Введение
Глютаматный рецептор и ионный канал белка, обнаруженный в нервных клетках. N-метил-D-аспартатный рецептор (также известный как NMDA-рецептор или NMDAR) является рецептором глутамата и преимущественно ионным каналом Ca2+, обнаруженным в нейронах. NMDA-рецептор является одним из трех типов ионотропных глутаматных рецепторов, два других – AMPA и каинатные рецепторы. В зависимости от его субъединичного состава, его лигандами являются глутамат и глицин (или D-серин). Однако связывание лигандов обычно недостаточно для открытия канала, поскольку оно может быть заблокировано ионами Mg2+, которые удаляются только при достаточной деполяризации нейрона. Таким образом, канал действует как «детектор совпадений», и открывается только при выполнении обоих условий, позволяя положительно заряженным ионам (катионам) проходить через клеточную мембрану. NMDA-рецептор является ионотропным, то есть представляет собой белок, обеспечивающий прохождение ионов через клеточную мембрану. NMDA-рецептор назван в честь агониста N-метил-D-аспартата (NMDA), который селективно связывается с ним, а не с другими глутаматными рецепторами. Активация NMDA-рецепторов приводит к открытию неселективного для катионов ионного канала с комбинированным потенциалом обращения около 0 мВ. В то время как открытие и закрытие ионного канала в основном определяется связыванием лигандов, ток через ионный канал зависит от напряжения. Расположенные на рецепторе внеклеточные ионы магния (Mg2+) и цинка (Zn2+) могут связываться и предотвращать прохождение других катионов через открытый ионный канал. Деполяризация клетки, смещающая и отталкивающая ионы Mg2+ и Zn2+ из поры, обеспечивает зависимый от напряжения поток преимущественно ионов кальция (Ca2+), натрия (Na+) и калия (K+) в клетку и из нее. В частности, поток Ca2+ через NMDA-рецепторы считается критически важным для синаптической пластичности – клеточного механизма обучения и памяти, благодаря белкам, связывающимся и активирующимся ионами Ca2+. Активность NMDA-рецептора блокируется многими психоактивными препаратами, такими как фенциклидин (PCP), алкоголь (этанол) и декстрометорфан (DXM). Анестезирующее и обезболивающее действие кетамина и закиси азота также частично обусловлено их влиянием на блокирование активности NMDA-рецепторов. Напротив, чрезмерная активация NMDAR агонистами NMDA повышает цитозольные концентрации кальция и цинка, что значительно способствует гибели нейронов, эффект, предотвращаемый каннабиноидами посредством активации CB1-рецептора, что приводит к тому, что белок HINT1 противодействует токсическому действию NMDAR-опосредованного производства NO и высвобождения цинка. Помимо предотвращения нейротоксичности, вызванной метамфетамином, путем ингибирования экспрессии синтазы оксида азота (nNOS) и активации астроцитов, он снижает повреждение мозга, вызванное метамфетамином, посредством CB1-зависимых и независимых механизмов, а ингибирование астроглиоза, вызванного метамфетамином, вероятно, происходит посредством механизма, зависящего от CB2-рецептора для THC. С 1989 года мемантин признан неконкурентным антагонистом NMDA-рецептора, поскольку он входит в канал рецептора после его активации и тем самым блокирует поток ионов. Чрезмерная активация рецептора, вызывающая избыточный приток Ca2+, может привести к экзитотоксичности, которая, как предполагается, участвует в некоторых нейродегенеративных расстройствах. Следовательно, блокирование NMDA-рецепторов теоретически может быть полезным при лечении этих заболеваний. Однако гипофункция NMDA-рецепторов (из-за дефицита глутатиона или других причин) может быть связана с нарушением синаптической пластичности и иметь другие негативные последствия. Основная проблема использования антагонистов NMDA-рецепторов для нейропротекции заключается в том, что физиологические функции NMDA-рецептора необходимы для нормальной функции нейронов. Чтобы антагонисты NMDA были клинически полезными, они должны блокировать чрезмерную активацию, не вмешиваясь в нормальные функции. Мемантин обладает этим свойством.
