NMDA -receptor - NMDA receptor

Stiliserad skildring av en aktiverad NMDAR. Glutamat är i glutamatbindningsstället och glycin finns i glycinbindningsstället. Den allosteriska platsen , som modulerar receptorfunktionen när den är bunden till en ligand, är inte upptagen. NMDAR kräver bindning av två molekyler glutamat eller aspartat och två av glycin.

Den N -metyl- D- aspartat -receptorn (även känd som NMDA-receptorn eller NMDAR ), är en glutamatreceptor och jonkanal som finns i neuroner . NMDA -receptorn är en av tre typer av jonotropa glutamatreceptorer , de andra två är AMPA- och kainatreceptorer . Beroende på dess subenhet sammansättning, dess ligander är glutamat och glycin (eller D -serin ). Emellertid är bindningen av liganderna vanligtvis inte tillräcklig för att öppna kanalen eftersom den kan blockeras av Mg 2+ joner som endast avlägsnas när neuron är tillräckligt depolariserad. Således fungerar kanalen som en "slumpdetektor" och bara när båda dessa villkor är uppfyllda öppnas kanalen och den tillåter positivt laddade joner (katjoner) att flöda genom cellmembranet . NMDA -receptorn anses vara mycket viktig för att kontrollera synaptisk plasticitet och förmedla inlärnings- och minnesfunktioner .

NMDA -receptorn är jonotrop , vilket betyder att det är ett protein som tillåter joner att passera genom cellmembranet. NMDA-receptorn är så därför den agonistmolekylen N -metyl- D -aspartat (NMDA) binder selektivt till den, och inte till andra glutamatreceptorer . Aktivering av NMDA -receptorer resulterar i öppnandet av jonkanalen som är icke -selektiv för katjoner , med en kombinerad reverseringspotential nära 0 mV. Medan öppningen och stängningen av jonkanalen huvudsakligen är gated av ligandbindning, är strömflödet genom jonkanalen spänningsberoende. Extracellulära magnesium (Mg 2+ ) och zink (Zn 2+ ) joner kan binda till specifika platser på receptorn och blockera passage av andra katjoner genom den öppna jonkanalen. Depolarisering av cellen lossnar och stöter bort jonerna Mg 2+ och Zn 2+ från poren, vilket tillåter ett spänningsberoende flöde av natrium (Na + ) och kalcium (Ca 2+ ) joner in i cellen och kalium (K + ) ur cellen. Ca 2+ -flöde genom NMDA -receptorer i synnerhet anses vara kritiskt i synaptisk plasticitet, en cellulär mekanism för inlärning och minne, på grund av proteiner som binder till och aktiveras av Ca 2+ joner.

NMDA -receptorns aktivitet påverkas av många psykoaktiva läkemedel som fencyclidine (PCP), alkohol ( etanol ) och dextrometorfan (DXM). De bedövande och smärtstillande effekterna av läkemedlen ketamin och lustgas beror delvis på deras effekter på NMDA -receptoraktivitet. Överaktivering av NMDAR ökar emellertid de cytosoliska koncentrationerna av kalcium och zink , vilket avsevärt bidrar till neural död , som befinner sig förhindras av cannabinoider , med krav på ett HINT1- protein för att motverka de toxiska effekterna av NMDAR-medierad NO- produktion och zinkfrisättning genom aktivering av CB1 -receptorn . Samt förhindrar metamfetamin (Meth) inducerad neurotoxicitet via hämning av kväveoxidsyntas (nNOS) expression och astrocyt aktivering, ses att minska metamfetamin inducerad hjärnskada genom en CB1-beroende och oberoende mekanismer, respektive, och hämning av metamfetamin inducerad astroglios är sannolikt kommer att ske genom en CB2 -receptorberoende mekanism för THC . Sedan 1989 har memantin erkänts vara en icke -konkurrenskraftig antagonist för NMDA -receptorn, som kommer in i receptorns kanal efter att den har aktiverats och därigenom blockerar flödet av joner.

Överaktivering av receptorn, vilket orsakar överdriven tillströmning av Ca 2+ kan leda till excitotoxicitet, vilket antas vara inblandat i vissa neurodegenerativa störningar. Blockering av NMDA -receptorer kan därför i teorin vara användbar vid behandling av sådana sjukdomar. Emellertid kan hypofunktion av NMDA -receptorer (på grund av glutationbrist eller andra orsaker) vara inblandad i försämring av synaptisk plasticitet och kan ha andra negativa konsekvenser. Huvudproblemet med användningen av NMDA -receptorantagonister för neuroskydd är att de fysiologiska verkningarna av NMDA -receptorn är väsentliga för normal neuronal funktion. För att vara kliniskt användbara måste NMDA -antagonister blockera överdriven aktivering utan att störa normala funktioner. Memantine har den här egenskapen.

Historia

Upptäckten av NMDA-receptorer följdes av syntes och studium av N -metyl- D- asparaginsyra (NMDA) på 1960-talet av Jeff Watkins och kollegor. I början av 1980 -talet visade sig NMDA -receptorer vara involverade i flera centrala synaptiska vägar. Receptors subenhetsselektivitet upptäcktes i början av 1990 -talet, vilket ledde till igenkänning av en ny klass av föreningar som selektivt hämmar NR2B -subenheten . Dessa fynd ledde till en kraftfull kampanj inom läkemedelsindustrin. Från detta ansågs det att NMDA -receptorer var associerade med en mängd olika neurologiska störningar såsom epilepsi , Parkinsons , Alzheimers , Huntingtons och andra CNS -störningar.

