高 翔,樊永正,2,代 威,雍 政,蘇瑞斌
(1.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院毒物藥物研究所,抗毒藥物與毒理學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,神經(jīng)精神藥理學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100850;2.聯(lián)勤保障部隊(duì)第九九一醫(yī)院,湖北 襄陽 441000)
以阿片類藥物為代表的鎮(zhèn)痛藥在疼痛治療和誘導(dǎo)麻醉中的作用迄今無可替代,但該類藥物引發(fā)的嚴(yán)重呼吸抑制是導(dǎo)致死亡的重要原因之一[1-2]。雖然臨床上常用阿片受體拮抗劑(如納洛酮等)緩解阿片致呼吸抑制,但其在緩解呼吸抑制效應(yīng)的同時(shí)會(huì)抵消阿片的鎮(zhèn)痛效果,同時(shí)存在給藥方式單一、持續(xù)時(shí)間短、劑量不可控、需長時(shí)間密切觀察等缺點(diǎn)[3-5],用于對(duì)抗呼吸抑制需要進(jìn)一步評(píng)估和密切監(jiān)測(cè)患者各項(xiàng)體征。因此,探索可以改善阿片致呼吸抑制且并不影響阿片鎮(zhèn)痛效果的新型藥物,成為目前該類藥物開發(fā)的新思路,對(duì)于提升臨床急救能力具有重要意義。
近幾年眾多文獻(xiàn)報(bào)道,α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑丙酸(α-amino-3-hydroxyl-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid,AMPA)受體調(diào)節(jié)劑可調(diào)控呼吸功能,該受體在延髓呼吸中樞的前包欽格復(fù)合體廣泛分布,對(duì)調(diào)節(jié)呼吸節(jié)律的形成和呼吸沖動(dòng)的傳導(dǎo)發(fā)揮著關(guān)鍵作用[6-7]。有研究證實(shí),以安帕金(ampakine)為代表的AMPA受體調(diào)節(jié)劑可對(duì)抗多種藥物所致的呼吸抑制[8-11]。AMPA受體調(diào)節(jié)劑潛在的鎮(zhèn)痛、改善學(xué)習(xí)記憶和神經(jīng)保護(hù)等作用,與納洛酮等阿片受體拮抗劑相比,具有顯著優(yōu)勢(shì),可使救治預(yù)后更好,有望成為非特異性抗阿片致呼吸抑制藥物。
基于以上研究背景,本研究所藥物化學(xué)研究室在美國RespireRx制藥公司研發(fā)的苯甲酰胺類系列AMPA受體調(diào)節(jié)劑基礎(chǔ)上,通過三維藥效團(tuán)模型模擬、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及虛擬篩選,合成了200余個(gè)潛在AMPA受體調(diào)節(jié)劑。其中代號(hào)為LCX001的化合物(相對(duì)分子質(zhì)量275,化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1)可顯著提高阿片受體激動(dòng)劑TH-030418所致小鼠急性死亡生存率[12-15],且具有良好的鎮(zhèn)痛及鎮(zhèn)靜效應(yīng),同時(shí)放射性配體受體結(jié)合實(shí)驗(yàn)顯示,LCX001與[3H]AMPA無競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合,但可以明顯促進(jìn)[3H]AMPA與AMPA受體結(jié)合,表明LCX001通過調(diào)節(jié)AMPA受體發(fā)揮效應(yīng),屬于AMPA受體調(diào)節(jié)劑范疇,而非AMPA受體激動(dòng)劑或拮抗劑[14-15]。提示LCX001是具有抗阿片致呼吸抑制效應(yīng)的新型AMPA受體調(diào)節(jié)劑。本研究擬在前期初步篩選基礎(chǔ)上,對(duì)LCX001抗呼吸抑制量效和時(shí)效關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià),并初步探討其作用機(jī)制。

Fig.1 Chemical structure of LCX001.