The N methyl D aspartate receptor (also known as the NMDA receptor or NMDAR), is a glutamate receptor and predominantly Ca2+ ion channel found in neurons. The NMDA receptor is one of three types of ionotropic glutamate receptors, the other two being AMPA and kainate receptors. Depending on its subunit composition, its ligands are glutamate and glycine (or D serine). However, the binding of the ligands is typically not sufficient to open the channel as it may be blocked by Mg2+ ions which are only removed when the neuron is sufficiently depolarized. Thus, the channel acts as a "coincidence detector" and only once both of these conditions are met, the channel opens and it allows positively charged ions (cations) to flow through the cell membrane. The NMDA receptor is ionotropic, meaning it is a protein which allows the passage of ions through the cell membrane. The NMDA receptor is so named because the agonist molecule N methyl D aspartate (NMDA) binds selectively to it, and not to other glutamate receptors. Activation of NMDA receptors results in the opening of the ion channel that is nonselective to cations, with a combined reversal potential near 0 mV. While the opening and closing of the ion channel is primarily gated by ligand binding, the current flow through the ion channel is voltage dependent. Specifically located on the receptor, extracellular magnesium (Mg2+) and zinc (Zn2+) ions can bind and prevent other cations from flowing through the open ion channel. A voltage dependent flow of predominantly calcium (Ca2+), sodium (Na+), and potassium (K+) ions into and out of the cell is made possible by the depolarization of the cell, which displaces and repels the Mg2+ and Zn2+ ions from the pore. Ca2+ flux through NMDA receptors in particular is thought to be critical in synaptic plasticity, a cellular mechanism for learning and memory, due to proteins which bind to and are activated by Ca2+ ions. Activity of the NMDA receptor is blocked by many psychoactive drugs such as phencyclidine (PCP), alcohol (ethanol) and dextromethorphan (DXM). The anaesthetic and analgesic effects of the drugs ketamine and nitrous oxide are also partially due to their effects at blocking NMDA receptor activity. In contrast, overactivation of NMDAR by NMDA agonists increases the cytosolic concentrations of calcium and zinc, which significantly contributes to neural death, an effect known to be prevented by cannabinoids, mediated by activation of the CB1 receptor, which leads HINT1 protein to counteract the toxic effects of NMDAR mediated NO production and zinc release. As well as preventing methamphetamine induced neurotoxicity via inhibition of nitric oxide synthase (nNOS) expression and astrocyte activation, it is seen to reduce methamphetamine induced brain damage through CB1 dependent and independent mechanisms, respectively, and inhibition of methamphetamine induced astrogliosis is likely to occur through a CB2 receptor dependent mechanism for THC. Since 1989, memantine has been recognized to be an uncompetitive antagonist of the NMDA receptor, entering the channel of the receptor after it has been activated and thereby blocking the flow of ions. Overactivation of the receptor, causing excessive influx of Ca2+ can lead to excitotoxicity which is implied to be involved in some neurodegenerative disorders. Blocking of NMDA receptors could therefore, in theory, be useful in treating such diseases. However, hypofunction of NMDA receptors (due to glutathione deficiency or other causes) may be involved in impairment of synaptic plasticity and could have other negative repercussions. The main problem with the utilization of NMDA receptor antagonists for neuroprotection is that the physiological actions of the NMDA receptor are essential for normal neuronal function. To be clinically useful NMDA antagonists need to block excessive activation without interfering with normal functions. Memantine has this property.
GluN2
В то время как в беспозвоночных организмах обнаруживается одна субъединица GluN2, у позвоночных экспрессируются четыре различных изоформы субъединицы GluN2, обозначаемые как GluN2A–GluN2D (кодируются генами GRIN2A, GRIN2B, GRIN2C, GRIN2D). Веские доказательства свидетельствуют о том, что гены, кодирующие субъединицы GluN2 у позвоночных, подверглись как минимум двум раундам дупликации генов. Они содержат сайт связывания глутамата. Более того, каждая субъединица GluN2 обладает отличным внутриклеточным C-концевым доменом, способным взаимодействовать с различными наборами сигнальных молекул. В отличие от субъединиц GluN1, субъединицы GluN2 дифференциально экспрессируются в различных типах клеток и на разных стадиях развития, контролируя электрофизиологические свойства NMDA-рецептора. В классических нейронных схемах GluN2B преимущественно присутствует в незрелых нейронах и в экстрасинаптических локализациях, таких как ростовые конусы, и содержит сайт связывания селективного ингибитора ифенпродила. Однако в пирамидальных синапсах новообразованной дорсолатеральной префронтальной коры приматов GluN2B локализуется исключительно в постсинаптической плотности и опосредует высшие когнитивные функции, такие как рабочая память. Это согласуется с расширением функций и экспрессии GluN2B в кортикальной иерархии у обезьян и людей, а также с эволюцией коры головного мозга у приматов.
