NMDA receptor

Razlikovati: NDMA (višeznačnost).

N'-metil-D-aspartatni receptor (također poznat kao NMDA receptor ili NMDAR), je glutamatni receptor i pretežno Ca²⁺ ionski kanal koji se nalazi u neuronima.^[3][4] NMDA receptor je jedan od tri tipa glutamatnih receptora, a druga dva su AMPA i kainatni receptor. U zavisnosti od sastava podjedinica, njegovi ligandi su glutamati i glicin (ili D-serin). Međutim, vezivanje liganada obično nije dovoljno za otvaranje kanala jer ga mogu blokirati Mg²⁺ ioni koji se uklanjaju tek kada je neuron dovoljno depolarizovan. Dakle, kanal djeluje kao "detektor slučajnosti" i tek kada su oba ova uslova ispunjena, on se otvara i omogućava pozitivno naelektrisanim ionima (kationima) da teku kroz ćelijsku membranu.^[5] Smatra se da je NMDA receptor veoma važan za kontrolu sinapse plastičnosti i posredovanje funkcija za učenje i pamćenje.^[6]

Stilizirani prikaz aktiviranog NMDAR-a. Glutamat se nalazi na mjestu vezivanja glutamata, a glicin na mjestu vezivanja glicina. Alosterno mjesto, koje modulira funkciju receptora kada je vezano za ligand, nije zauzeto. NMDAR-i zahtijevaju vezivanje dvije molekule glutamata ili aspartata i dvije molekule glicina^[1][2]

NMDA receptor je ionotropan, što znači da je protein koji omogućava prolaz iona kroz ćelijsku membranu.^[7] NMDA receptor je tako nazvan jer se agonistička molekula N-metil-D-aspartata (NMDA) selektivno veže za njega, a ne za druge glutamatne receptore. Aktivacija NMDA receptora rezultira otvaranjem ionskog kanala koji je neselektivan za katione, sa kombinovanim reverznim potencijalom blizu 0 mV. Dok je otvaranje i zatvaranje ionskog kanala prvenstveno određeno vezivanjem liganda, protok struje kroz ionski kanal zavisi od napona. Specifično smješteni na receptoru, vanćelijski ioni magnezija (Mg²⁺) i cinka (Zn²⁺) mogu se vezati i spriječiti druge katione da teku kroz otvoreni ionski kanal. Naponski zavisan protok pretežno kalcijevih (Ca²⁺), natrijevih (Na⁺) i kalijevih (K⁺) iona u i iz ćelije omogućen je depolarizacijom ćelije, koja istiskuje i odbija Mg²⁺ i Zn²⁺ ione iz pora.^{[8][9][10][11]} Ca²⁺ Smatra se da je fluks kroz NMDA receptore posebno ključan za sinapsnu plastičnost, ćelijski mehanizam za učenje i pamćenje, zbog proteina koji se vežu za Ca²⁺ ione i aktiviraju ih.

Aktivnost NMDA receptora blokiraju mnogi psihoaktivni lijekovi kao što su fenciklidin (PCP), alkohol (etanol) i dekstrometorfan (DXM).<^[12] Anestetički i analgetski efekti lijekova ketamina i dušik-oksida su također djelimično posljedica njihovog efekta na blokiranje aktivnosti NMDA receptora. Nasuprot tome, prekomjerna aktivacija NMDAR-a od strane NMDA agonista povećava citosolne koncentracije kalcija i cinka, što značajno doprinosi neuronskoj smrti, efektu za koji se zna da ga sprječavaju kanabinoidi, posredovani aktivacijom CB₁ receptora, što dovodi do toga da HINT1 protein suzbija toksične efekte NMDAR-posredovane proizvodnje NO i oslobađanja cinka.^[13] Pored sprečavanja neurotoksičnosti izazvane metamfetaminom putem inhibicije ekspresije sintaze dušik-oksida (nNOS) i aktivacije astrocita, uočeno je da smanjuje oštećenje mozga izazvano metamfetaminom putem CB1-zavisnih, odnosno nezavisnih mehanizama, a inhibicija astroglioza izazvanih metamfetaminom vjerovatno se javlja putem mehanizma zavisnog od THC koji je zavisan od CB₂ receptora.^[14] Od 1989., memantin je prepoznat kao nekompetitivni antagonist NMDA receptora, koji ulazi u kanal receptora, nakon što je aktiviran i time blokira protok iona.^[15][16][17]

Prekomjerna aktivacija receptora, koja uzrokuje prekomjerni priliv Ca²⁺, može dovesti do eksitotoksičnosti za koju se pretpostavlja da je uključena u neke neurodegenerativne poremećaje. Blokiranje NMDA receptora bi stoga, teorijski, moglo biti korisno u liječenju takvih bolesti.^{[17][18][19][20]} Međutim, hipofunkcija NMDA receptora (zbog nedostatka glutationa ili drugih uzroka) može biti uključena u oštećenje sinapsne plastičnosti^[21] i moglo bi imati druge negativne posljedice. Glavni problem s korištenjem antagonistay NMDA receptora za neuroprotekciju je taj što su fiziološka djelovanja NMDA receptora neophodna za normalnu neuronsku funkciju. Da bi bili klinički korisni, NMDA antagonisti moraju blokirati prekomjernu aktivaciju bez ometanja normalnih funkcija. Memantin ima ovo svojstvo.^[22]

Historija

Nakon otkrića NMDA receptora uslijedila je sinteza i proučavanje N-metil-D-asparaginske kiseline (NMDA) 1960-ih od strane Jeffa Watkinsa i kolega. Početkom 1980-ih, pokazano je da su NMDA receptori uključeni u nekoliko centralnih sinapsnih puteva..^[23][24] Selektivnost podjedinica receptora otkrivena je početkom 1990-ih, što je dovelo do prepoznavanja nove klase spojeva koji selektivno inhibiraju podjedinicu NR2B. Ovi nalazi doveli su do snažne kampanje u farmaceutskoj industriji.^[11] Na osnovu ovoga smatralo se da su NMDA receptori povezani s raznim neurološkim poremećajima kao što su epilepsija, Parkinsonova, Alzheimerova i Huntingtonova bolest te drugi poremećaji CNS-a.^[8]