SD大鼠,雄性,SPF級(jí),體重為180~220 g,由軍事醫(yī)學(xué)研究院動(dòng)物中心提供,合格證號(hào):SCXK-(軍)2016-004。大鼠飼養(yǎng)環(huán)境室溫24~26℃,濕度40%~60%,12 h/12 h交替日光燈照明。每籠5只,自由飲水與攝食。所有操作均按照軍事醫(yī)學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理與使用委員會(huì)的要求(批準(zhǔn)編號(hào):06-2018-020)進(jìn)行。
LCX001(批號(hào):140315,純度≥98%)和TH-030418(批號(hào):030418,純度≥98%)由本所藥物化學(xué)研究室合成;羥丙基-β-環(huán)糊精(批號(hào)E0276),北京鳳禮精求商貿(mào)有限責(zé)任公司;鄰苯二甲醛(批號(hào):BCCC3481,純度≥99%),美國Sigma公司。LCX001加入20%羥丙基-β-環(huán)糊精溶液配制至所需濃度;TH-030418溶于注射用水配制至所需濃度;以上藥物均現(xiàn)用現(xiàn)配。
清醒動(dòng)物肺功能測(cè)定儀,美國DSI公司;雷度ABL90系列血?dú)夥治鰞x和PICO70自吸式動(dòng)脈血?dú)忉槪淩adiometer公司;安捷倫1200系列液相色譜工作站,美國Agilent公司;DECAYDEⅡ電化學(xué)檢測(cè)器,荷蘭Antec Leyden公司;HoneyCombTM低溫樣品自動(dòng)收集器、M2250型微透析探針(透析膜長度4 mm)和Ω-型腦內(nèi)引導(dǎo)管,美國BAS公司;CMA120清醒動(dòng)物裝置和CMA100微量注射泵,瑞典CMA公司;ODS-C18色譜柱(10 μm,250 mm×4.6 mm),迪馬公司。
肺功能檢測(cè)儀由氣泵、透明有機(jī)玻璃箱、壓力傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)器和計(jì)算機(jī)操作界面相繼連接組成。氣泵用于連續(xù)輸送新鮮空氣和濾除二氧化碳,壓力傳感器測(cè)量氣壓變化,信號(hào)調(diào)節(jié)器將氣壓變化通過電信號(hào)轉(zhuǎn)化成具體數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)界面上顯示。設(shè)置清醒無創(chuàng)大鼠肺功能檢測(cè)儀參數(shù)和監(jiān)測(cè)條件:氣泵流量1.5 L·min-1,增益放大倍數(shù)1倍,傳感器放大倍數(shù)200倍,采樣功率500 Hz。將大鼠隨機(jī)分為呼吸抑制模型組(iv給予TH-030418 20 μg·kg-1)和模型+LCX001治療組(iv給予TH-030418 20 μg·kg-1,17.5 min后,iv給予LCX001 5,10和20 mg·kg-1),每組5只。檢測(cè)時(shí),將大鼠置于透明有機(jī)玻璃箱內(nèi)適應(yīng)30~40 min,而后連續(xù)測(cè)定15 min穩(wěn)定的肺功能參數(shù)〔每分鐘通氣量(minute ventilation,MV)、呼吸頻率(respiratory frequency,RF)和呼吸氣道阻力(enhanced pause,EP)〕的基礎(chǔ)值,而后取出大鼠按分組給藥,給藥后放回檢測(cè)儀中,2.5 min后開始記錄肺功能參數(shù),隨后每5 min測(cè)1次,直至62.5 min。將給予TH-030418前17.5,12.5和7.5 min 3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的大鼠肺功能參數(shù)測(cè)量值的平均值定義為基線值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果以各測(cè)量值與基線值的百分比表示。