Переключатель GluN2B на GluN2C
Прекурсоры гранулевых клеток (GCP) мозжечка, после прохождения симметричного деления во внешнем гранулевом слое (EGL), мигрируют во внутренний гранулевый слой (IGL), где они снижают экспрессию GluN2B и активируют GluN2C, процесс, который не зависит от сигналинга нейрегулина бета через рецепторы ErbB2 и ErbB4.
Роль в экзитотоксичности
В ряде исследований рецепторы NMDA были установлены как тесно связанные с экзитотоксичностью. Поскольку рецепторы NMDA играют важную роль в здоровье и функционировании нейронов, активно обсуждается, каким образом эти рецепторы могут влиять как на выживание, так и на гибель клеток. Недавние данные подтверждают гипотезу о том, что чрезмерная стимуляция экстрасинаптических рецепторов NMDA в большей степени связана с экзитотоксичностью, чем стимуляция их синаптических аналогов. Многие из этих путей используют одни и те же белковые сигналы, но регулируются NMDAR противоположным образом в зависимости от их локализации. Например, синаптическая стимуляция NMDA приводила к снижению внутриклеточной концентрации митоген-активированной протеинкиназы p38 (p38MAPK). Экстрасинаптическая стимуляция NMDAR регулировала p38MAPK в обратном направлении, вызывая увеличение внутриклеточной концентрации. Эксперименты подобного типа впоследствии были повторены, и результаты показали, что эти различия распространяются на множество путей, связанных с выживаемостью клеток и экзитотоксичностью.
Нейронная пластичность
NMDA-рецепторы (NMDAR) играют критически важную роль в индукции синаптической пластичности. NMDAR запускают как долговременную потенциацию (LTP), так и долговременную депрессию (LTD) посредством быстрой синаптической передачи. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что экстрасинаптические NMDA-рецепторы ингибируют LTP, одновременно вызывая LTD. Ингибирование LTP можно предотвратить введением антагониста NMDA. Эксперименты также указывают на то, что экстрасинаптическая активность не необходима для формирования LTP. Более того, и синаптическая, и экстрасинаптическая активность участвуют в реализации полной LTD.
Роль различных подразделений
Еще одним фактором, который, по-видимому, влияет на токсичность, индуцированную NMDAR, является наблюдаемое разнообразие в составе субъединиц. NMDA-рецепторы являются гетеротетрамерами, состоящими из двух субъединиц GluN1 и двух вариабельных субъединиц. Было показано, что две из этих вариабельных субъединиц, GluN2A и GluN2B, предпочтительно инициируют каскады выживания клеток и клеточной смерти соответственно. Хотя обе субъединицы присутствуют как в синаптических, так и в экстрасинаптических NMDAR, имеются данные, свидетельствующие о том, что субъединица GluN2B чаще встречается в экстрасинаптических рецепторах. Это наблюдение может помочь объяснить двойственную роль, которую NMDA-рецепторы играют в экситотоксичности. NMDA-рецепторы были вовлечены в экситотоксически опосредованную гибель нейронов при височной эпилепсии. Несмотря на убедительные доказательства и относительную простоту этих двух теорий, работающих согласованно, сохраняется несогласие относительно значимости этих утверждений. Некоторые трудности в подтверждении этих теорий связаны с тем, что фармакологическими методами сложно определить подтипы конкретных NMDAR. Кроме того, теория вариации субъединиц не объясняет, каким образом этот эффект может преобладать, поскольку широко распространено мнение, что наиболее распространенный тетрамер, состоящий из двух субъединиц GluN1 и одной каждой из субъединиц GluN2A и GluN2B, составляет значительный процент от общего числа NMDAR.