År 2002 upptäcktes det av Hilmar Bading och medarbetare att de cellulära konsekvenserna av NMDA-receptorstimulering beror på receptorns placering på den neuronala cellytan. Synaptiska NMDA-receptorer främjar genuttryck, plasticitetsrelaterade händelser och förvärvat neuroskydd . Extrasynaptiska NMDA -receptorer främjar dödssignalering; de orsakar transkriptionell avstängning, mitokondriell dysfunktion och strukturell sönderfall. Denna patologiska triad av extrasynaptisk NMDA -receptorsignalering representerar en vanlig omvandlingspunkt i etiologin för flera akuta och kroniska neurodegenerativa tillstånd. Den molekylära grunden för giftig extrasynaptisk NMDA-receptorsignalering avslöjades av Hilmar Bading och medarbetare 2020. Extrasynaptiska NMDA-receptorer bildar ett dödssignalkomplex med TRPM4. NMDAR/TRPM4 -interaktionsgränssnittshämmare (även kända som 'gränssnittshämmare') stör NMDAR/TRPM4 -komplexet och avgiftar extrasynaptiska NMDA -receptorer.

En slumpmässig upptäckt gjordes 1968 när en kvinna tog amantadin som influensamedicin och fick en anmärkningsvärd remission av sina Parkinsons symptom. Denna upptäckt, rapporterad av Scawab et al., Var början på medicinsk kemi av adamantanderivat i samband med sjukdomar som påverkar CNS. Innan denna upptäckt hade memantine, ett annat adamantanderivat, syntetiserats av Eli Lilly and Company 1963. Syftet var att utveckla ett hypoglykemiskt läkemedel, men det visade ingen sådan effekt . Först 1972 upptäcktes en möjlig terapeutisk betydelse av memantin för behandling av neurodegenerativa störningar. Från 1989 har memantin erkänts vara en konkurrenskraftig antagonist för NMDA -receptorn.

Strukturera

Funktionella NMDA -receptorer är heterotetramerer sammansatta av två GluN1 och typiskt två GluN2 -subenheter. Det finns en GluN1, fyra GluN2 och två GluN3 -underenhet som kodar gener, och varje gen kan producera mer än en skarvvariant.

Gating

Figur 1: NR1/NR2 NMDA -receptor

NMDA -receptorn är en glutamat- och jonkanalproteinreceptor som aktiveras när glycin och glutamat binder till den. Receptorn är ett heteromert komplex som interagerar med flera intracellulära proteiner av tre olika underenheter: GluN1, GluN2 och GluN3. GluN1 har åtta olika isoformer på grund av alternativ splitsning av genen GRIN1. Det finns fyra olika GluN2 -subenheter (AD) och två olika Glun3 -subenheter (A och B). Sex separata gener kodar för GluN2 och GluN3. Alla subenheterna delar en gemensam membrantopologi som domineras av en stor extracellulär N-terminal, ett membranområde som består av tre transmembransegment, en återinträdande porslinga, en extracellulär slinga mellan transmembransegmenten som strukturellt inte är välkända och en intracellulär C-terminal, som är olika i storlek beroende på subenheten och ger flera interaktionsställen med många intracellulära proteiner. Figur 1 visar en grundstruktur för GluN1/GluN2 -underenheter som bildar bindningsstället för memantin, Mg 2+ och ketamin .

Figur 2: Transmembranregion av NR1 (vänster) och NR2B (höger) subenheter av NMDA -receptor.

Mg 2+ blockerar NMDA-receptorkanalen på ett spänningsberoende sätt. Kanalerna är också mycket permeabla för Ca 2+ . Aktivering av receptorn beror på glutamatbindnings, D -serin eller glycin bindning vid dess GluN1 bunden bindningsstället och   AMPA-receptor -medierad depolarisation av det postsynaptiska membranet, som lindrar den spänningsberoende kanalblock genom Mg 2+ . Aktivering och öppning av receptorkanalen medger således flöde av K + , Na + och Ca 2+ joner, och tillströmningen av Ca 2+ utlöser intracellulära signalvägar. Allosteriska receptorbindningsställen för zink, proteiner och polyaminerna spermidin och spermin är också modulatorer för NMDA -receptorkanalerna.

GluN2B -subenheten har varit inblandad i modulerande aktivitet såsom inlärning, minne, bearbetning och matning, samt har varit inblandad i antalet mänskliga störningar. Den grundläggande strukturen och funktionerna associerade med NMDA -receptorn kan hänföras till underenheten GluN2B. Till exempel bildas glutamatbindningsstället och kontrollen av Mg2 + -blocket av GluN2B -subenheten. De höga affinitetsställen för glycin -antagonist är också uteslutande visas av GluN1 / GluN2B receptorn.

GluN1/GluN2B -transmembransegment anses vara den del av receptorn som bildar bindningsfickorna för icke -konkurrerande NMDA -receptorantagonister, men transmembransegmentstrukturerna är inte fullständigt kända enligt ovan. Det hävdas att tre bindningsställen i receptorn, A644 på GluNB -subenheten och A645 och N616 på GluN1 -subenheten, är viktiga för bindning av memantin och besläktade föreningar enligt figur 2.

NMDA -receptorn bildar en heterotetramer mellan två GluN1- och två GluN2 -subenheter (subenheterna betecknades tidigare som GluN1 och GluN2), två obligatoriska GluN1 -subenheter och två regionalt lokaliserade GluN2 -subenheter. En besläktad genfamilj av GluN3 A- och B -subenheter har en hämmande effekt på receptoraktivitet. Multipla receptor isoformer med distinkta hjärnfördelningar och funktionella egenskaper uppstår genom selektiv skarvning av de GluN1 transkripten och differentiell expression av de GluN2 subenheter.

