷。研究人员使用2个月大的雄性Sprague-Dawley大鼠，通过植入皮下渗透泵连接到一侧脑室的导管，将NMDAR-IgG连续14天输送到脑脊液中。所有行为测试在光周期内由同一实验者进行，大鼠在测试开始前至少1小时内适应实验环境。行为测试包括糖水偏好测试、高架十字迷宫测试、开放场测试、新物体识别测试、预脉冲抑制测试和强迫游泳测试，评估快感缺失、焦虑、绝望、运动活动和记忆性能。实验组包括注射NMDAR-IgG、NMDAR-IgG + KET、NMDAR-IgG + CPP、健康IgG、健康IgG + KET等。每组大鼠经过行为测试后，于第21天处死并收集大脑样本进行进一步分析。数据通过计算机控制系统收集，并使用Z分数进行标准化分析，以比较不同处理组之间的差异。这套实验设计全面评估了大鼠在多种行为测试中的表现，以探讨KET在不同处理条件下对抗NMDAR-IgG引起的行为缺陷的潜在保护作用。
在该研究中，其动物行为学实验部分包括一系列行为测试，以评估不同处理对大鼠行为的影响。首先是术后第10天进行的糖水偏好测试，评估大鼠对糖水的偏好。术前四天在笼内放置两瓶水，一瓶含有2%蔗糖，另一瓶不含蔗糖，每天交换位置并测量消耗量。术后第14天进行高架十字迷宫测试，评估焦虑行为，该测试通过观察大鼠在开阔和封闭臂之间的活动来衡量其探索新环境的倾向与避免亮光和高处的自然倾向之间的冲突。术后第15天进行开放场测试，评估大鼠的运动活动和焦虑行为。大鼠在一个自制的开放场中自由探索10分钟，通过视频跟踪记录其在中心区域的活动时间。术后第16天进行新物体识别测试，评估记忆性能。大鼠在一个开放场中暴露于两个相同的物体，然后在保留期后再暴露于一个新物体和一个熟悉的物体，记录探索时间。术后第17天进行预脉冲抑制测试，使用一种惊吓腔测量大鼠的感觉运动门控功能。最后在术后第18天进行强迫游泳测试，评估抑郁样行为，大鼠在盛有温水的圆筒中游泳5分钟，记录后2分钟内的不动时间。这些行为测试综合评估了大鼠在不同处理条件下的行为表现，为研究KET在对抗NMDAR-IgG引起的行为缺陷中的潜在保护作用提供了数据支持。
图7 KET可逆转患者抗体导致的焦虑和感觉运动门控相关行为缺陷
这篇文章探讨了氯胺酮（KET）在改善由患者衍生的NMDAR-IgG引起的行为缺陷中的潜在作用。研究发现，NMDAR-IgG导致大鼠出现快感缺失、焦虑和感觉运动控制障碍等行为缺陷，而KET能够阻止这些病理性行为的出现并恢复大鼠的行为表现。具体而言，KET通过增强NMDAR的突触捕获，缓解了由NMDAR-IgG引起的突触锚定和信号传导损伤；同时研究还显示，KET在预脉冲抑制测试中表现优于其他药物，进一步证明其在感觉运动控制方面的有效性。在未来的研究中可进一步探讨KET的分子机制，以更好地理解其对抗NMDAR-IgG引起的行为缺陷的作用。此外，研究还可以探索KET在其他神经精神疾病中的潜在治疗效果，以及其长期使用的安全性和有效性。这些发现为开发新的治疗策略提供了重要的科学依据，尤其是在治疗类似抗NMDAR脑炎等严重神经精神疾病方面。
原文地址
https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(24)00490-2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0896627324004902%3Fshowall%3Dtrue
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