Kv 通道之 C 型(慢性)鈍化現象的分子機制作用,目前並不是 完全了解,而現今已知其作用機制為:Kv 通道上的選擇性過濾器 或是其附近位置被壓縮,而導致孔洞變小,而使鉀離子無法順利通 過孔洞 (Kurata and Fedida, 2006;Hille, 2001)。而在藥理學中,作 用於 C 型(慢性)鈍化閥門之探針藥是很重要的。C 型(慢性)鈍 化現象,調節神經細胞的興奮性並產生動作電位之輪廓及頻率,是 非常重要;但是,至目前為止,特定針對於 C 型(慢性)鈍化現象 之機制探討的藥物是很缺乏的。
所以,在此研究中發現在N2A (neuroblastoma)細胞上,HMJ-53A 能加速Kv電流慢性鈍化現象。我們證實 HMJ-53A在N2A細胞中Kv 通道產生此作用,是在細胞外並非細胞內 (Fig.4)。而Fig.5之結果,
可以是由於兩種可能性:第一個,HMJ-53A之作用是在Kv通道關閉 階段;第二個,HMJ-53A之作用是在Kv通道開啟階段。假設作用於 開啟階段時,當HMJ-53A作用在Kv通道上時,會造成活化速率變慢,
且足以阻礙防止電流至最高峰。但從結果上可知,不可能為後者的 假設,因為從Fig.9C,D可知,活化kinetics並不會受到HMJ-53A的影 響。
在Fig.5的結果上說明,假設當通道剛開啟,HMJ-53A直接堵住通
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道上外孔,並部分重疊正在活化的電流;對於這樣的想法,需提出 的一個假設為:第一階段,HMJ-53A快速地直接堵住孔洞,且在一 開始活化後非常快速的堵住孔洞,而之後第二階段中,在細胞持續 極化情況下,相對以緩慢的速度繼續接近其結合位置,隨之產生越 明顯的電流下降情形。假如前述的第二個階段存在,很有可能表示 有一個drug-channel結合的位置,而此位置是靠去極化(或通道打開)
才暴露出來的。
所以,在我們的研究中去進一步探討,HMJ-53A與通道相互作用,
是否與各種不同程度的去極化有關呢?然而,當有HMJ-53A作用 時,在不同程度的去極化下,電流衰退的速度是不變的 (Fig. 6)。
再者,HMJ-53A抑制Kv電流的百分比也是非電壓依賴性的 (Fig.7A)。
還有,假如HMJ-53A直接堵住通道上孔洞,則將會與鉀離子在通道 之孔洞內相遇;假如降低細胞內鉀離子濃度,HMJ-53A將會更強地 阻礙鉀離子的流出。然而,從結果中得知,HMJ-53A (10 μM)對於 抑制Kv電流的百分比或加速C型鈍化,皆不因為大幅度降低細胞內 鉀離子濃度而受影響 (Fig.7B,C)。
由以上我們的結果可知,HMJ-53A的作用不太可能是直接堵塞通 道洞孔所造成的;這樣的結果更能顯示HMJ-53A作用在鈍化閥門。
可讓我們想像,當Kv通道在關閉狀態,HMJ-53A已經鈍化通道,因
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此讓我們得知,HMJ-53A阻斷Kv通道是在關閉狀態,當Kv通道打 開後,HMJ-53A加速鈍化閥門的關閉。
在Shaker (Kv1)通道及一些哺乳類動物相似Shaker之通道中,提升 細胞外鉀離子濃度和從細胞外加入TEA,會阻礙C型鈍化 (Choi et al., 1991; Fedida et al., 1999; Lopez-Barneo et al., 1993; Molina et al., 1997)。無論如何,在N2A細胞上,Kv通道中的C型鈍化速率,並不 會受到TEA (3 mM)的影響 (Fig. 8)。這樣的結果,或許是因為在N2A 細胞中,並無哺乳類動物相似Shaker之通道存在。而在我們實驗中,
則顯示HMJ-53A能作用於Kv2.1,而加速C型鈍化 (Fig. 3)。
但是有趣的是,HMJ-53A不會使Kv通道回復的速率減慢 (Fig. 10),
這也表示,在復極化階段,HMJ-53A非常快速的離開Kv通道。基於 HMJ-53A抑制電流的Hill 係數3.5 (Fig.2),表示HMJ-53A在Kv通道 上,有數個結合位置;因此我們提出一個觀點,在Kv通道上,
HMJ-53A作用於某一個結合位置,而產生closed channel block,而 HMJ-53A作用於其他結合位置,而加速慢性鈍化。所以,在復極化 期間,HMJ-53A離開後者之結合位置比較快,而不減慢及影響通道 的恢復時間。