Varje receptorsubenhet har modulär design och varje strukturmodul representerar också en funktionell enhet:

  • Den extracellulära domänen innehåller två globulära strukturer: en modulerande domän och en ligandbindande domän. GluN1-subenheter binder co-agonisten glycin och GluN2-subenheter binder neurotransmittorn glutamat.
  • Den agonistbindande modulen länkar till en membrandomän som består av tre transmembransegment och en återinträdande slinga som påminner om selektivitetsfiltret för kaliumkanaler .
  • De membrandomän bidrar rester till kanal por och ansvarar för receptorns hög enhetlig konduktans , hög kalcium permeabilitet, och spänningsberoende magnesiumblocket.
  • Varje subenhet har en omfattande cytoplasmatisk domän , som innehåller rester som kan modifieras direkt av en serie proteinkinaser och proteinfosfataser , samt rester som interagerar med ett stort antal struktur-, adapter- och ställningsproteiner.

De glycinbindande modulerna för underenheterna GluN1 och GluN3 och glutamatbindande modulen i GluN2A-underenheten har uttryckts som lösliga proteiner och deras tredimensionella struktur har lösts vid atomupplösning genom röntgenkristallografi . Detta har avslöjat en vanlig vikning med aminosyrabindande bakterieproteiner och med glutamatbindande modul för AMPA-receptorer och kainat-receptorer.

Handlingsmekanism

Överaktivering av NMDA -receptorer, vilket orsakar överdriven tillströmning av Ca 2+ kan leda till excitotoxicitet. Excitotoxicitet antas vara inblandat i vissa neurodegenerativa störningar såsom Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom och Huntingtons sjukdom. Blockering av NMDA -receptorer kan därför i teorin vara användbar vid behandling av sådana sjukdomar. Det är emellertid viktigt att bevara fysiologisk NMDA -receptoraktivitet samtidigt som man försöker blockera dess överdrivna excitotoxiska aktivitet. Detta kan möjligen uppnås genom att konkurrenskraftiga antagonister blockerar jonkanalerna för receptorer när de är för öppna.

Okonkurrerande NMDA -receptorantagonister eller kanalblockerare går in i NMDA -receptorns kanal efter att den har aktiverats och blockerar därmed flödet av joner. MK-801 , ketamin , amantadin och memantin är exempel på sådana antagonister, se figur 1. En antagonists off-rate från receptorkanalen är en viktig faktor eftersom för långsam off-rate kan störa receptorns normala funktion och också snabb off-rate kan ge ineffektiv blockering av en alltför öppen receptor.

Memantine är ett exempel på en icke-konkurrenskraftig kanalblockerare för NMDA-receptorn, med en relativt snabb off-rate och låg affinitet. Vid fysiologiskt pH är dess amingrupp positivt laddad och dess receptorantagonism är spänningsberoende. Det härmar därigenom den fysiologiska funktionen hos Mg 2+ som kanalblockerare. Memantine blockerar endast NMDA -receptorassocierade kanaler under långvarig aktivering av receptorn, eftersom det sker under excitotoxiska förhållanden, genom att ersätta magnesium vid bindningsstället. Under normal receptoraktivitet förblir kanalerna bara öppna i flera millisekunder och under dessa omständigheter kan memantin inte binda i kanalerna och stör därför inte normal synaptisk aktivitet.

Varianter

GluN1

Det finns åtta varianter av GluN1 -subenheten som produceras genom alternativ splitsning av GRIN1 :

  • GluN1-1a, GluN1-1b; GluN1-1a är den mest uttryckta formen.
  • GluN1-2a, GluN1-2b;
  • GluN1-3a, GluN1-3b;
  • GluN1-4a, GluN1-4b;

GluN2

NR2 -subenhet hos ryggradsdjur (vänster) och ryggradslösa djur (höger). Ryan et al., 2008

Medan en enda GluN2 -subenhet finns i ryggradslösa organismer, uttrycks fyra distinkta isoformer av GluN2 -subenheten i ryggradsdjur och refereras till med nomenklaturen GluN2A genom GluN2D (kodad av GRIN2A , GRIN2B , GRIN2C , GRIN2D ). Starka bevis visar att generna som kodar för GluN2 -underenheterna hos ryggradsdjur har genomgått minst två omgångar med gentubbling. De innehåller bindningsstället för glutamat . Ännu viktigare är att varje GluN2-subenhet har en annan intracellulär C-terminal domän som kan interagera med olika uppsättningar av signalmolekyler. Till skillnad från GluN1 -subenheter uttrycks GluN2 -subenheter differentiellt över olika celltyper och utvecklingstider och styr de elektrofysiologiska egenskaperna hos NMDA -receptorn. I klassiska kretsar finns GluN2B huvudsakligen i omogna neuroner och på extrasynaptiska platser och innehåller bindningsstället för den selektiva hämmaren ifenprodil . Men i pyramidala cell-synapser i den nyutvecklade dorsolaterala prefrontala cortexen av primat är GluN2B uteslutande inom den postsynaptiska densiteten och förmedlar högre kognitiva operationer som arbetsminne. Detta överensstämmer med expansionen i GluN2B -åtgärder och uttryck över den kortikala hierarkin hos apor och människor och över primatbarkens utveckling.

GluN2B till GluN2A switch

Tidslinjen för GluN2B-GluN2A-omkopplare i mänsklig lillhjärna. Bar-Shira et al., 2015

Medan GluN2B är dominerande i den tidiga postnatala hjärnan, ökar antalet GluN2A -subenheter under tidig utveckling; så småningom blir GluN2A -underenheter fler än GluN2B. Detta kallas GluN2B-GluN2A-utvecklingsomkopplaren och är anmärkningsvärd på grund av de olika kinetikerna som varje GluN2-subenhet bidrar till receptorfunktion. Till exempel leder större förhållanden mellan GluN2B -subenheten till NMDA -receptorer som förblir öppna längre jämfört med de med mer GluN2A. Detta kan delvis bero på större minnesförmåga under den omedelbara postnatala perioden jämfört med sent i livet, vilket är principen bakom genetiskt förändrade " doogie -möss ". Det detaljerade tidsförloppet för denna omkopplare i det mänskliga lillhjärnan har uppskattats med hjälp av uttrycksmikroarray och RNA seq och visas i figuren till höger.