Godine 2002., Hilmar Bading i saradnici su otkrili da ćelijske posljedice stimulacije NMDA receptora zavise od lokacije receptora na površini neuronskih ćelija.^[25][26] Sinapsni NMDA receptori podstiču ekspresiju gena, događaje povezane s plastičnošću i stečenu neuroprotekciju. Ekstrasinapsni NMDA receptori podstiču signalizaciju smrti; uzrokuju transkripcijsko isključivanje, mitohondrijalnu disfunkciju i strukturnu dezintegraciju.^[25][26] Ova patološka trijada ekstrasinapsne signalizacije NMDA receptora predstavlja zajedničku tačku konverzije u etiologiji nekoliko akutnih i hroničnih neurodegenerativnih stanja.^[27] Molekularnu osnovu za signalizaciju toksičnih ekstrasinapsnih NMDA receptora otkrili su Hilmar Bading i saradnici 2020.^[28] Ekstrasinapsni NMDA receptori formiraju kompleks signalizacije smrti sa TRPM4. Inhibitori interfejsa interakcije NMDAR/TRPM4 (također poznati kao inhibitori interfejsa) ometaju NMDAR/TRPM4 kompleks i detoksiciraju ekstrasinapsne NMDA receptore.^[28]

Slučajno otkriće napravljeno je 1968. godine kada je žena uzimala amantadin kao lijek za gripu i doživjela izvanredno povlačenje simptoma Parkinsonove bolesti. Ovo otkriće, o kojem su izvijestili Scawab i saradnici, bio je početak medicinske hemije derivata adamantana u kontekstu bolesti koje pogađaju CNS.^[29] Prije ovog otkrića, memantin, još jedan derivat adamantana, sintetizirala je kompanija Eli Lilly and Company 1963. godine. Cilj je bio razviti hipoglikemijski lijek, ali nije pokazao takvu efikasnost. Tek 1972. godine otkriven je mogući terapijski značaj memantina za liječenje neurodegenerativnih poremećaja. Od 1989. godine memantin je prepoznat kao nekompetitivni antagonist NMDA receptora.^[16]

Struktura

Trodimenzijskii prikaz ljudskog NMDA receptora. Svaka podjedinica je pojedinačno duginih boja.

Funkcionalni NMDA receptori su heterotetrameri koji sadrže različite kombinacije GluN1, GluN2 (A-D) i GluN3 (A-B) podjedinica izvedenih iz različitih genskih porodica (Grin1-Grin3). Svi NMDAR-i sadrže dvije obavezne GluN1 podjedinice, koje kada se sastave sa GluN2 podjedinicama istog tipa, daju kanonske diheteromerne (d-) NMDAR-e (npr. GluN1-2A-1-2A). Triheteromerni NMDAR-i, nasuprot tome, sadrže tri različita tipa podjedinica (npr. GluN1-2A-1-2B) i uključuju receptore koji su sastavljeni od jedne ili više podjedinica iz svake od tri genske porodice, označene kao t-NMDAR-i (npr. GluN1-2A-3A-2A).^[30] Postoji jedna GluN1, četiri GluN2 i dvije GluN3 podjedinice koje kodiraju gene, a svaki gen može proizvesti više od jedne varijante splajsovanja.

• GluN1 – GRIN1
• GluN2
  • GluN2A – GRIN2A
  • GluN2B – GRIN2B
  • GluN2C – GRIN2C
  • GluN2D – GRIN2D
• GluN3
  • GluN3A – GRIN3A
  • GluN3B – GRIN3B

Uključivanje

Slika 1: NR1/NR2 NMDA receptor

NMDA receptor je proteinski receptor glutamata i onskog kanala koji se aktivira kada se glicin i glutamat vežu za njega.^[5] Receptor je visoko kompleksan i dinamičan heteromerni protein koji interraguje sa mnoštvom unutarćelijskih proteina putem tri različite podjedinice, i to GluN1, GluN2 i GluN3. GluN1 podjedinica, koju kodira gen GRIN1, pokazuje osam različitih izoformi zbog alternativnog splajsovanja. S druge strane, GluN2 podjedinica, kojih postoje četiri različita tipa (A-D), kao i GluN3 podjedinica, kojih postoje dva tipa (A i B), kodirane su od strane šest odvojenih gena. Ova složena molekularna struktura i genetička raznolikost omogućavaju receptoru da obavlja širok spektar fizioloških funkcija unutar nervnog sistema.^[31][32] Sve podjedinice dijele zajedničku membransku topologiju kojom dominira veliki ekstracelularni N-kraj , membranska regija koja se sastoji od tri transmembranska segmenta, petlje reentrantne pore, ekstracelularne petlje između transmembranskih segmenata koji strukturno nisu dobro poznati i intracelularni C-kraj, koji se razlikuju po veličini ovisno o podjedinici i pružaju više mjesta interakcije s mnogim intracelularnim proteinima.^[31][33] Slika 1 prikazuje osnovnu strukturu GluN1/GluN2 podjedinica koje formiraju mjesto vezanja za memantin, Mg²⁺ i ketamin.

Slika 2: Transmembranska regija NR1 (lijevo) i NR2B (desno) podjedinica NMDA receptora

Mg²⁺ blokira kanal NMDA receptora na način koji zavisi od napona. Kanali su također visoko propusni za Ca²⁺. Aktivacija receptora zavisi od vezivanja glutamata, vezivanja D-serina ili glicina na njegovom mjestu vezivanja povezanom sa GluN1 i AMPA receptor-posredovane depolarizacije postsinapsne membrane, koja ublažava blokadu kanala zavisnu od napona izazvanu Mg²⁺. Aktivacija i otvaranje kanala receptora tako omogućava protok K⁺, Na⁺ i Ca²⁺ iona, a priliv Ca²⁺ pokreće unutarćelijske signalne puteve.^[15][34] Vezujuća mjesta alosternih receptora za cink, proteine i poliamine spermidin i spermin također su modulatori NMDA receptorskih kanala.^[35] GluN2B podjedinica je uključena u modulaciju aktivnosti kao što su učenje, pamćenje, obrada i ponašanje hranjenja, a također je povezana s brojnim ljudskim poremećajima. Osnovna struktura i funkcije povezane s NMDA receptorom mogu se pripisati GluN2B podjedinici. Naprimjer, mjesto vezivanja glutamata i kontrola Mg²⁺ bloka formiraju se od strane GluN2B podjedinice. Mjesta visokog afiniteta za glicin antagonist također su isključivo prikazana od strane GluN1/GluN2B receptora.^[32]

Transmembranski segmenti GluN1/GluN2B smatraju se dijelom receptora koji formira džepove vezivanja za nekompetitivne antagoniste NMDA receptora, ali strukture transmembranskih segmenata nisu u potpunosti poznate kao što je gore navedeno. Tvrdi se da su tri mjesta vezivanja unutar receptora, A644 na GluNB podjedinici i A645 i N616 na GluN1 podjedinici, važna za vezivanje memantina i srodnih spojeva, kao što se vidi na slici 2.^[33]

NMDA receptor formira heterotetramer između dvije GluN1 i dvije GluN2 podjedinice (podjedinice su prethodno označene kao GluN1 i GluN2), dvije obavezne GluN1 podjedinice i dvije regionalno lokalizirane GluN2 podjedinice. Srodna genska porodica GluN3 A i B podjedinica ima inhibitorni učinak na aktivnost receptora. Višestruke receptorske izoforme s različitim distribucijama u mozgu i funkcionalnim svojstvima nastaju selektivnim splajsiranjem GluN1 transkripata i diferencijalnom ekspresijom GluN2 podjedinica.

