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浓度已下降,氯胺酮为何仍能持续起效

Nature · 2023-10-18

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Nature · 研究前沿

浓度已下降,氯胺酮为何仍能持续起效

小鼠研究发现,氯胺酮可在外侧缰核NMDA受体通道内滞留,使受体抑制持续到一天。神经活动与周围药物浓度共同影响这一过程,把短暂接触与较长行为效应联系起来。

AI概念图:膜中受体通道内暂时滞留的分子;非真实分子结构或实验数据

周围的药物已经减少,作用为什么还在?氯胺酮在小鼠体内消除很快,某些抗抑郁样行为效应却能维持一天。2023年10月18日发表于 Nature 的研究追踪外侧缰核(LHb),发现答案可能藏在受体通道内部:药物进入后,通道关闭可以把它暂时困住。血液或脑组织中的平均浓度,并不能完整描述这一局部过程。

关键发现

在慢性应激雄鼠中,氯胺酮对LHb的NMDA受体和簇状放电的抑制持续至24小时。受体通道的滞留机制,以及不同药物浓度下神经活动产生的相反影响,为这种持续作用提供了因果线索。

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药物浓度和行为,走着不同的时钟

研究先比较两条时间曲线。在经历慢性束缚应激的雄鼠中,氯胺酮处理后,强迫游泳不动时间减少,蔗糖偏好提高;这些变化在1小时和24小时仍显著。到第3天,游泳指标只剩未达显著的趋势,蔗糖偏好未显著改善,第7天的行为差异也不再显著。

与此同时,脑内药物浓度早已迅速下降。LHb的活动却跟随较慢的那条曲线:脑片和自由活动小鼠的记录都显示,簇状放电在24小时仍受抑制,到第3天则未再见显著抑制。原本簇状放电较强的细胞,更容易受到影响。

原论文图 1浓度、行为与簇状放电的时间进程
浓度、行为与簇状放电的时间进程
图1比较脑内氯胺酮浓度、1小时和24小时的行为指标,以及脑片和在体记录中的LHb簇状放电。
来源:Ma S et al. · Nature · CC BY
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周围药物减少,NMDA电流仍偏低

LHb的簇状放电依赖NMDA受体(NMDAR)参与。研究者发现,处理24小时后,LHb细胞的NMDAR电流仍明显减小;另一类谷氨酸受体AMPA所介导的电流幅度没有显著变化。因此,持续作用具有受体成分上的选择性,并非所有兴奋性传递都一起停止。

更有意思的是,这些脑片在记录前已经离开动物,并在不含氯胺酮的液体中经历长时间处理,受体抑制却仍保留。这个现象把注意力从脑内总药量,转向药物与受体相遇之后发生的事。

原论文图 2持续的NMDAR电流抑制
持续的NMDAR电流抑制
图2展示处理后1小时和24小时的NMDA、AMPA受体电流,以及单独分离NMDA成分得到的记录结果。
来源:Ma S et al. · Nature · CC BY
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门关上以后,分子暂时留在里面

氯胺酮是一类开放通道阻断剂:通道开放时它能够进入孔道,通道随后关闭,便可能把它留在内部。这像一扇短暂打开又合上的门,门外的分子已经散去,门内却仍有一部分没有离开。再次开放,才提供了释放的机会。

脑片中的比较支持这一解释。氯胺酮与另一种通道阻断剂美金刚都能压低NMDAR电流,但去除周围药物后,美金刚组较快恢复,氯胺酮组仍维持明显抑制。阻止受体内吞也没有使这种持续抑制消失,提示关键不只是受体被移入细胞。

局部LHb处理也呈现不同的持续性:氯胺酮组在一天和一周后仍有行为改善,美金刚组的一天后效应则不显著。局部氯胺酮处理两周后的游泳指标同样未见显著改善,持续作用仍有时间范围。

原论文图 3去除周围药物后的受体和行为效应
去除周围药物后的受体和行为效应
图3比较氯胺酮与美金刚去除后电流的恢复,并展示局部LHb处理后的行为结果。
来源:Ma S et al. · Nature · CC BY
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重新开放通道,电流能够恢复

如果分子困在通道里,神经活动是否能改变它的去留?研究者让突触输入与细胞去极化共同发生,为NMDAR重新开放创造条件。在氯胺酮已经从周围液体去除后,这种联合活动使原本持续偏低的受体电流明显恢复。

只有突触前刺激时,没有出现同样的恢复;未经历氯胺酮处理的细胞,也没有因联合活动产生持续的电流增强。这些对照使“原有阻断被解除”的解释,比单纯把电流恢复归因于新的突触增强更有说服力。

原论文图 4神经活动促进受体电流恢复
神经活动促进受体电流恢复
图4比较联合突触前后活动、只有突触前活动及无额外刺激时,氯胺酮去除后NMDAR电流的恢复。
来源:Ma S et al. · Nature · CC BY
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同一条输入,持续作用可以向两边变化

在活体中,研究者转向外侧下丘脑至LHb的输入。在周围氯胺酮浓度已较低时激活这条输入,刺激组一天后的NMDAR电流未见显著药物抑制,游泳行为中的持续改善也不再显著;未能被光激活的对照组则仍保留改善。

另一组实验选在药物浓度较高时增强输入。在这一较低给药条件下,对照组原本到一天后已无显著行为改善,而输入激活组仍表现出较低的NMDAR电流和较少的游泳不动。通道开放,既可能让已有分子离开,也可能让周围的分子进入;最终方向取决于当时的环境。

原论文图 5不同药物环境下的输入激活
不同药物环境下的输入激活
图5展示外侧下丘脑至LHb输入在不同氯胺酮浓度条件下的激活,以及一天后的受体电流与游泳行为结果。
来源:Ma S et al. · Nature · CC BY
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药物作用时间,也由靶点决定

这项研究把药代动力学之外的一段时间补了出来:药物在血液和组织里逐渐减少,不等于它与所有受体的作用已经结束。受体何时开放、局部细胞如何活动,都可能改变药物在靶点上停留多久,从而影响行为效应的持续性。

这些证据来自成年雄鼠和脑片,揭示的是LHb受体滞留对一天内持续作用的贡献。更长时间的效应仍可能涉及突触可塑性等过程。一次短暂接触如何留下较长影响,由此有了一个可检验的分子解释。

论文信息

Ma S, Chen M, Jiang Y, Xiang X, Wang S, Wu Z, Li S, Cui Y, Wang J, Zhu Y, Zhang Y, Ma H, Duan S, Li H, Yang Y, Lingle CJ, Hu H.
Sustained antidepressant effect of ketamine through NMDAR trapping in the LHb
Nature · 2023-10-18
DOI: 10.1038/s41586-023-06624-1