Det finns tre hypotetiska modeller för att beskriva denna omkopplingsmekanism:

  • Ökning av synaptisk GluN2A tillsammans med minskning av GluN2B
  • Extrasynaptisk förskjutning av GluN2B bort från synapsen med ökning av GluN2A
  • Ökning av GluN2A utspädning av antalet GluN2B utan minskning av den senare.

Underenheterna GluN2B och GluN2A har också olika roller vid förmedling av excitotoxisk neuronal död. Utvecklingsomkopplaren i subenhetens sammansättning tros förklara utvecklingsförändringarna i NMDA -neurotoxicitet. Homozygot störning av genen för GluN2B hos möss orsakar perinatal dödlighet , medan avbrott i GluN2A -genen producerar livskraftiga möss, även om de har försämrad hippocampusplasticitet. En studie tyder på att reelin kan spela en roll i NMDA -receptorn mognad genom att öka GluN2B -subenhetens rörlighet.

GluN2B till GluN2C switch

Granulatcellprekursorer (ccp) i lillhjärnan, efter att ha genomgått symmetrisk celldelning i det yttre granulcellskiktet (EGL), migrerar in i det inre granulcellskiktet (IGL) där de nedreglerar GluN2B och aktiverar GluN2C, en process som är oberoende av neuregulin beta -signalering genom ErbB2- och ErbB4 -receptorer.

Roll i excitotoxicitet

NMDA -receptorer har impliceras av ett antal studier för att vara starkt involverade i excitotoxicitet . Eftersom NMDA -receptorer spelar en viktig roll för neurons hälsa och funktion har det diskuterats mycket om hur dessa receptorer kan påverka både cellöverlevnad och celldöd. Nya bevis stöder hypotesen att överstimulering av extrasynaptiska NMDA -receptorer har mer att göra med excitotoxicitet än stimulering av deras synaptiska motsvarigheter. Även om stimulering av extrasynaptiska NMDA -receptorer verkar bidra till celldöd, finns det bevis som tyder på att stimulering av synaptiska NMDA -receptorer bidrar till cellens hälsa och livslängd. Det finns gott om bevis för att stödja den dubbla naturen hos NMDA -receptorer baserat på plats, och hypotesen som förklarar de två olika mekanismerna är känd som "lokaliseringshypotesen".

Skilda kaskadvägar

För att stödja lokaliseringshypotesen skulle det vara nödvändigt att visa att olika cellulära signalvägar aktiveras av NMDA -receptorer baserat på dess placering i cellmembranet. Experiment har utformats för att stimulera antingen synaptiska eller icke-synaptiska NMDA-receptorer uteslutande. Denna typ av experiment har visat att olika vägar aktiveras eller regleras beroende på signalens ursprung. Många av dessa vägar använder samma proteinsignaler , men regleras motsatt av NMDAR beroende på dess plats. Till exempel orsakade synaptisk NMDA-excitation en minskning av den intracellulära koncentrationen av p38 mitogenaktiverat proteinkinas ( p38MAPK ). Extrasynaptisk stimulering NMDAR reglerade p38MAPK på motsatt sätt, vilket orsakade en ökning av intracellulär koncentration. Experiment av denna typ har sedan upprepats med resultaten som indikerar att dessa skillnader sträcker sig över många vägar kopplade till cellöverlevnad och excitotoxicitet.

Två specifika proteiner har identifierats som en viktig väg som är ansvarig för dessa olika cellulära svar ERK1/2 och Jacob. ERK1/2 är ansvarig för fosforylering av Jacob när den exciteras av synaptiska NMDAR. Denna information transporteras sedan till kärnan . Fosforylering av Jacob sker inte med extrasynaptisk NMDA -stimulering. Detta gör att transkriptionsfaktorerna i kärnan kan reagera annorlunda baserat på fosforyleringstillståndet för Jacob.

Neural plasticitet

NMDA -receptorer är också associerade med synaptisk plasticitet. Tanken att både synaptiska och extrasynaptiska NMDA-receptorer kan påverka långsiktig potentiering (LTP) och långvarig depression (LTD) olika har också undersökts. Experimentella data tyder på att extrasynaptiska NMDA -receptorer hämmar LTP medan de producerar LTD. Inhibering av LTP kan förhindras med introduktion av en NMDA -antagonist . En theta burst -stimulering som vanligtvis inducerar LTP med synaptiska NMDAR, när den appliceras selektivt på extrasynaptiska NMDAR producerar en LTD. Experiment indikerar också att extrasynaptisk aktivitet inte krävs för bildandet av LTP. Dessutom är både synaptiska och extrasynaptiska inblandade i att uttrycka en fullständig LTD.

De olika underenheternas roll

En annan faktor som verkar påverka NMDAR -inducerad toxicitet är den observerade variationen i underenhetens smink. NMDA -receptorer är heterotetramers med två GluN1 -subenheter och två variabla subenheter. Två av dessa variabla subenheter, GluN2A och GluN2B, har visat sig företrädesvis leda till cellöverlevnad respektive celldödskaskader. Även om båda subenheterna finns i synaptiska och extrasynaptiska NMDAR finns det vissa bevis som tyder på att GluN2B -subenheten förekommer oftare i extrasynaptiska receptorer. Denna observation kan hjälpa till att förklara den dualistiska roll som NMDA -receptorer spelar för excitotoxicitet.