Svaka podjedinica receptora ima modularni dizajn i svaki strukturni modul također predstavlja funkcionalnu jedinicu:

• ekstracelularni domen sadrži dvije globulske strukture: modulatorni domen i domen koji veže ligand. GluN1 podjedinice vežu koagonist glicin, a GluN2 podjedinice vežu neurotransmiter glutamat.^[1][2]
• Modul koji veže agonist veže se za membranski domen, koji se sastoji od tri transmembranska segmenta i reentrantne petlje koja podsjeća na selektivni filter kalijevih kanala.
• Membranski domen doprinosi ostacima u porama kanala i odgovoran je za visoku unitarnu provodljivost receptora, visoku permeabilnost kalcija i naponski ovisni magnezijev blok.
• Svaka podjedinica ima opsežan citoplazmatski domen, koji sadrži ostatke koji se mogu direktno modificirati nizom protein-kinaza i protein-fosfataza, kao i ostatke koji stupaju u interakciju s velikim brojem strukturnih, adapterskih i skeletnih proteina.

Moduli za vezivanje glicina podjedinica GluN1 i GluN3 i modul za vezivanje glutamata podjedinice GluN2A eksprimirani su kao topljivi proteini, a njihova trodimenzijska struktura riješena je atomskom rezolucijom pomoću rendgenske kristalografije. Ovo je otkrilo zajednički nabor s bakterijskim proteinima koji vežu aminokiseline i s modulom za vezivanje glutamata AMPA-receptora i kainat-receptora.

Mehanizam djelovanja

NMDA receptori su ključni dio razvoja centralnog nervnog sistema. Procesi učenja, pamćenja i neuroplastičnosti oslanjaju se na mehanizam NMDA receptora. NMDA receptori su glutamatom kontrolirani kationski kanali koji omogućavaju povećanje permeabilnosti kalcija. Aktivacija kanala NMDA receptora rezultat je vezivanja dva koagonista, glicina i glutamata.

Prekomjerna aktivacija NMDA receptora, koja uzrokuje prekomjerni priliv Ca²⁺, može dovesti do ekscitotoksičnosti. Pretpostavlja se da je ekscitotoksičnost uključena u neke neurodegenerativne poremećaje poput Alzheimerove, Parkinsonove i Huntingtonova bolest|Huntingtonove bolesti]].^{[17][18][19][20]} Blokiranje NMDA receptora bi stoga, teorijski, moglo biti korisno u liječenju takvih bolesti.^[17][18][19] Međutim, važno je očuvati fiziološku aktivnost NMDA receptora dok se pokušava blokirati njihova prekomjerna, ekscitotoksična aktivnost. Ovo se potencijalno može postići nekompetitivnim antagonistima, blokirajući ionski kanal receptora kada je prekomjerno otvoren.^[19]

Nekompetitivni antagonisti NMDA receptora, ili blokatori kanala, ulaze u kanal NMDA receptora nakon što je aktiviran i time blokiraju protok iona.^[15][17] MK-801, ketamin, amantadin i memantin su primjeri takvih antagonista,^[15] vidi sliku 1. Brzina oslobađanja antagonista iz kanala receptora je važan faktor jer prespora brzina oslobađanja može ometati normalnu funkciju receptora, a prebrza brzina oslobađanja može dovesti do neefikasne blokade prekomjerno otvorenog receptora.^[19]

Memantin je primjer nekompetitivnog blokatora kanala NMDA receptora, sa relativno brzom brzinom oslobađanja i niskim afinitetom. Pri fiziološkom pH, njegova amino grupa je pozitivno naelektrisana, a njen antagonizam prema receptoru zavisi od napona.^[19] Time oponaša fiziološku funkciju Mg²⁺ kao blokatora kanala.^[16] Memantin blokira kanale povezane s NMDA-receptorima samo tokom produžene aktivacije receptora, kao što se dešava u ekscitotoksičnim uslovima, zamjenom magnezija na mjestu vezivanja. Tokom normalne aktivnosti receptora, kanali ostaju otvoreni samo nekoliko milisekundi i pod tim okolnostima memantin se ne može vezati unutar kanala i stoga ne ometa normalnu sinapsnu aktivnost.^[22]

Varijante

GluN1

Postoji osam varijanti podjedinice GluN1 nastalih alternativnim splajsovanjem GRIN1:<Structure and trafficking of NMDA and GABAA receptors | journal = Biochemical Society Transactions | volume = 34 | issue = Pt 5 | pages = 877–881 | date = November 2006 | pmid = 17052219 | doi = 10.1042/BST0340877 | s2cid = 24875113 }}</ref>

• GluN1-1a, GluN1-1b; GluN1-1a is the most abundantly expressed form.
• GluN1-2a, GluN1-2b;
• GluN1-3a, GluN1-3b;
• GluN1-4a, GluN1-4b;

GluN2

NR2 podjedinica kod kičmenjaka (lijevo) i beskičmenjaka (desno).Ryan et al., 2008

Dok se jedna GluN2 podjedinica nalazi kod beskičmenjaka, četiri različite izoforme GluN2 podjedinice su eksprimirane kod kičmenjaka i označene su nomenklaturom od GluN2A do GluN2D (kodirano od strane GRIN2A, GRIN2B, GRIN2C, GRIN2D). |Snažni dokazi pokazuju da su geni koji kodiraju GluN2 podjedinice kod kičmenjaka prošli kroz najmanje dva kruga duplikacija gena.^[36] Sadrže mjesto vezivanja za glutamat. Što je još važnije, svaka GluN2 podjedinica ima različit intracelularni C-terminalni domen koji može interragovati sa različitim skupovima signalnih molekula.^[37] Za razliku od GluN1 podjedinica, GluN2 podjedinice se eksprimiraju različito u različitim tipovima ćelija i vremenskim tačkama razvoja te kontroliraju elektrofiziološka svojstva NMDA receptora. |U klasičnim krugovima, GluN2B je uglavnom prisutan u nezrelim neuronima i na ekstrasinapsnim lokacijama kao što su konusi rasta,^[38] i sadrži mjesto vezivanja za selektivni inhibitor ifenprodil.^[39] Međutim, u sinapsama piramidalnih ćelija novoevoluiranog primatskog dorzolateralnog prefrontalnog korteksa, GluN2B se nalaze isključivo unutar postsinapsne gustoće i posreduju u višim kognitivni dorzolateralnog prefrontalnog korteksa m operacijama kao što je radna memorija.^[40] Ovo je u skladu sa širenjem djelovanja i ekspresije GluN2B u korteksnoj hijerarhiji kod majmuna^[41] i ljudi ^[42] i preko evolucije primatskog korteksa.^[43]