將大鼠隨機(jī)分為模型組(iv給予TH-030418 20 μg·kg-1構(gòu)建呼吸抑制模型)和模型+LCX001治療組(iv給予TH-030418 20 μg·kg-1,5 min后,iv給予LCX001 5,10和20 mg·kg-1),每組5只。分別在給予TH-030418后0,5,15,30和60 min 5個(gè)時(shí)間點(diǎn),使用雷度PICO70血?dú)忉樧源笫蟾怪鲃?dòng)脈取血(每次取血量>65 μL),每次取血后1~2 min內(nèi)將血?dú)忉樦萌階BL90血?dú)夥治鰞x進(jìn)樣口,儀器自動(dòng)取樣并檢測(cè)動(dòng)脈血?dú)鈪?shù)〔氧分壓(oxygen partial pressure,pO2)、二氧化碳分壓(carbon dioxide partial pressure,pCO2)和血氧飽和度(oxygen saturation,sO2)〕值。
1.4.1 大鼠腦立體定位置管手術(shù)
大鼠ip給予水合氯醛(400 mg·kg-1)麻醉,俯臥固定于立體定位儀上,充分暴露顱骨表面,定位海馬區(qū)的坐標(biāo):前囟后5.2~5.5 mm,前囟側(cè)4~6 mm,顱骨面下5 mm。將引導(dǎo)管垂直插至指定深度,用小螺釘和牙科水泥將其固定于顱骨面。術(shù)后縫合皮膚,將大鼠單籠飼養(yǎng),恢復(fù)48~72 h后用于腦微透析實(shí)驗(yàn)。
1.4.2 大鼠藥物處理和腦微透析樣品采集
置管手術(shù)后,將大鼠隨機(jī)分為4組,分別為溶劑對(duì)照組(ip給予20%羥丙基-β-環(huán)糊精)、LCX001對(duì)照組(ip給予LCX001 20mg·kg-1)、模型組(iv給予TH-030418 20 μg·kg-1)和模型+LCX001 預(yù)防組(ip給予LCX001 20 mg·kg-1,15 min后,iv給予TH-030418 20 μg·kg-1),每組5只。給藥前,將大鼠用乙醚輕微麻醉,小心取出引導(dǎo)管內(nèi)的鋼芯,將M2250型探針置入導(dǎo)管內(nèi),探針事先通過連接管與微量注射泵和收集器的收集針相連,微量注射泵以1.5 μL·min-1的速度灌流人工腦脊液(mmol·L-1:NaCl 124,KCl 5,NaH2PO41.25,MgSO42,葡萄糖10,CaCl22和NaHCO326),收集器溫度調(diào)至4°C。將大鼠置于觀察籠內(nèi),每20 min收集25 μL腦脊液微透析樣品,平衡透析1 h后,加入2 μL鄰苯二甲醛進(jìn)行衍生化反應(yīng)10 min,隨后取25 μL樣品進(jìn)行HPLC-ECD檢測(cè)。呼吸抑制組在給藥前測(cè)定40 min的Glu基礎(chǔ)釋放值變化,并于0 min時(shí)間點(diǎn)給予TH-030418,隨后每隔20 min收集一次透析樣品并進(jìn)行HPLC-ECD檢測(cè)至160 min;溶劑對(duì)照組、LCX001對(duì)照組和模型+LCX001預(yù)防組在給藥前測(cè)定20 min的Glu基礎(chǔ)釋放值變化,并于-15 min時(shí)間點(diǎn)分別給予溶劑和LCX001(其中模型+LCX001預(yù)防組在給LCX001 15 min后給予TH-030418),15 min后取樣1次并進(jìn)行HPLC-ECD檢測(cè),隨后每隔20 min收集1次透析樣品并進(jìn)行HPLC-ECD檢測(cè)至160 min。將給予TH-030418前40和20 min 2個(gè)時(shí)間點(diǎn)的谷氨酸含量測(cè)量值的平均值定義為基線值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果以各測(cè)量值與基線值的百分比表示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后處死大鼠,取全腦切片檢查,剔除置管位置不正確的動(dòng)物數(shù)據(jù)。
1.4.3 HPLC-ECD色譜條件
流動(dòng)相配制:磷酸二氫鈉15.59 g,辛烷磺酸鈉0.1605 g,EDTA0.0080 g,氯化鉀 0.1493 g,溶于800 mL雙蒸水中,加入乙腈10 mL,乙酸5 mL,甲醇150 mL,用濃磷酸調(diào)pH至3.32,加雙蒸水定容至1000 mL,0.22 μm微孔濾膜抽濾。電化學(xué)檢測(cè)器的工作電極為玻璃碳,參比電極為固態(tài)Ag/AgCl,檢測(cè)工作電壓為±0.70 V,流速為1.0 mL·min-1,柱溫28℃。