Trots de övertygande bevisen och den relativa enkelheten hos dessa två teorier som fungerar tillsammans, råder det fortfarande oenighet om betydelsen av dessa påståenden. Vissa problem med att bevisa dessa teorier uppstår med svårigheten att använda farmakologiska medel för att bestämma subtyperna för specifika NMDAR. Dessutom förklarar teorin om subenhetsvariation inte hur denna effekt kan överväga, eftersom det är allmänt menat att den vanligaste tetrameren, gjord av två GluN1 -underenheter och en av varje subenhet GluN2A och GluN2B, utgör en hög andel av NMDAR .

Excitotoxicitet i klinisk miljö

Excitotoxicitet har antagits spela en roll i de degenerativa egenskaperna hos neurodegenerativa tillstånd sedan slutet av 1950 -talet. NMDA -receptorer verkar spela en viktig roll i många av dessa degenerativa sjukdomar som påverkar hjärnan. Framför allt har excitotoxiska händelser som involverar NMDA -receptorer kopplats till Alzheimers sjukdom och Huntingtons sjukdom, liksom med andra medicinska tillstånd som stroke och epilepsi. Att behandla dessa tillstånd med en av de många kända NMDA -receptorantagonisterna leder dock till en mängd oönskade biverkningar, varav några kan vara allvarliga. Dessa biverkningar observeras delvis eftersom NMDA -receptorerna inte bara signalerar celldöd utan också spelar en viktig roll för dess vitalitet. Behandling för dessa tillstånd kan hittas genom att blockera NMDA -receptorer som inte hittades vid synapsen. En klass av excitotoxicitet vid sjukdom inkluderar funktionsförstärkningsmutationer i GRIN2B och GRIN1 associerade med kortikala missbildningar, såsom polymicrogyria .

Ligander

Agonister

L - Glutaminsyra (glutamat), den viktigaste endogena agonisten för NMDAR: s huvudplats.
Glycin , den huvudsakliga endogena agonisten för glycin-ko-agoniststället för NMDAR.

Aktivering av NMDA -receptorer kräver bindning av glutamat eller aspartat (aspartat stimulerar inte receptorerna lika starkt). Dessutom kräver NMDAR också bindning av ko-agonisten glycin för effektiv öppning av jonkanalen, som är en del av denna receptor.

D -Serine har också visat sig samagonisera NMDA -receptorn med ännu större styrka än glycin. Den produceras av serin racemase och är berikad i samma områden som NMDA -receptorer. Borttagning av D -serin kan blockera NMDA -medierad excitatorisk neurotransmission på många områden. Nyligen har det visats att D -serin kan frigöras både av neuroner och astrocyter för att reglera NMDA -receptorer.

NMDA-receptor (NMDAR) -medierade strömmar är direkt relaterade till membrandepolarisering. NMDA -agonister uppvisar därför snabb Mg 2+ obindande kinetik, vilket ökar kanalöppningssannolikheten med depolarisering. Denna egenskap är grundläggande för NMDA -receptorns roll i minne och inlärning , och det har föreslagits att denna kanal är ett biokemiskt substrat för hebbiskt lärande , där den kan fungera som en tillfällighetsdetektor för membrandepolarisering och synaptisk överföring.

Exempel

Några kända NMDA -receptoragonister inkluderar:

Positiva allosteriska modulatorer inkluderar:

Neramexan

Figur 6: Kemisk struktur av neramexan, andra generationens memantinderivat.

Ett exempel på memantin derivatet är neramexan som upptäcktes genom att studera antalet aminoalkylgrupper cyklohexaner , med memantin som templat, som NMDA-receptorantagonister. Neramexan, som kan ses i figur 6, binder till samma plats som memantin i den NMDA -receptorassocierade kanalen och med jämförbar affinitet. Det visar också mycket liknande biotillgänglighet och blockerande kinetik in vivo som memantin. Neramexane gick till kliniska prövningar för fyra indikationer, inklusive Alzheimers sjukdom.

Partiella agonister

N -metyl- D -asparaginsyra (NMDA), en syntetisk partiell agonist av den huvudsakliga platsen för NMDAR.

N -metyl- D -asparaginsyra (NMDA), som NMDA-receptorn var uppkallad efter, är en partiell agonist av den aktiva eller glutamat igenkänningsställe.

3,5-dibrom- L -fenylalanin, ett naturligt förekommande halogenerad derivat av L -fenylalanin , är en svag partiell NMDA-receptoragonist som verkar på glycinstället. 3,5-Dibromo- L- fenylalanin har föreslagits en ny terapeutisk läkemedelskandidat för behandling av neuropsykiatriska störningar och sjukdomar såsom schizofreni och neurologiska störningar såsom ischemisk stroke och epileptiska anfall .

Andra svaga partiella agonister på glycinstället för NMDA-receptorn, såsom rapastinel (GLYX-13) och apimostinel (NRX-1074) ses nu för utveckling av nya läkemedel med antidepressiva och smärtstillande effekter utan uppenbara psykotomimetiska aktiviteter.

Exempel

Positiva allosteriska modulatorer inkluderar:

  • Apimostinel (NRX-1074)-syntetisk svag partiell agonist av ett allosteriskt ställe på glycinstället
  • Rapastinel (GLYX-13)-syntetisk svag partiell agonist av ett allosteriskt ställe på glycinstället

Antagonister

Ketamin , en syntetisk narkos och en av de mest kända NMDAR-antagonisterna.