Prebacivanje sa GluN2B na GluN2A

Vremenski tok prelaska GluN2B-GluN2A u ljudskom malom mozgu. Bar-Shira et al., 2015 ^[44]

Iako je GluN2B predominantan u ranom postneonatusnom mozgu, broj GluN2A podjedinica se povećava tokom ranog razvoja; na kraju, podjedinice GluN2A postaju brojnije od GluN2B. Ovo se naziva razvojni prekidač GluN2B-GluN2A i značajno je zbog različite kinetike kojom svaka GluN2 podjedinica doprinosi funkciji receptora.^[45] Naprimjer, veći omjeri podjedinice GluN2B dovode do NMDA receptora koji ostaju duže otvoreni u poređenju s onima s više GluN2A.^[46] Ovo može djelimično objasniti veće sposobnosti pamćenja u neposrednom postnatalnom periodu u poređenju sa kasnim životnim vekom, što je princip koji stoji iza genetski modificiranih 'doogie miševa'. Detaljan vremenski tok ove promjene u ljudskom malom mozgu procijenjen je korištenjem ekspresijskog mikročipa i RNK sekvenciranja i prikazan je na slici desno.

Postoje tri hipotetska modela za opisivanje ovog mehanizma promjene:

• Povećanje sinaptičkog GluN2A zajedno sa smanjenjem GluN2B
• Ekstrasinapsno pomjeranje GluN2B dalje od sinapse sa povećanjem GluN2A
• Povećanje GluN2A razrjeđuje broj GluN2B bez smanjenja potonjeg.

Podjedinice GluN2B i GluN2A također imaju različite uloge u posredovanju eksitotoksične neuronske smrti.^[47] Smatra se da razvojna promjena u sastavu podjedinica objašnjava razvojne promjene u neurotoksičnosti NMDA.^[48] Homozigotni poremećaj gena za GluN2B kod miševa uzrokuje perinatalnu letalnost, dok poremećaj gena GluN2A proizvodi održive miševe, iako sa smanjenom plastičnošću hipokampusa.^[49] Jedna studija sugerira da reelin može imati ulogu u sazrijevanju NMDA receptora povećanjem pokretljivosti podjedinice GluN2B.^[50]

Prebacivanje sa GluN2B na GluN2C

Prekursori granularnih ćelija (GCP) malog mozga, nakon simetrične diobe ćelija ^[51] u vanjskom sloju granularnih ćelija (EGL), migriraju u unutrašnji sloj granularnih ćelija (IGL) gdje smanjuju ekspresiju GluN2B i aktiviraju GluN2C, proces koji je nezavisan od signalizacije neuregulina beta putem ErbB2 i ErbB4 receptora.^[52]

Uloga u ekscitotoksičnosti

Brojne studije su ukazale na to da su NMDA receptori snažno povezani s ekscitotoksičnošću.^[53][54][55] Budući da NMDA receptori imaju važnu ulogu u zdravlju i funkciji neurona, vodilo se mnogo diskusija o tome kako ovi receptori mogu uticati i na preživljavanje i na ćelijsku smrt.^[56] Nedavni dokazi podržavaju hipotezu da prekomjerna stimulacija ekstrasinapsnih NMDA-receptora ima više veze s ekscitotoksičnošću nego sa stimulacijom njihovih sinapsnih pandana.^[25][53] Osim toga, iako stimulacija ekstrasinapsnih NMDA-receptora izgleda doprinosi ćelijskoj smrti, postoje dokazi koji ukazuju na to da stimulacija sinapsnih NMDA-receptora doprinosi zdravlju i dugovječnosti ćelije. Postoje brojni dokazi koji podržavaju dvojaku prirodu NMDA receptora na osnovu lokacije, a hipoteza koja objašnjava dva različita mehanizma poznata je kao "hipoteza lokalizacije".^[53][56]

Različiti kaskadni putevi

Da bi se podržala hipoteza o lokalizaciji, bilo bi potrebno pokazati da se različiti ćelijski signalni putevi aktiviraju NMDA receptorima na osnovu njihove lokacije unutar ćelijske membrane.^[53] Eksperimenti su osmišljeni da stimulišu isključivo sinapsne ili nesinapsne NMDA receptore. Ove vrste eksperimenata su pokazale da se različiti putevi aktiviraju ili regulišu u zavisnosti od lokacije porijekla signala.^[57] Mnogi od ovih puteva koriste iste proteinske signale, ali su suprotno regulirani NMDAR-ima ovisno o njihovoj lokaciji. Naprimjer, sinapsna ekscitacija NMDA uzrokovala je smanjenje intracelularne koncentracije p38 mitogenom aktivirane protein-kinaze (p38MAPK). Ekstrasinapsna stimulacija NMDAR-ima regulirala je p38MAPK na suprotan način, uzrokujući povećanje unutarćelijske koncentracije.^[58][59] Eksperimenti ovog tipa su od tada ponovljeni, a rezultati ukazuju da se ove razlike protežu kroz mnoge puteve povezane sa preživljavanjem ćelija i ekscitotoksičnošću.^[53] Dva specifična proteina su identifikovana kao glavni put odgovoran za ove različite ćelijske odgovore ERK1/2 i Jacob.^[53] ERK1/2 je odgovoran za fosforilaciju Jacoba kada je pobuđen sinapsnm NMDAR-ima. Ove informacije se zatim transportuju u jedro. Fosforilacija Jacoba se ne odvija ekstrasinaptičkom NMDA-stimulacijom. To omogućava transkripcijskim faktorima u jedru da reaguju različito na osnovu stanja fosforilacije Jacoba.^[60]

Nervna plastičnost

NMDA receptori (NMDAR) kritično utiču na indukciju sinapsne plastičnosti. NMDAR pokreću i dugoročnu potencijaciju (LTP) i dugoročnu depresiju (LTD) putem brzog sinapsnog prijenosa.^[61] Eksperimentalni podaci ukazuju na to da ekstrasinaptički NMDA receptori inhibiraju LTP dok proizvode LTD.^[62] Inhibicija LTP-a može se spriječiti uvođenjem antagonista NMDA receptora]].^[53] teta eksplozivna stimulacija koja obično inducira LTP sa sinapsnim NMDAR-ima, kada se selektivno primijeni na ekstrasinapsne NMDAR-e, proizvodi LTD.^[63] Eksperimentiranje također pokazuje da ekstrasinapsna aktivnost nije potrebna za formiranje LTP-a. Osim toga, i sinaptička i ekstrasinapsna aktivnost su uključene u ekspresiju pune LTD.^[64]