iv 給予 TH-03041820 μg·kg-1后,大鼠立即出現(xiàn)靜止不動(dòng)、木僵、豎尾和呼吸困難等現(xiàn)象。肺功能參數(shù)檢測(cè)結(jié)果(圖2)顯示,在給予TH-030418后2.5 min時(shí)間點(diǎn),呼吸抑制模型組大鼠MV和RF均比基礎(chǔ)值顯著下降(P<0.01),而EP則比基礎(chǔ)值顯著增加(P<0.01)。而模型+不同劑量LCX001組大鼠MV,RF和EP均表現(xiàn)出一定程度的改善,其中模型+LCX001 20 mg·kg-1組在給予 TH-030418后22.5 min時(shí)間點(diǎn)MV迅速上升至與基礎(chǔ)值相近的水平(P=0.67);與相同時(shí)間點(diǎn)模型組相比,模型+LCX001 20 mg·kg-1組在37.5~62.5 min MV顯著升高(P<0.01),在22.5~62.5 min RF顯著升高(P<0.01);在47.5,57.5和62.5 min EP顯著降低(P<0.05),提示LCX001能有效逆轉(zhuǎn)TH-030418所致的大鼠MV和RF下降及EP升高,改善大鼠呼吸狀態(tài)。

Fig.2 Effects of LCX001 on lung function parameters in TH-030418-induced respiratory depression rats.Rats were divided into respiratory depression model group that was iv given TH-030418 20 μg·kg-1(0 min)and model+LCX001 groups[iv given TH-030418 20 μg·kg-1(0 min),15 min later iv given LCX001 5,10 or 20 mg·kg-1].The mean of the measured values at-17.5(17.5 min before TH-030418 administration),-12.5 and-7.5 min was defined as 100%.All the data were normalized to a percentage by dividing the mean.Lung function parameters were measured every 5 min.MV:minute ventilation;RF:respiratory frequency;EP:enhanced pause.±s,n=5.*P<0.05,**P<0.01,compared with the corresponding time point of model group;#P<0.01,compared with-7.5 min of model group.
大鼠 iv 給予 TH-030418 20 μg·kg-1后腹主動(dòng)脈血顏色暗紅,給予LCX001 20 mg·kg-1后15,30和60 min由暗紅逐漸變?yōu)轷r紅。動(dòng)脈血?dú)鈪?shù)檢測(cè)結(jié)果(圖3)顯示,在給予TH-030418后5 min,模型組大鼠pCO2顯著上升,pO2和sO2顯著下降(P<0.01),提示TH-030418引發(fā)大鼠明顯呼吸抑制。與相同時(shí)間點(diǎn)模型組相比,模型+LCX001 20 mg·kg-1組大鼠pCO2顯著下降,pO2和sO2顯著上升(P<0.01)。提示LCX001可以逆轉(zhuǎn)TH-030418所致呼吸抑制大鼠動(dòng)脈血?dú)鈪?shù)的變化,使其恢復(fù)或接近基礎(chǔ)值水平。

Fig.3 Effects of LCX001 on arterial blood gas parameters in TH-030418-induced respiratory depression rats.Rats were divided into respiratory depression model group(iv given TH-030418 20 μg·kg-1)and model+LCX001 groups(iv given TH-030418 20 μg · kg-1,5 min later iv given LCX001 5,10 and 20 mg·kg-1).pCO2:carbon dioxide partial pressure;pO2:oxygen partial pressure;sO2:oxygen saturation.± s,n=5. **P<0.01,compared with the corresponding time point of TH-030418 group;#P<0.01,compared with 0 min of model group.