Antagonister för NMDA -receptorn används som bedövningsmedel för djur och ibland människor, och används ofta som rekreationsmedicin på grund av deras hallucinogena egenskaper, förutom deras unika effekter vid förhöjda doser såsom dissociation . När vissa NMDA -receptorantagonister ges till gnagare i stora doser kan de orsaka en form av hjärnskada som kallas Olneys lesioner . NMDA -receptorantagonister som har visat sig inducera Olneys lesioner inkluderar ketamin , fencyklidin och dextrorfan (en metabolit av dextrometorfan ), liksom vissa NMDA -receptorantagonister som endast används i forskningsmiljöer. Hittills är den publicerade forskningen om Olneys skador otydlig när det gäller förekomsten på mänskliga eller apa hjärnvävnader med avseende på en ökning av närvaron av NMDA -receptorantagonister.

De flesta NMDAR-antagonister är icke- konkurrenskraftiga eller icke-konkurrenskraftiga blockerare av kanalporen eller är antagonister för glycin-samregleringsstället snarare än antagonister för det aktiva/glutamatstället.

Exempel

Vanliga medel där NMDA -receptorantagonism är den primära eller huvudsakliga verkningsmekanismen:

Några vanliga medel där svag NMDA -receptorantagonism är en sekundär eller ytterligare åtgärd inkluderar:

Nitromemantin

NMDA-receptorn regleras via nitrosylering och aminoadamantan kan användas som en målriktad skyttel för att föra kväveoxid (NO) nära platsen i NMDA-receptorn där den kan nitrosylera och reglera jonkanalkonduktiviteten. En NO -donator som kan användas för att minska NMDA -receptoraktiviteten är alkylnitrat -nitroglycerinet. Till skillnad från många andra NO -givare har alkylnitrater inte potentiella NO -associerade neurotoxiska effekter. Alkylnitrater donerar NO i form av en nitrogrupp som ses i figur 7, -NO 2 -, vilket är en säker givare som undviker neurotoxicitet. Nitrogruppen måste riktas mot NMDA -receptorn, annars kan andra effekter av NO, såsom vidgning av blodkärl och därmed hypotension, uppstå. Nitromemantin är ett andra generationens derivat av memantin, det minskar excitotoxicitet som förmedlas genom överaktivering av det glutamatergiska systemet genom att blockera NMDA-receptorn utan att offra säkerheten. Provisoriska studier av djurmodeller visar att nitromemantiner är mer effektiva än memantin som neuroprotektanter, både in vitro och in vivo. Memantin och nyare derivat kan bli mycket viktiga vapen i kampen mot neuronal skada.

Figur 7: Nitroglycerin donerar ONO 2 -grupp som leder till andra generationens memantinanalog, nitromemantin.

Negativa allosteriska modulatorer inkluderar:

Modulatorer

Exempel

NMDA -receptorn moduleras av ett antal endogena och exogena föreningar:

  • Aminoglykosider har visat sig ha en liknande effekt som polyaminer, och detta kan förklara deras neurotoxiska effekt.
  • CDK5 reglerar mängden NR2B -innehållande NMDA -receptorer på det synaptiska membranet, vilket påverkar synaptisk plasticitet .
  • Polyaminer aktiverar inte direkt NMDA-receptorer utan verkar istället för att förstärka eller hämma glutamatmedierade svar.
  • Reelin modulerar NMDA -funktionen genom Src -familjekinaser och DAB1 . signifikant förbättrad LTP i hippocampus .
  • Src kinas förbättrar NMDA -receptorströmmar.
  • Na + , K + och Ca 2+ passerar inte bara genom NMDA -receptorkanalen utan modulerar också aktiviteten hos NMDA -receptorer.
  • Zn 2+ och Cu 2+ blockerar i allmänhet NMDA-strömaktivitet på ett icke-konkurrenskraftigt och spänningsoberoende sätt. Men zink kan förstärka eller hämma strömmen beroende på neural aktivitet.
  • Pb 2+ är en potent NMDAR -antagonist. Presynaptiska underskott till följd av Pb 2+ -exponering under synaptogenes medieras av störning av NMDAR-beroende BDNF-signalering.
  • Proteiner från den stora histokompatibilitetskomplexet klass I är endogena negativa regulatorer av NMDAR-medierade strömmar i den vuxna hippocampus, och krävs för lämpliga NMDAR-inducerade förändringar i AMPAR- handel och NMDAR-beroende synaptisk plasticitet och inlärning och minne .
  • NMDA -receptorernas aktivitet är också påtagligt känslig för förändringarna i pH och delvis hämmad av den omgivande koncentrationen av H + under fysiologiska förhållanden. Hämningsnivån av H + reduceras kraftigt i receptorer som innehåller NR1a -undertypen, som innehåller den positivt laddade insatsen Exon 5. Effekten av denna insats kan efterliknas av positivt laddade polyaminer och aminoglykosider, vilket förklarar deras verkningssätt.
  • NMDA-receptorfunktionen regleras också starkt av kemisk reduktion och oxidation, via den så kallade "redox-modulerande platsen." Genom denna webbplats förbättrar reduktanter dramatiskt NMDA -kanalaktiviteten, medan oxidanter antingen vänder effekterna av reduktanter eller trycker ner nativa svar. Det antas allmänt att NMDA -receptorer moduleras av endogena redoxmedel, såsom glutation , liponsyra och det väsentliga näringsämnet pyrrolokinolinkinon .

Utveckling av NMDA -receptorantagonister

Huvudproblemet med utvecklingen av NMDA -antagonister för neuroskydd är att fysiologisk NMDA -receptoraktivitet är väsentlig för normal neuronal funktion. Fullständig blockad av all NMDA -receptoraktivitet resulterar i biverkningar som hallucinationer , agitation och anestesi . För att vara kliniskt relevant måste en NMDA -receptorantagonist begränsa dess verkan till blockering av överdriven aktivering, utan att begränsa normal funktion hos receptorn. Figur 3 visar förenklade modeller av olika typer av NMDA -receptorantagonister, vilka kommer att diskuteras vidare.