Uloga različitih podjedinica

Još jedan faktor koji izgleda utiče na toksičnost izazvanu NMDAR-om je uočena varijacija u sastavu podjedinice. NMDA receptori su heterotetrameri sa dvije GluN1 podjedinice i dvije varijabilne podjedinice.^[53][65] Pokazalo se da dvije od ovih varijabilnih podjedinica, GluN2A i GluN2B, preferencijalno dovode do kaskada preživljavanja, odnosno ćelijske smrti. Iako se obje podjedinice nalaze u sinapsnim i ekstrasinaptičkim NMDAR-ima, postoje neki dokazi koji ukazuju na to da se GluN2B podjedinica češće javlja u ekstrasinapsnim receptorima. Ovo zapažanje bi moglo pomoći u objašnjavanju dualističke uloge koju NMDA receptori igraju u ekscitotoksičnosti.^[66][67] t-NMDA receptori su povezani sa smrću neurona posredovanom ekscitotoksičnošću kod epilepsije temporalnog režnja.^[68]

Uprkos uvjerljivim dokazima i relativnoj jednostavnosti ove dvije teorije koje djeluju zajedno, još uvijek postoji neslaganje oko značaja ovih tvrdnji. Neki problemi u dokazivanju ovih teorija nastaju zbog teškoće korištenja farmakoloških sredstava za određivanje podtipova specifičnih NMDAR-a.^[53][69] Osim toga, teorija varijacije podjedinica ne objašnjava kako bi ovaj efekat mogao prevladavati, budući da se široko smatra da najčešći tetramer, sastavljen od dvije GluN1 podjedinice i po jedne od svake podjedinice GluN2A i GluN2B, čini visok procenat NMDAR-a.^[53] Sastav podjedinica t-NMDA receptora nedavno je vizualizovan u moždanom tkivu.^[70]

Ekscitotoksičnost u kliničkom okruženju

Smatra se da ekscitotoksičnost igra ulogu u degenerativnim svojstvima neurodegenerativnih stanja još od kasnih 1950-ih.^[71] Čini se da NMDA receptori igraju važnu ulogu u mnogim od ovih degenerativnih bolesti koje pogađaju mozak. Najznačajnije je da su ekscitotoksični događaji koji uključuju NMDA receptore povezani s Alzheimerovom i Huntingtonovom bolešću, kao i s drugim medicinskim stanjima poput moždanog udara i epilepsije.^[53][72] Međutim, liječenje ovih stanja jednim od mnogih poznatih antagonista NMDA receptora dovodi do raznih neželjenih nuspojava, od kojih neke mogu biti ozbiljne. Ove nuspojave se, dijelom, primjećuju jer NMDA receptori ne samo da signaliziraju ćelijsku smrt, već imaju i važnu ulogu u njenoj vitalnosti.^[56] Liječenje ovih stanja moglo bi se pronaći u blokiranju NMDA receptora koji se ne nalaze na sinapsi.^[26][53] Jedna klasa ekscitotoksičnosti kod bolesti uključuje mutacije dobitka funkcije u GRIN2B i GRIN1 povezane s korteksnim malformacijama, kao što je polimikrogirija.^[73] D-serin, antagonist/inverzni koagonist t-NMDA receptora, koji se proizvodi u mozgu, pokazao se učinkovitim u ublažavanju gubitka neurona u životinjskom modelu temporalne epilepsije.^[68]

Ligandi

Agonisti

L-glutaminska kiselina (glutamat), glavni endogeni agonist glavnog mjesta NMDAR-a

Glicin, glavni endogeni agonist glicinskog koagonističkog mjesta NMDAR-a

Aktivacija NMDA receptora zahtijeva vezivanje glutamata ili aspartata (aspartat ne stimulira receptore tako snažno).^[74] Osim toga, NMDAR-ima je potrebno i vezivanje ko-agonista glicina za efikasno otvaranje onskog kanala, koji je dio ovog receptora.

Također je utvrđeno da D-serin koagonizira NMDA receptor s još većom snagom od glicina.^[75] Proizvodi ga serin-racemaza i obogaćen je u istim područjima kao i NMDA receptori. Uklanjanje **D**-serina može blokirati NMDA-posredovanu ekscitacijsku neurotransmisiju u mnogim područjima. Nedavno je pokazano da **D**-serin mogu oslobađati i neuroni i astrociti kako bi regulirali NMDA receptore. Treba napomenuti da je također pokazano da D-serin djeluje kao antagonist / inverzni koagonist za t-NMDA receptore.^[30][68]

Struje posredovane NMDA receptorom (NMDAR) direktno su povezane s depolarizacijom membrane. Stoga NMDA agonisti pokazuju brzu kinetiku odvezivanja Mg²⁺, povećavajući vjerovatnoću otvaranja kanala s depolarizacijom. Ovo svojstvo je fundamentalno za ulogu NMDA receptora za pamćenje i učenje, a sugerirano je da je ovaj kanal biohemijski supstrat Hebbovog učenja, gdje može djelovati kao detektor slučajnosti za depolarizaciju membrane i sinapsni prijenos.

Primjeri

Neki poznati agonisti NMDA receptora uključuju:

• Aminokiseline i derivati aminokiselina
  • Asparaginska kiselina (aspartat) (D-asparaginska kiselina, L-asparaginska kiselina) – endogeni agonist mjesta glutamata. Riječ N-metil-D-aspartat (NMDA) je djelimično izvedena iz D-aspartata.
  • Glutaminska kiselina (glutamat) – endogeni agonist mjesta glutamata
    • Tetrazolilglicin – sintetski agonist mjesta glutamata
    • Homocisteinska kiselina – endogeni agonist mjesta glutamata
    • Ibotenska kiselina – prirodni agonist mjesta glutamata koji se nalazi u Amanita muscaria
    • Kinolinska kiselina (kinolinat) – endogeni agonist mjesta glutamata
  • Glicin – endogeni agonist mjesta glicina
    • Alanin (D-alanin, L-alanin) – endogeni agonist glicinskog mjesta
    • Milacemid – sintetski agonist glicinskog mjesta; prolijek glicina
    • Sarkozin (monometilglicin) – endogeni agonist glicinskog mjesta
    • Serin (D-serin, L-serin) – endogeni agonist glicinskog mjesta
• Pozitivni alosterni modulatori
  • Cerebrosterol – endogeni slabo pozitivni alosterni modulator
  • Holesterol – endogeni slabo pozitivni alosterni modulator
  • Dehidroepiandrosteron (DHEA) – endogeni slabo pozitivni alosterni modulator
  • Dehidroepiandrosteron sulfat (DHEA-S) – endogeni slabo pozitivni alosterni modulator
  • Nebostinel (neboglamin) – sintetski pozitivni alosterni modulator glicinskog mjesta
  • Pregnenolon-sulfat – endogeni slabo pozitivni alosterni modulator
• Poliamini
  • Spermidin – endogeni agonist poliaminskog mjesta
  • Spermin – endogeni agonist poliaminskog mjesta

