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四川大学华西医院麻醉与危重急救研究室蒋若天研究员团队:选择性激动TASK-3通道在啮齿类动物模型中发挥镇痛作用

四川大学华西医院麻醉与危重急救研究室/麻醉转化医学国家地方联合工程研究中心蒋若天教授团队与华东师范大学生命科学学院阳怀宇教授团队合作,于2019年11月在Science Translational Medicine (影响因子:17.161)发表文章“Selective activation of TWIK-related acid-sensitive K+ 3 subunit–containing channels is analgesic in rodent models”(长按下方二维码即可阅读全文)。




。。。双孔钾离子通道(K2P)可通过产生背景钾电流以影响细胞的静息膜电位,进而调控细胞的兴奋性。有效地激活K2P可阻断疼痛电信号在伤害性感受神经元的传导,故其成为近年来广泛研究的一类潜在镇痛靶点。TASK-3通道是K2P家族的一员,在周围神经系统和中枢神经系统中均有表达,且TASK-3通道可参与冷觉的感受。由于目前缺少选择性的药理工具,TASK-3通道在疼痛过程中的作用以及其可能镇痛的机制知之甚少。。。。。四川大学华西医院麻醉与危重急救研究室/麻醉转化医学国家地方联合工程研究中心蒋若天教授团队与华东师范大学生命科学学院阳怀宇教授团队合作,于2019年11月在Science Translational Medicine (影响因子:17.161)发表文章“Selective activation of TWIK-related acid-sensitive K+ 3 subunit–containing channels is analgesic in rodent models”(长按下方二维码即可阅读全文)。。。。


为获得TASK-3选择性激动剂,研究团队首先预测了TASK-3通道中存在一个潜在药物结合口袋,并针对该口袋设计获得了TASK-3通道的变构激动剂CHET3,通过电生理实验验证了CHET3对TASK-3通道具有高度选择性。接下来研究团队应用生物理论计算确定了CHET3与TASK-3的结合模型,并运用和分子动态模拟方法进一步提出了CHET3激动TASK-3的分子机制。


图1 CHET3与TASK-3通道的结合模型 


研究团队利用CHET3作为分子工具,开展了围绕TASK-3通道的靶标功能研究。在多个大小鼠急性和慢性痛模型中,CHET3表现出对冷、热和机械痛敏都有抑制作用,提示CHET3是能抗多种疼痛的先导化合物。研究团队从化学生物学和基因手段两方面验证了CHET3的镇痛功能是通过作用于TASK-3通道实现的(on-target 验证),排除其脱靶(off-target)可能性。首先采用化学生物学手段,研究团队设计合成了两个CHET3衍生物,一个阳性对照,在细胞水平依然激活TASK-3通道,另一个是阴性对照,在细胞水平对TASK-3无活性。在动物水平镇痛实验中,阳性对照化合物表现出优异的镇痛效果,而阴性对照化合物则完全没有镇痛活性。在基因策略方面,制备了TASK-3 敲除(KO) 小鼠,实验结果显示CHET3对KO鼠没有镇痛能力,且与野生型鼠相比,TASK-3 KO小鼠的痛阈更低。这些结果支持CHET3是通过作用于TASK-3发挥镇痛,从而确认TASK-3通道是镇痛新靶标从而确认TASK-3通道是镇痛新靶标。


研究团队还利用RNAscope技术、电生理和钙成像手段,确立了外周背根神经节(DRG) TASK-3阳性神经元是CHET3镇痛的作用靶标,并阐释了TASK-3通道介导的背景K+电流调控背根神经节(DRG)伤害性感受器神经元的细胞兴奋性的作用机制。除此之外,还评估了CHET3潜在的毒副作用。目前结果提示CHET3系统给药后并没有引起大小鼠明显的心血管、运动或呼吸功能失常。


本研究报道了首个TASK-3通道的选择性激动剂CHET3,并基于该小分子系统地评估了TASK-3通道作为新镇痛靶标的潜力,激动TASK-3可以降低伤害性感觉神经元兴奋性,从而抑制多种疼痛,为临床开发非阿片类的新型镇痛药物提供了新思路。