Konkurrenskraftiga NMDA -receptorantagonister

Konkurrenskraftiga NMDA -receptorantagonister, som utvecklades först, är inte ett bra alternativ eftersom de tävlar och binder till samma plats (NR2 -subenhet) på receptorn som agonisten, glutamat, och blockerar därför också normal funktion. De kommer att blockera friska områden i hjärnan innan de påverkar patologiska områden, eftersom friska områden innehåller lägre nivåer av agonister än patologiska områden. Dessa antagonister kan förskjutas från receptorn genom hög koncentration av glutamat som kan existera under excitotoxiska omständigheter.

Icke -konkurrenskraftiga NMDA -receptorantagonister

Figur 4: De kemiska strukturerna för MK-801, fencyclidine och ketamin, icke-konkurrerande NMDA-receptorantagonister med hög affinitet.

Okonkurrerande NMDA -receptorantagonister blockerar inom jonkanalen vid Mg 2+ -stället (porregionen) och förhindrar överdriven tillströmning av Ca 2+ . Icke -konkurrerande antagonism hänvisar till en typ av block som en ökad koncentration av glutamat inte kan övervinna, och är beroende av agonistens aktivering av receptorn, dvs den kommer bara in i kanalen när den öppnas av agonisten.

Memantine och relaterade föreningar

Figur 5: Kemiska strukturer av memantin (höger) och amantadin (vänster).

På grund av dessa negativa biverkningar av högaffinitetsblockerare fortsatte sökningen efter kliniskt framgångsrika NMDA -receptorantagonister för neurodegenerativa sjukdomar och fokuserade på att utveckla lågaffinitetsblockerare. Affiniteten kunde dock inte vara för låg och uppehållstiden inte för kort (sett med Mg 2+ ) där membrandepolarisering avlastar blocket. Upptäckten var därigenom utveckling av en konkurrenskraftig antagonist med längre uppehållstid än Mg 2+ i kanalen men kortare än MK-801. På så sätt skulle det erhållna läkemedlet bara blockera överdrivet öppna NMDA -receptorassocierade kanaler men inte normal neurotransmission. Memantine är det läkemedlet. Det är ett derivat av amantadin som först var ett anti-influensamedel men som senare upptäcktes av en slump att det hade effekt vid Parkinsons sjukdom. Kemiska strukturer av memantin och amantadin kan ses i figur 5. Föreningen antogs först vara dopaminerg eller antikolinerg men visade sig senare vara en NMDA -receptorantagonist.

Memantine är det första läkemedlet som är godkänt för behandling av svår och mer avancerad Alzheimers sjukdom , som till exempel antikolinerga läkemedel inte gör mycket nytta för. Det hjälper till att återställa synaptisk funktion och förbättrar på så sätt nedsatt minne och inlärning. Under 2015 är memantin också i prövningar av terapeutisk betydelse vid ytterligare neurologiska störningar.

Många andra generationens memantinderivat har utvecklats som kan visa ännu bättre neuroskyddande effekter, där huvudtanken är att använda andra säkra men effektiva modulerande platser på NMDA-receptorn utöver dess associerade jonkanal.

Strukturaktivitetsrelation (SAR)

Figur 8: Strukturaktivitetsförhållande (SAR) för amantadin och relaterade föreningar

Memantin (1-amino-3,5-dimetyladamantan) är ett aminoalkylcyklohexanderivat och en atypisk läkemedelsförening med icke-plan, tredimensionell tricyklisk struktur. Figur 8 visar SAR för aminoalkylcyklohexanderivat. Memantine har flera viktiga funktioner i sin struktur för sin effektivitet:

  • Tre -rings struktur med en brohuvudamin, -NH 2
  • -NH 2 -gruppen protoneras under kroppens fysiologiska pH för att bära en positiv laddning, -NH 3+
  • Två metyl- (CH 3 ) sidogrupper, som tjänar till att förlänga uppehållstiden och ökning stabilitet samt affinitet för NMDA-receptorkanalen jämfört med amantadin (1-adamantanamin).

Trots den lilla strukturella skillnaden mellan memantin och amantadin, två adamantanderivat, är affiniteten för bindningsstället för NR1/NR2B -subenheten mycket större för memantin. I patch-clamp -mätningar har memantin en IC 50 av (2,3 + 0,3) iM medan amantadin har ett IC 50 av (71,0 + 11,1) iM. Bindningsstället med högsta affinitet kallas det dominerande bindningsstället. Det innebär en koppling mellan amingruppen memantin och NR1-N161-bindningsfickan för NR1/NR2B-subenheten. Metylsidegrupperna spelar en viktig roll för att öka affiniteten till de öppna NMDA -receptorkanalerna och göra det till ett mycket bättre neuroskyddande läkemedel än amantadin. Bindfickorna för metylgrupperna anses vara i NR1-A645 och NR2B-A644 i NR1/NR2B. Bindningsfickorna visas i figur 2. Memantin binder vid eller nära Mg 2+ -stället inuti den NMDA -receptorassocierade kanalen. -NH 2 -grupp på memantin som protoneras vid fysiologiska pH-värdet i kroppen, representerar regionen som binder vid eller nära till Mg 2+ stället. Sätta två metylgrupper till -N på memantin strukturen har visat sig minska affiniteten, vilket ger ett IC 50 -värde av (28,4 + 1,4) iM.