Nerameksan

Slika: Hemijska struktura nerameksana, derivata memantina druge generacije

Primjer derivata memantina je nerameksan koji je otkriven proučavanjem brojnih aminoalkil-cikloheksana, s memantinom kao matricom, kao antagonista NMDA receptora. Nerameksan se veže na isto mjesto kao i memantin unutar kanala povezanog s NMDA receptorom i sa usporedivim afinitetom. Također pokazuje vrlo sličnu bioraspoloživost i kinetiku blokiranja in vivo kao memantin. Nerameksan je prošao klinička ispitivanja za četiri indikacije, uključujući Alzheimerovu bolest.^[29]

Parcijalni agonisti

N-metil-D-asparaginska kiselina (NMDA), sintetski parcijalni agonist glavnog mjesta NMDAR-a

N-metil-D-asparaginska kiselina (NMDA), po kojoj je NMDA receptor dobio ime, je parcijalni agonist aktivnog ili glutamatnog mjesta prepoznavanja.

3,5-Dibromo-L-fenilalanin, prirodni halogenirani derivat L-fenilalanina, je slab parcijalni agonist NMDA receptora koji djeluje na glicinsko mjesto.^[76][77] 3,5-Dibromo-L-fenilalanin je predložen kao novi terapijski kandidat za liječenje neuropsihijatrijskih poremećaja i bolesti poput shizofrenije,^[78] i neurološki poremećaji poput ishemijskog moždanog udara i epilepsijskih napada.^[79]

Ostali parcijalni agonisti NMDA receptora koji djeluju na nova mjesta, kao što su rapastinel (GLYX-13) i apimostinel (NRX-1074), sada se razmatraju za razvoj novih lijekova s antidepresivnim i analgetskim efektima bez očiglednih psihotomimetičkih aktivnosti.^[80]

Primjeri

• Aminociklopropankarboksilna kiselina (ACC) – sintetski parcijalni agonist glicinskog mjesta
• Cikloserin (D-cikloserin) – prirodni parcijalni agonist glicinskog mjesta koji se nalazi u Streptomyces orchidaceus
• HA-966 i L-687,414 – sintetski slabi parcijalni agonisti glicinskog mjesta
• Homokinolinska kiselina – sintetski parcijalni agonist glutamatnog mjesta
• N-metil-D-asparaginska kiselina (NMDA) – sintetski parcijalni agonist glutamatnog mjesta

Pozitivni alosterički modulatori uključuju:

• Zelkvistinel (GATE-251) – sintetski parcijalni agonist novog mjesta
• Apimostinel (GATE-202) – sintetski parcijalni agonist novog mjesta
• Rapastinel (GLYX-13) – sintetski parcijalni agonist novog mjesta ^[81]

Antagonisti

Glavni članak: Antagonist NMDA receptora

Ketamin, sintetski opći anestetik i jedan od najpoznatijih antagonista NMDAR receptora

Antagonisti NMDA receptora koriste se kao anestetici za životinje, a ponekad i za ljude, te se često koriste kao rekreativna drogs zbog svojih halucinogenih svojstava, pored svojih jedinstvenih efekata pri povišenim dozama kao što je disocijacija. Kada se određeni antagonisti NMDA receptora daju glodarima u velikim dozama, mogu uzrokovati oblik oštećenja mozga koji se naziva Olneyjeve lezije. Antagonisti NMDA receptora za koje je dokazano da izazivaju Olneyjeve lezije uključuju ketamin i fenciklidin, kao i neke antagoniste NMDA receptora koji se koriste samo u istraživačkim okruženjima. Do sada, objavljena istraživanja o Olneyjevim lezijama nisu uvjerljiva u pogledu njihove pojave na ljudskom ili majmunskom moždanom tkivu u pogledu povećanja prisustva antagonista NMDA receptora.^[82]

Većina NMDAR antagonista su nekompetitivni ili nekompetitivni blokatori pora kanala ili su antagonisti koregulacijskog mjesta glicina, a ne antagonisti aktivnog/glutamatnog mjesta.

Primjeri

Uobičajeni agensi kod kojih je antagonizam NMDA receptora primarni ili glavni mehanizam djelovanja:

• 4-Hlorokinurenin (AV-101) – antagonist glicinskog mjesta; prolijek 7-hlorokinurenska kiselina^[83][84]
• 7-Hlorokinurenska kiselina – antagonist glicinskog mjesta
• Agmatin – endogeni antagonist poliaminskog mjesta ^[85][86]
• Argiotoksin-636 – prirodni dizocilpin ili srodni antagonist mjesta koji se nalazi u otrovu pauka Argiope
• AP5 – antagonist mjesta glutamata
• AP-7 – antagonist mjesta glutamata
• CGP-37849 – antagonist mjesta glutamata
• D-serin - antagonist t-NMDA receptora / inverzni koagonist^[30][68]
• Delucemin (NPS-1506) – dizocilpin ili srodni antagonist mjesta; izveden iz argiotoksina-636^[87][88]
• Dekstrometorfan (DXM) – antagonist mjesta dizocilpina; prolijek dekstrorfana
• Dekstrorfan (DXO) – antagonist mjesta dizocilpina
• Deksanabinol – antagonist mjesta srodnog dizocilpinu ^[89][90][91]
• Dietil-eter – antagonist nepoznatog mjesta
• Difenidin – antagonist dizocilpinskog mjesta
• Dizocilpin (MK-801) – antagonist dizocilpinskog mjesta
• Eliprodil – antagonist ifenprodilskog mjesta
• Esketamin – antagonist dizocilpinskog mjesta
• Hodgkinsin – antagonist nedefiniranog mjesta
• Ifenprodil – antagonist ifenprodilskog mjesta ^[92]
• Kaitocefalin – prirodni antagonist mjesta glutamata pronađen u Eupenicillium shearii
• Ketamin – antagonist mjesta dizocilpina
• Kinurenska kiselina – endogeni antagonist mjesta glicina
• Lanicemin – antagonist mjesta dizocilpina s niskim udjelom hvatanja
• LY-235959 – antagonist mjesta glutamata
• Memantin – antagonist mjesta dizocilpina s niskim udjelom hvatanja
• Metoksetamin – antagonist mjesta dizocilpina
• Midafotel – antagonist mjesta glutamata
• Dušik-oksid (N₂O) – antagonist nedefiniranog mjesta
• PEAQX – antagonist mjesta glutamata
• Perzinfotel – antagonist mjesta glutamata
• Fenciklidin (PCP) – antagonist mjesta dizocilpina
• Fenilalanin – prirodna aminokiselina, antagonist glicinskog mjesta ^[93][94]
• Psihotridin – antagonist nedefiniranog mjesta
• Selfotel – antagonist glutamatnog mjesta
• Tiletamin – antagonist dizocilpinskog mjesta
• Traksoprodil – antagonist ifenprodilskog mjesta
• Ksenon – antagonist nepoznatog mjesta