Экцитотоксичность в клинических условиях
Считается, что экзитотоксичность играет роль в дегенеративных процессах нейродегенеративных заболеваний с конца 1950-х годов. NMDA-рецепторы, по-видимому, играют важную роль во многих из этих дегенеративных заболеваний, поражающих головной мозг. Особенно заметно, что экзитотоксические события, связанные с NMDA-рецепторами, связаны с болезнью Альцгеймера и болезнью Гентингтона, а также с другими состояниями, такими как инсульты и эпилепсия. Однако лечение этих состояний одним из множества известных антагонистов NMDA-рецепторов приводит к различным нежелательным побочным эффектам, некоторые из которых могут быть серьезными. Эти побочные эффекты наблюдаются отчасти потому, что NMDA-рецепторы не только сигнализируют о гибели клеток, но и играют важную роль в поддержании их жизнеспособности. D-серин, антагонист/инверсный коагонист NMDA-рецепторов, синтезируемый в мозге, показал способность снижать потерю нейронов в моделях эпилепсии височной доли на животных. Кроме того, NMDAR также требуют связывания с коагонистом глицином для эффективного открытия ионного канала, являющегося частью этого рецептора. D-серин также проявляет коагонистную активность в отношении NMDA-рецептора, причем с большей потенцией, чем глицин. Он производится серин-рацемазой и накапливается в тех же областях мозга, что и NMDA-рецепторы. Удаление D-серина может блокировать NMDA-опосредованную возбуждающую нейротрансмиссию во многих областях мозга. Недавно было показано, что D-серин может высвобождаться как нейронами, так и астроцитами для регуляции NMDA-рецепторов. Важно отметить, что D-серин также может выступать в роли антагониста/инверсного коагониста NMDA-рецепторов. 3,5-Дибром-L-фенилаланин был предложен в качестве нового терапевтического кандидата для лечения нейропсихиатрических расстройств и заболеваний, таких как шизофрения, а также неврологических расстройств, таких как ишемический инсульт и эпилептические припадки. Другие частичные агонисты NMDA-рецептора, действующие на новые участки связывания, такие как рапастинел (GLYX 13) и апимостинел (NRX 1074), рассматриваются в качестве перспективных препаратов для разработки новых лекарств с антидепрессивным и анальгетическим эффектами, не вызывающих выраженной психотомиметической активности.
Антагонисты
Антагонисты NMDA-рецептора используются в качестве анестетиков для животных и иногда для людей, а также часто употребляются в рекреационных целях из-за их галлюциногенных свойств и уникальных эффектов при высоких дозах, таких как диссоциация. При введении грызунам в больших дозах некоторые антагонисты NMDA-рецептора могут вызывать форму повреждения мозга, известную как поражения Олни. К антагонистам NMDA-рецептора, вызывающим поражения Олни, относятся кетамин, фенциклидин и декстрорфан (метаболит декстрометорфана), а также некоторые антагонисты NMDA-рецептора, применяемые исключительно в исследовательских целях. На данный момент опубликованные исследования поражений Олни не дают однозначных результатов относительно их возникновения в тканях мозга человека или обезьяны при увеличении концентрации антагонистов NMDA-рецептора. Большинство антагонистов NMDAR являются неконкурентными или неконкурентными блокаторами ионного канала или антагонистами глицинового сорегуляторного сайта, а не антагонистами активного/глутаматного сайта.
Нитромемантин
Рецептор NMDA регулируется посредством нитрозилирования, а аминоадамантан может быть использован в качестве направленного шаттла для доставки оксида азота (NO) к участку внутри рецептора NMDA, где он способен осуществлять нитрозилирование и регулировать проводимость ионного канала.
Разработка антагонистов рецепторов NMDA
Основная проблема разработки антагонистов NMDA для нейропротекции заключается в том, что физиологическая активность NMDA-рецепторов необходима для нормальной функции нейронов. Полная блокада всей активности NMDA-рецепторов приводит к побочным эффектам, таким как галлюцинации, возбуждение и анестезия. Чтобы быть клинически значимым, антагонист NMDA-рецептора должен ограничивать свое действие блокированием избыточной активации, не нарушая нормальную функцию рецептора. Они будут блокировать здоровые области мозга раньше, чем патологические, поскольку в здоровых областях содержится более низкая концентрация агониста, чем в патологических. Эти антагонисты могут быть вытеснены из рецептора высокой концентрацией глутамата, которая может присутствовать в условиях экзитотоксичности.
Мемантин и смежные соединения
Из-за этих нежелательных побочных эффектов блокаторов с высокой аффинностью, поиск клинически эффективных антагонистов NMDA-рецепторов для лечения нейродегенеративных заболеваний продолжался, с акцентом на разработку блокаторов с низкой аффинностью. Однако аффинность не должна быть слишком низкой, а время связывания – слишком коротким (как в случае с Mg2+), когда деполяризация мембраны снимает блокаду. Решением стало создание неконкурентного антагониста с более длительным временем связывания в канале, чем у Mg2+, но более коротким, чем у MK 801. Таким образом, полученный препарат должен блокировать только чрезмерно активные каналы, связанные с NMDA-рецептором, не нарушая нормальную нейротрансмиссию. В настоящее время разрабатывается множество производных мемантина второго поколения, которые могут демонстрировать еще более выраженные нейропротекторные эффекты, основанные на использовании других безопасных, но эффективных модуляторных участков NMDA-рецептора, помимо связанного с ним ионного канала.