關於HMJ-53A與鈍化閥門之間的相互作用,HMJ-53A導致穩定狀 態之鈍化曲線左移12 mV。在未有HMJ-53A的N2A細胞上,可以記
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錄一個明顯的U型鈍化之Kv電流。因此,在較強的去極化中 (> +50 mV),鈍化閥門不容易關閉。有文獻指出,Kv1.5、Kv2.1和Kv3.1,
會表現U型鈍化 (Klemic et al., 2001; Kurata et al., 2005; Kurata et al., 2002);這或許表示N2A細胞中,存有一個或著一些這樣的通道,才 產生這樣的U型鈍化。
在極端的去極化下,Kv通道難以鈍化,而因此表現之U型鈍化,
其分子機制至今還不清楚。而HMJ-53A能克服此U型鈍化 (Fig. 9A),
更能證明HMJ-53A能加劇鈍化閥門的關閉。
HMJ-53A是否能影響細胞質內的活化閥門作用呢?在此我們提 供了證據,去顯示HMJ-53A對於Kv通道上活化的電壓依賴性和 kinetics並不影響 (Fig. 9B – D)。綜合以上結果,作用於Kv通道的鈍 化閥門的HMJ-53A是一個新穎的藥物。
目前已有幾篇報導指出,有幾種化合物可以增加鈍化閥門速度。
KN-93是目前已知作用在細胞外,而能提升Kv通道上慢性鈍化的速 度 (Ledoux et al., 1999; Rezazadeh et al., 2006);但此藥物的作用及 影響,沒有完全之可逆性且會作用在活化閥門:活化曲線有輕微的 左移現象,並且Boltzmann斜率有明顯的下降。 (Rezazadeh et al., 2006)。而亞麻油酸 (Linoleic acid)也能在Kv1.5和Kv2.1中,加速慢 性鈍化,而其作用在細胞外而非細胞內 (McKay and Worley, 2001);
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況且,亞麻油酸會影響活化閥門,使活化曲線左移和加速活化 kinetics (McKay and Worley, 2001)。因此,在我們的研究中發現,
HMJ-53A的作用是完全可逆的和有選擇性的作用在鈍化閥門上的。
故在往後的研究中,HMJ-53A將可以作為深入探討Kv通道之鈍化閥 門之理想藥物。
Quinidine目前已知能導致C型鈍化加速 (Wang et al., 2003),但 quinidine此作用須經由細胞內allosteric的動作且須通道先開啟而才 能把電流阻斷。此外,4-aminopyridine是一個作用在細胞質內的Kv 通道阻斷劑,但卻被證實出能抑制Shaker通道之C型鈍化,但其機 轉不甚清楚 (Claydon et al., 2007)。
最後,我們要問的,是否HMJ-53A可作用在細胞膜上或細胞內而 激發蛋白質激酶,進而影響鈍化閥門?從我們的結果得知,加入 staurosporine至N2A細胞後,不會改變細胞本身的電流衰退,或者也 不影響加入HMJ-53A後的C型鈍化速度。而這些否定的結果可以讓 我們確定HMJ-53A並不是作用在細胞膜上而再經由某些磷酸化訊 息傳遞路徑,去調控C型鈍化。而從HMJ-53A不能在細胞內影響Kv 電流的實驗中,意味著HMJ-53A的作用,並不是經由調控細胞內的 因子或是擾亂細胞膜上脂質(lipid)的平衡而造成的 (Oliver et al., 2004)。
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往後之研究方向,我們想繼續探討在 HMJ 系列衍生物的結構上,
大幅度地加長 CH2CH3,看其能否加倍增強鈍化之能力?我們也想 深入探討 HMJ 衍生物,對於其它已知存在神經細胞上之 Kv 通道,
例如:Kv1.1 或 Kv1.2…等之影響 (Sheng et al., 1993; Sheng et al., 1994; Shimada et al., 2007)。另一方面,當 HMJ-53A 在高濃度情況 下(例如:100μM),是否會對 Kv 通道上之其它動作有影響,而 在 HEK 細胞株上表達 Kv4.3,去深入探討是否高濃度的 HMJ-53A 會影響 Kv 通道上之 N 型鈍化呢?
我們想再深入研究一個有趣的問題,在生理層面,當神經細胞受 損時,例如:神經退化疾病;此 HMJ 衍生物其是否有神經保護之 功能呢?而作為一種神經保護嶄新之用藥呢?這是往後我們想再 深入探討之方向。