Neki uobičajeni agensi kod kojih je slab antagonizam NMDA receptora sekundarno ili dodatno djelovanje uključuju:

• Amantadin – antivirusni i antiparkinsonski lijek; antagonist dizocilpinskog mjesta s niskim udjelom vezivanja ^[95]
• Atomoksetin – inhibitor ponovnog preuzimanja norepinefrina koji se koristi za liječenje
• poremećaja pažnje i hiperaktivnosti^[96]
• Dekstropropoksifen – opioidni analgetik
• Etanol (alkohol) – euforijans, sedativ i anksiolitik koji se koristi rekreativno; antagonist nepoznatog mjesta djelovanja
• Gvaifenesin – ekspektorans
• Huperzin A – prirodni inhibitor acetilkolinesteraze i potencijalni antidemencijski agens
• Ibogain – prirodni halucinogen i antiadiktivni agens
• Ketobemidon – opioidni analgetik
• Metadon – opioidni analgetik
• Minociklin – antibiotik^[97]
• Tramadol – atipični opioidni analgetik i agens za oslobađanje serotonina

Nitromemantin

NMDA receptor je reguliran putem nitrozilacije, a aminoadamantan se može koristiti kao ciljno usmjereni šatl kako bi se dušikov oksid (NO) doveo blizu mjesta unutar NMDA receptora gdje može nitrozilirati i regulirati provodljivost ionskog kanala.^[29] NO donor koji se može koristiti za smanjenje aktivnosti NMDA receptora je alkil nitrat nitroglicerin. Za razliku od mnogih drugih NO donora, alkil nitrati nemaju potencijalne NO povezane neurotoksične efekte. Alkil nitrati doniraju NO u obliku nitro grupe kao što se vidi na slici 7, -NO₂-, što je siguran donor koji izbjegava neurotoksičnost. Nitro grupa mora biti usmjerena na NMDA receptor, inače bi mogli nastati drugi efekti NO, poput dilatacije krvnih sudova i posljedične hipotenzije.^[98] Nitromemantin je derivat memantina druge generacije, smanjuje ekscitotoksičnost posredovanu prekomjernom aktivacijom glutamatergičkog sistema blokiranjem NMDA receptora bez žrtvovanja sigurnosti. Privremene studije na životinjskim modelima pokazuju da su nitromemantini efikasniji od memantina kao neuroprotektanti, kako in vitro tako i in vivo. Memantin i noviji derivati mogli bi postati vrlo važno oružje u borbi protiv neuronskog oštećenja.^[19]

Slika 7: Nitroglicerin] donira ONO₂ grupu koja dovodi do memantinskog analoga druge generacije, nitromemantina,

Negativni alosterini modulatori uključuju:

• 25-Hidroksiholesterol – endogeni slabi negativni alosterni modulator
• Konantokini – prirodni negativni alosterini modulatori poliaminskog mjesta koji se nalaze u Conus geographus^[99]

Modulatori

Primjeri

NMDA receptor moduliraju brojni endogeni i egzogeni spojevi:^[100]

• Pokazalo se da aminoglikozidi imaju sličan učinak kao poliamini, što bi moglo objasniti njihov neurotoksični učinak.
• CDK5 reguliše količinu NMDA receptora koji sadrže NR2B na sinapsnoj membrani, čime utiče na sinapsnu plastičnost.^[101][102]
• Poliamini ne aktiviraju direktno NMDA receptore, već djeluju tako što pojačavaju ili inhibiraju odgovore posredovane glutamatom.
• Reelin modulira NMDA funkciju putem kinaza Src porodice i DAB1.^[103] značajno pojačava LTP u hipokampusu.
• Src-kinaza pojačava struje NMDA receptora.^[104]
• Na⁺, K⁺ i Ca²⁺ ne samo da prolaze kroz NMDA receptorski kanal, već i moduliraju aktivnost NMDA receptora.^[105]
• Zn²⁺ i Cu²⁺ uglavnom blokiraju aktivnost NMDA struje na nekompetitivan i naponski neovisan način. Međutim, cink može pojačati ili inhibirati struju ovisno o neuronskoj aktivnosti.^[106]
• Pb^2+[107] je snažan antagonist NMDAR-a. Presinaptički deficiti koji nastaju usljed izloženosti Pb²⁺ tokom sinaptogeneze posredovani su poremećajem BDNF signalizacije zavisne od NMDAR-a.
• Proteini glavnog kompleksa histokompatibilnosti klase I su endogeni negativni regulatori NMDAR-posredovanih struja u hipokampusu odraslih,^[108] and are required for appropriate NMDAR-induced changes in AMPAR trafficking ^[108] and NMDAR-dependent synaptic plasticity and learning and memory.^[109][110]
• Aktivnost NMDA receptora je također izrazito osjetljiva na promjene pH vrijednosti, a djelomično je inhibirana ambijentalnom koncentracijom H⁺ u fiziološkim uvjetima.^[111] Nivo inhibicije od strane H⁺ je znatno smanjen kod receptora koji sadrže podtip NR1a, koji sadrži pozitivno nabijeni insert egzon 5. Učinak ovog inserta mogu oponašati pozitivno nabijeni poliamini i aminoglikozidi, što objašnjava njihov način djelovanja.
• Funkcija NMDA receptora je također snažno regulirana kemijskom redukcijom i oksidacijom, putem takozvanog "redoks modulacijskog mjesta".^[112] Kroz ovo mjesto, redukcijska sredstva dramatično pojačavaju aktivnost NMDA kanala, dok oksidacijska sredstva ili poništavaju efekte redukcijskih sredstava ili potiskuju nativne odgovore. Općenito se vjeruje da su NMDA receptori modulirani endogenim redoks agensima kao što su glutation, lipoična kiselina i esencijalni nutrijent pirolohinolin-kinon.ef>Aizenman, Elias; Loring, Ralph H.; Reynolds, Ian J.; Rosenberg, Paul A. (24. 7. 2020). "The Redox Biology of Excitotoxic Processes: The NMDA Receptor, TOPA Quinone, and the Oxidative Liberation of Intracellular Zinc". Frontiers in Neuroscience. 14: 778. doi:10.3389/fnins.2020.00778. ISSN 1662-4548. PMC 7393236. PMID 32792905.</ref>