专家点评


陈凯先院士:新靶标发现和确证需要新思路和新策略。在该工作中,研究团队挑战了钾离子通道特异性激动剂设计这一世界级难题,用计算机辅助药物设计方法获得了TASK-3通道的高选择性小分子,进而发展了化学和生物学紧密结合的新靶标发现和确证综合研究方法,以原创小分子驱动离子通道的药理功能研究和转化价值评估。在研究过程中,团队成员发挥了各自优势,分子设计、化学生物学、离子通道学和疼痛学等学科和相应的技术,紧密配合、环环相扣、层层推进,也体系了多学科交叉合作研究对于新靶标发现和确证研究的重要性。


陈凯先,药物化学家,中国科学院上海药物研究所研究员,中国科学院院士。主要从事计算机辅助药物分子设计研究。进行有机小分子和生物大分子的结构和生物活性之间关系的研究,有活性的有机小分子结构预测和设计。提出了计算机药物和受体疏水作用力场三维分布的数学模型和药物构象研究的方法,发展了药效基团的搜寻方法,建立了利用计算机构建具有结构多样性的分子库和模拟筛选的方法,并应用于多种抗肿瘤药物与核酸相互作用的研究。开发了基于药物与受体三维结构的药物设计研究。


专家点评


徐天乐教授:疼痛相关研究目前有两个主要关注热点:一是揭示疼痛信号传导的神经环路机制,二是发现新的镇痛靶标和新型镇痛药物。发现新的非阿片类镇痛靶标,并基于新的镇痛靶标开发新先导化合物是目前镇痛研究领域迫切的需求。蒋若天和阳怀宇的合作团队采用理性药物设计方法获得了K2P类钾通道TASK-3的首创高选择性激动剂CHET3,分别从分子水平、细胞水平和整体动物水平上进行了靶标验证、药理表征以及整体动物上的药效/毒副作用研究,是化学生物学和疼痛生物学相结合的示范性研究案例。该项研究以CHET3为探针工具确证了TASK-3在外周疼痛信号传导中的重要角色,也是典型的基于新化学小分子探针发现新生物学的优秀案例。此外,首创小分子和新靶标或许为临床治疗带来新手段,产生新疗效,具有较高的临床转化价值。


徐天乐,上海交通大学基础医学院教授,国家杰出青年基金获得者,长江学者。主要从事离子通道的基础和转化医学研究,主要研究内容包括:离子通道与神经环路;学习记忆及相关疾病;脑疾病的药物新靶标。在酸敏感离子通道新配体、新功能以及调控新机制等方面取得了一些在国内外学术界有影响的成果。研究成果以通讯作者或共同通讯作者身份发表在NeuronNature CommunicationsScience AdvancesScience SignalingPLoS BiologyBraineLifeCell Reports和Journal of Neuroscience等。


作者投稿心得


我们团队发挥神经生物学方面的研究特色和优势,结合合作团队在生物计算和药物化学方面的优势,是取得此次成果的重要基础。跨学科合作在创新和原创中至关重要。


修改意见有许多中肯,也有许多不中肯,在和编辑和评审专家的沟通过程中,始终怀着谦卑之心,坚持立场,有理有据。针对中肯的意见进行细致修改,针对不合理的意见提出看法。和编辑沟通至关重要,和评审专家意见不一致的地方,要勇敢提出。最终,经过三次修改,论文被接受,历时8个月。


共同通信作者


蒋若天,博士,正高级研究员,硕士生导师。法国斯特拉斯堡大学/法国国家科研中心(UDS/CNRS)分子神经生物学博士,美国加州大学洛杉矶(UCLA)博士后。2016年以一层次引进人才方式全职回国在华西转化神经科学中心从事科研工作,四川省“千人计划”高层次引进人才。主要研究领域:胶质细胞与钾离子通道的神经生物学。重点关注神经环路发育以及疼痛、抑郁等疾病动物模型中的分子和细胞机制以及临床转化研究。主要手段包括膜片钳电生理、基于遗传编码探针多光子成像、生物化学、AAV病毒介导的基因编辑、化学小分子探针、老鼠疾病模型等。


以第一作者或通讯作者发表在Sci Transl MedPLOS BiologyPNASEMBO JJ NeurosciJ Biol ChemBrit J Pharmacol等国际顶尖杂志发表论文十余篇,并受邀为国际顶级综述杂志Trends in Biochemical Sciences和Chemical Reviews撰写综述文章。



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本文编辑:张永刚

本文排版:陈红梅 张洪雪

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