LCX001對(duì)照組(P=0.12)和溶劑對(duì)照組(P=0.40)各時(shí)間點(diǎn)腦脊液中Glu含量均未見明顯變化,提示單用LCX001并不引起Glu含量釋放的明顯改變。模型組大鼠給予TH-030418后20 min與該組給予TH-030418前20 min時(shí)間點(diǎn)相比,大鼠腦脊液中Glu含量明顯下降(P<0.05)。模型+LCX001組在給予TH-030418后20,60,120和160 min時(shí)間點(diǎn)大鼠腦脊液中Glu含量均比相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的模型組顯著升高(P<0.05,P<0.01),提示LCX001可逆轉(zhuǎn)TH-030418引起的大鼠腦脊液Glu含量減少(圖4)。

Fig.4 Effect of LCX001 on glutamate(Glu)release in TH-030418-induced respiratory depression rats.Rats were divided into vehicle group[ip given 20% hydroxypropyl-βcyclodextrin at 15 min before TH-030418 injection(-15 min)],LCX001 control group(ip given LCX001 20 mg·kg-1at-15 min),model group(iv given TH-030418 20 μg·kg-1at-15 min)and model+LCX001 group(ip given LCX001 20 mg·kg-1at-15 min,15 min later iv given TH-030418 20 μg · kg-1).The mean of the measured values at-40 and-20 min was defined as 100%.All the data were normalized to a percentage by dividing the mean.Glu content was measured every 20 min.±s,n=5.*P<0.05,compared with-20 min time point of model group;#P<0.05,##P<0.01,compared with the corresponding time point of model group.
本研究對(duì)新型AMPA受體調(diào)節(jié)劑LCX001改善阿片類藥物所致呼吸抑制的量效和時(shí)效進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行初步探討,結(jié)果提示,LCX001可明顯逆轉(zhuǎn)TH-030418所致呼吸抑制大鼠的肺功能參數(shù),并顯著改善動(dòng)脈血?dú)猓行?duì)抗阿片類致大鼠呼吸抑制,這一效應(yīng)可能與LCX001調(diào)節(jié)呼吸抑制大鼠海馬腦區(qū)神經(jīng)細(xì)胞外液的Glu神經(jīng)遞質(zhì)釋放有關(guān)。
近幾年眾多研究表明,AMPA受體與呼吸功能關(guān)系密切,尤其表達(dá)于介導(dǎo)呼吸節(jié)律產(chǎn)生的重要核團(tuán)前包欽格復(fù)合體的AMPA受體參與呼吸節(jié)律和幅度的調(diào)控,在內(nèi)源性激動(dòng)劑Glu的激活作用下,AMPA受體對(duì)中樞神經(jīng)元的興奮和抑制平衡進(jìn)行調(diào)節(jié),并維持呼吸中樞的正常功能[16-17]。與現(xiàn)有臨床使用的特異性拮抗劑及呼吸興奮劑相比較,AMPA受體調(diào)節(jié)劑表現(xiàn)出對(duì)抗呼吸抑制特點(diǎn),具有副作用低、安全性好等優(yōu)勢(shì),同時(shí)可能具有的鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、改善學(xué)習(xí)記憶和神經(jīng)保護(hù)等作用,可以使救治預(yù)后更好。