Терапевтическое применение
Предполагается, что экзитотоксичность играет роль в некоторых нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона и боковой амиотрофический склероз. Разблокировка магния не происходит мгновенно; для разблокировки всех доступных каналов постсинаптическая клетка должна быть деполяризована в течение достаточно длительного времени (в масштабе миллисекунд). Поэтому NMDA-рецептор функционирует как "детектор молекулярного совпадения". Его ионный канал открывается только при одновременном выполнении двух условий: связывании глутамата с рецептором и деполяризации постсинаптической клетки (что приводит к удалению Mg2+, блокирующего канал). Это свойство NMDA-рецептора объясняет многие аспекты долговременной потенциации (LTP) и синаптической пластичности. В состоянии покоя мембраны, пор NMDA-рецептора открыт, что обеспечивает приток внешних ионов магния, которые связываются и препятствуют дальнейшей проницаемости ионов. Концентрация внешних ионов магния находится в миллимолярном диапазоне, а внутриклеточных – в микромолярном, что обуславливает отрицательный мембранный потенциал. NMDA-рецепторы модулируются множеством эндогенных и экзогенных соединений и играют ключевую роль в широком спектре физиологических (например, память) и патологических процессов (например, экзитотоксичность). Магний усиливает NMDA-индуцированные реакции при положительных мембранных потенциалах, одновременно блокируя NMDA-канал. Кальций, калий и натрий используются для модуляции активности NMDAR при прохождении через NMDA-мембрану. Изменения концентрации H+ могут частично ингибировать активность NMDA-рецепторов в различных физиологических условиях.
Клиническое значение
Антагонисты NMDAR, такие как кетамин, эскетамин, тилетамин, фенциклидин, оксид азота и ксенон, используются в качестве средств общей анестезии. Эти и подобные им препараты, такие как декстрометорфан и метоксетамин, также вызывают диссоциативные, галлюциногенные и эйфорирующие эффекты и используются в рекреационных целях. Соединения, воздействующие на NMDAR, включая кетамин, эскетамин (JNJ 54135419), рапастинел (GLYX 13), апимостинел (NRX 1074), зельквистинел (AGN 241751), 4-хлорокинурен (AV 101) и рисленемдаз (CERC 301, MK 0657), находятся в разработке для лечения расстройств настроения, включая большое депрессивное расстройство и депрессию, резистентную к лечению. Кроме того, кетамин уже применяется для этой цели в качестве терапии вне инструкции в некоторых клиниках. Исследования показывают, что тианептин оказывает антидепрессивное действие посредством непрямого изменения и ингибирования активности и высвобождения глутамата, что, в свою очередь, влияет на нейронную пластичность. Тианептин также воздействует на NMDA и AMPA рецепторы и недавно получил ограниченную рекомендацию от Национального института здравоохранения и ухода за пациентами Великобритании для пациентов, которым не помогли другие методы лечения. Кохлеарные NMDAR являются объектом интенсивных исследований в поисках фармакологических решений для лечения тиннитуса. NMDAR связаны с редким аутоиммунным заболеванием – анти-NMDAR-энцефалитом (также известным как энцефалит, вызванный антителами к NMDAR), который обычно возникает из-за перекрестной реактивности антител, вырабатываемых иммунной системой против эктопических тканей мозга, таких как те, что встречаются при тератоме. Эти антитела известны как антитела к глутаматным рецепторам. По сравнению с дофаминергическими стимуляторами, такими как метамфетамин, антагонист NMDAR фенциклидин может вызывать более широкий спектр симптомов, напоминающих шизофрению у здоровых добровольцев, что привело к формированию гипотезы о глутаматной природе шизофрении. Эксперименты, в которых грызунам вводят антагонисты NMDA-рецепторов, сегодня являются наиболее распространенной моделью для тестирования новых методов лечения шизофрении или изучения точного механизма действия препаратов, уже одобренных для лечения шизофрении. Антагонисты NMDAR, такие как элипродил, гавестинел, ликостинел и сельфотел, были широко исследованы для лечения нейротоксичности, вызванной экзитотоксичностью, в ситуациях, таких как ишемический инсульт и черепно-мозговая травма, но не показали эффективности в клинических испытаниях. Их использовали в небольших дозах, чтобы избежать седации, однако антагонисты NMDAR могут блокировать распространяющуюся деполяризацию у животных и у пациентов с повреждением головного мозга. Это применение пока не было протестировано в клинических испытаниях.