Andra generationens derivat av memantin; nitromemantin

Flera derivat av Nitromemantine, ett andra generations derivat av memantin, har syntetiserats för att utföra ett detaljerat strukturaktivitetsförhållande (SAR) för dessa nya läkemedel. En klass, som innehåller en nitro (NO 2 ) -grupp är motsatt brohuvudet amin (NH 2 ), visade en lovande resultat. Nitromemantine Återvinnare memantin bindningsställe på NMDA-receptor att rikta NO x (X = 1 eller 2) grupp för interaktion med den S- nitrosylering / redox plats utanför memantin bindningsstället. Förlängning av memantins sidokedjor kompenserar för den sämre läkemedelsaffiniteten i kanalen associerad med tillsats av –ONO 2 -gruppen

Terapeutisk tillämpning

Excitotoxicitet antas vara inblandat i vissa neurodegenerativa störningar såsom Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom, Huntingtons sjukdom och amyotrofisk lateral skleros . Blockering av NMDA -receptorer kan därför i teorin vara användbar vid behandling av sådana sjukdomar. Det är emellertid viktigt att bevara fysiologisk NMDA -receptoraktivitet samtidigt som man försöker blockera dess överdrivna excitotoxiska aktivitet. Detta kan möjligen uppnås genom att konkurrenskraftiga antagonister blockerar jonkanalerna för receptorer när de är för öppna

Memantine är ett exempel på en icke -konkurrenskraftig NMDA -receptorantagonist som har godkänt indikation för den neurodegenerativa sjukdomen Alzheimers sjukdom. 2015 är memantin fortfarande i kliniska prövningar för ytterligare neurologiska sjukdomar.

Receptormodulering

NMDA-receptorn är en ospecifik katjonkanal som kan tillåta passage av Ca 2+ och Na + in i cellen och K + ut ur cellen. Den excitatoriska postsynaptiska potentialen (EPSP) som produceras genom aktivering av en NMDA -receptor ökar koncentrationen av Ca 2+ i cellen. Ca 2+ kan i sin tur fungera som en andra budbärare i olika signalvägar . NMDA -receptorkatjonkanalen blockeras emellertid av Mg2 + vid vilande membranpotential. Magnesiumblockering är inte omedelbar, för att avblockera alla tillgängliga kanaler måste den postsynaptiska cellen depolariseras under en tillräckligt lång tid (i skalan på millisekunder).

Därför fungerar NMDA -receptorn som en "molekylär tillfällighetsdetektor ". Dess jonkanal öppnas endast när följande två villkor är uppfyllda: glutamat är bundet till receptorn och den postsynaptiska cellen depolariseras (vilket tar bort Mg 2+ som blockerar kanalen). Denna egenskap hos NMDA-receptorn förklarar många aspekter av långsiktig potentiering (LTP) och synaptisk plasticitet .

NMDA -receptorer moduleras av ett antal endogena och exogena föreningar och spelar en nyckelroll i ett brett spektrum av fysiologiska (t.ex. minne ) och patologiska processer (t.ex. excitotoxicitet ).

Klinisk signifikans

NMDAR -antagonister som ketamin , esketamin , tiletamin , fencyklidin , lustgas och xenon används som allmänbedövning . Dessa och liknande läkemedel som dextrometorfan och metoxetamin ger också dissociativa , hallucinogena och euforiserande effekter och används som fritidsdroger .

NMDAR-hämmare, inklusive ketamin, esketamin (JNJ-54135419), rapastinel (GLYX-13), apimostinel (NRX-1074), 4-klorokynurenin (AV-101) och rislenemdaz (CERC-301, MK-0657), är under utveckling för behandling av humörstörningar , inklusive depression och behandlingsresistent depression . Dessutom används ketamin redan för detta ändamål som en off-label terapi på vissa kliniker.

Forskning tyder på att tianeptin ger antidepressiva effekter genom indirekt förändring och hämning av glutamatreceptoraktivitet och frisättning av BDNF , vilket i sin tur påverkar neural plasticitet . Tianeptin verkar också på NMDA- och AMPA -receptorerna . I djurmodeller hämmar tianeptin de patologiska stressinducerade förändringarna i glutamatergisk neurotransmission i amygdala och hippocampus.

Memantine , en lågfällande NMDAR-antagonist, är godkänd i USA och Europa för behandling av måttlig till svår Alzheimers sjukdom och har nu fått en begränsad rekommendation av Storbritanniens National Institute for Health and Care Excellence för patienter som misslyckas andra behandlingsalternativ.

Cochlear NMDAR är målet för intensiv forskning för att hitta farmakologiska lösningar för behandling av tinnitus . NMDAR är associerade med en sällsynt autoimmun sjukdom, anti-NMDA-receptor encefalit (även känd som NMDAR encefalit), som vanligtvis uppstår på grund av korsreaktivitet av antikroppar som immunsystemet producerar mot ektopiska hjärnvävnader, såsom de som finns i teratom . Dessa är kända som antiglutamatreceptorantikroppar .

Jämfört med dopaminerga stimulantia som metamfetamin kan NMDAR -antagonisten fencyclidine producera ett större antal symptom som liknar schizofreni hos friska frivilliga, i vad som har lett till glutamathypotesen om schizofreni . Experiment där gnagare behandlas med NMDA -receptorantagonist är idag den vanligaste modellen när det gäller att testa nya schizofreni -behandlingar eller utforska den exakta mekanismen för läkemedel som redan är godkända för behandling av schizofreni.

NMDAR antagonister, till exempel eliprodil , gavestinel , licostinel och selfotel har undersökts för behandling av excitotoxicitet förmedlad neurotoxicitet i situationer som ischemisk stroke och traumatisk hjärnskada , men misslyckades i kliniska prövningar som används i små doser för att undvika sedering, men NMDAR -antagonister kan blockera spridningsdepolariseringar hos djur och hos patienter med hjärnskada. Denna användning har inte testats i kliniska prövningar än.

Se även

Referenser

externa länkar