LCX001是在AMPA受體調(diào)節(jié)劑CX717和CX1739結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改構(gòu)合成的新結(jié)構(gòu)類型的化合物,可通過調(diào)節(jié)AMPA受體的功能發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng),與AMPA受體激動(dòng)劑不同的是,該類化合物不會(huì)產(chǎn)生抽搐等驚厥樣行為,目前CX717已經(jīng)作為改善阿片類致呼吸抑制藥物進(jìn)入Ⅱ期臨床試驗(yàn)[18]。本課題組前期體外實(shí)驗(yàn)已證實(shí),LCX001對(duì)AMPA受體有正向調(diào)節(jié)作用,可以促進(jìn)神經(jīng)元的興奮性傳遞[15]。本研究選用阿片類藥物TH-030418建立呼吸抑制大鼠模型,系統(tǒng)考察了LCX001改善呼吸抑制的量效和時(shí)效關(guān)系。TH-030418是我所自行設(shè)計(jì)合成的一個(gè)結(jié)構(gòu)新穎的長效阿片受體激動(dòng)劑,作為噻吩諾啡的衍生物,可以非選擇性地與各亞型阿片受體結(jié)合,并具有很強(qiáng)的親和力,是一類比嗎啡和二氫埃托啡更為強(qiáng)效的阿片類鎮(zhèn)痛藥。TH-030418的鎮(zhèn)靜和麻醉作用明確,呼吸抑制強(qiáng)度具有明顯劑量依賴性,在較低劑量下(8 μg·kg-1)即可產(chǎn)生呼吸抑制,且持續(xù)時(shí)間長,更有意義的是,在納洛酮催促戒斷、條件性位置偏愛和自身給藥實(shí)驗(yàn)中,均未發(fā)現(xiàn)有明顯身體依賴和精神依賴潛能[12-14]。上述藥理藥效特點(diǎn)說明,TH-030418可作為良好的工具藥用于中重度呼吸抑制模型的建立。考慮到避免雌性發(fā)情周期對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾及性別導(dǎo)致的阿片受體敏感性差異,本研究選擇了雄性大鼠給予TH-030418建立呼吸抑制模型,測(cè)定處于清醒和自由活動(dòng)大鼠的MV、RF和EP等呼吸指標(biāo),結(jié)果顯示,LCX001能有效逆轉(zhuǎn)TH-030418所致大鼠RF降低、MV下降和EP增加等呼吸抑制狀態(tài)。呼吸抑制大鼠的動(dòng)脈血?dú)鈪?shù)pO2、pCO2和sO2也進(jìn)一步確證LCX001抗阿片類致呼吸抑制的有效性。
目前已證實(shí),阿片受體、Glu、γ-氨基丁酸、甘氨酸和Ca2+等都參與呼吸節(jié)律的調(diào)控。延髓呼吸中樞產(chǎn)生的節(jié)律性呼吸依賴于延髓呼吸中樞內(nèi)各神經(jīng)元之間復(fù)雜的相互聯(lián)系和相互作用,其中Glu系統(tǒng)是興奮呼吸中樞的主要神經(jīng)系統(tǒng),可調(diào)控呼吸節(jié)律,增強(qiáng)興奮性神經(jīng)沖動(dòng)向膈肌運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的傳遞。中樞Glu釋放與激動(dòng)AMPA受體和NMDA受體密切相關(guān)。而直接作用于AMPA受體的激動(dòng)劑,由于直接與受體的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合,易對(duì)受體產(chǎn)生過度刺激引發(fā)神經(jīng)毒性[19-21]。為了考察LCX001改善呼吸抑制的作用機(jī)制,本研究采用微透析法測(cè)定與呼吸密切相關(guān)的海馬腦區(qū)的Glu釋放。結(jié)果顯示,TH-030418使海馬腦區(qū)細(xì)胞外液Glu釋放明顯減少,單用LCX001對(duì)海馬腦區(qū)細(xì)胞外液Glu含量無影響,但預(yù)先給予LCX001后可緩解TH-030418所致的Glu釋放減少,使其恢復(fù)至接近基礎(chǔ)值狀態(tài),且未造成過度激活。以上結(jié)果表明,LCX001發(fā)揮變構(gòu)調(diào)節(jié)功能,可能是通過與AMPA受體激動(dòng)劑不同的受體結(jié)合位點(diǎn),通過增強(qiáng)AMPA受體激動(dòng)劑與AMPA受體的結(jié)合,影響AMPA受體的脫敏和失活過程實(shí)現(xiàn)對(duì)AMPA受體的精確調(diào)控,相比于直接作用于AMPA受體的激動(dòng)劑更具優(yōu)勢(shì)。