Razvoj antagonista NMDA receptora

Glavni problem s razvojem antagonista NMDA receptora za neuroprotekciju je taj što je fiziološka aktivnost NMDA receptora neophodna za normalnu neuronsku funkciju. Potpuna blokada svih aktivnosti NMDA receptora rezultira nuspojavama kao što su halucinacije, agitacija i anestezija. Da bi bio klinički relevantan, antagonist NMDA receptora mora ograničiti svoje djelovanje na blokadu prekomjerne aktivacije, bez ograničavanja normalne funkcije receptora.^[22]

Kompetitivni antagonisti NMDA receptora

Kompetitivni antagonisti NMDA receptora, koji su prvi razvijeni, nisu dobra opcija jer se takmiče i vežu za isto mjesto (NR2 podjedinicu) na receptoru kao i agonist, glutamat, te stoga blokiraju i normalnu funkciju.^[22][113] Oni će blokirati zdrava područja mozga prije nego što utiču na patološka područja, jer zdrava područja sadrže niže nivoe agonista od patoloških područja. Ovi antagonisti mogu biti istisnuti sa receptora visokom koncentracijom [[glutamata koji može postojati u ekscitotoksičnim okolnostima.^[17]

Nekompetitivni antagonisti NMDA receptora

Slika 4: Hemijske strukture MK-801, fenciklidina i ketamina, visokoafinitetnih nekompetitivnih antagonista NMDA receptora

Nekompetitivni antagonisti NMDA receptora blokiraju unutar ionskog kanala na mjestu Mg²⁺ (područje pora) i sprječavaju prekomjerni priliv Ca²⁺. Nekompetitivni antagonizam se odnosi na vrstu blokade koju povećana koncentracija glutamata ne može savladati i zavisi od prethodne aktivacije receptora od strane agonista, tj. ulazi u kanal tek kada ga otvori agonist.^[22][114]

Memantin i srodni spojevi

Slika 5: Hemijske strukture memantina (desno) i amantadina (lijevo)

Zbog ovih neželjenih nuspojava blokatora visokog afiniteta, potraga za klinički uspješnim antagonistima NMDA receptora za neurodegenerativne bolesti nastavljena je i usmjerena na razvoj blokatora niskog afiniteta. Međutim, afinitet nije smio biti prenizak, a vrijeme zadržavanja ne prekratko (kao što se vidi kod Mg²⁺) gdje depolarizacija membrane ublažava blokadu. Otkriće je time bio razvoj nekompetitivnog antagonista s dužim vremenom zadržavanja od Mg²⁺ u kanalu, ali kraćim od MK-801. Na taj način dobijeni lijek bi blokirao samo prekomjerno otvorene kanale povezane s NMDA receptorima, ali ne i normalnu neurotransmisiju.^[22][114] Memantin je taj lijek. To je derivat amantadina koji je prvo bio sredstvo protiv gripe, ali je kasnije slučajno otkriveno da ima efikasnost kod Parkinsonove bolesti. Hemijske strukture memantina i amantadina mogu se vidjeti na slici 5. Prvobitno se smatralo da je spoj dopaminergički ili antiholinergički, ali je kasnije utvrđeno da je antagonist NMDA receptora.^[16][22]

Memantin je prvi lijek odobren za liječenje teške i uznapredovale Alzheimerove bolesti, za koju, naprimjer, antiholinergički lijekovi ne čine mnogo dobro.^[114] Pomaže u oporavku sinapsne funkcije i na taj način poboljšava oštećeno pamćenje i učenje.^[20] U 2015. godini memantin je također u ispitivanjima zbog terapijskog značaja kod dodatnih neuroloških poremećaja.^[98]

Mnogi derivati memantina druge generacije su u razvoju i mogu pokazati još bolje neuroprotektivne efekte, gdje je glavna ideja korištenje drugih sigurnih, ali efikasnih modulatornih mjesta na NMDA receptoru pored njegovog povezanog ionskog kanala.^[98]

Odnos strukture i aktivnosti (SAR)

Slika 8: Odnos strukture i aktivnosti (SAR) amantadina i srodnih spojeva

Memantin (1-amino-3,5-dimetiladamantan) je derivat aminoalkil-cikloheksana i atipičan lijek s neplanarnom, trodimenzijskom tricikličkom strukturom. Slika 8 prikazuje SAR za derivat aminoalkil-cikloheksana. Memantin ima nekoliko važnih karakteristika u svojoj strukturi za svoju efikasnost:

• Trostruka struktura s aminom na čelu, -NH₂
• -NH₂ grupa je protonirana pod fiziološkim pH vrijednostima tijela kako bi nosila pozitivno naelektrisanje, -NH³⁺
• Dvije metilne (CH₃) bočne grupe koje služe za produženje vremena zadržavanja i povećanje stabilnosti, kao i afiniteta za NMDA receptorski kanal u poređenju sa amantadinom (1-adamantanaminom).^[19][114]

Uprkos maloj strukturnoj razlici između memantina i amantadina, dva derivata adamantana, afinitet za mjesto vezivanja NR1/NR2B podjedinice je mnogo veći za memantin. U stegnutim mjerenjima, memantin ima IC₅₀ od (2,3+0,3) μM, dok amantadin ima IC₅₀ od (71,0+11,1) μM.^[29] Vezno mjesto s najvećim afinitetom naziva se dominantno vezivno mjesto. Ono uključuje vezu između amino grupe memantina i NR1-N161 vezivnog džepa NR1/NR2B podjedinice. Metilne bočne grupe igraju važnu ulogu u povećanju afiniteta prema otvorenim NMDA receptorskim kanalima i čine ga mnogo boljim neuroprotektivnim lijekom od amantadina. Smatra se da se vezivna mjesta za metilne grupe nalaze na NR1-A645 i NR2B-A644 NR1/NR2B.^[33] Vezna mjesta su prikazana na slici 2. Memantin se veže na ili blizu Mg²⁺ mjesta unutar kanala povezanog s NMDA receptorom. -NH₂ grupa na memantinu, koja je protonirana pri fiziološkom pH tijelu, predstavlja regiju koja se veže na ili blizu Mg²⁺ mjesta.^[19] Dodavanje dvije metil grupe na -N na strukturi memantina pokazalo je smanjenje afiniteta, dajući IC₅₀ vrijednost od (28,4+1,4) μM.^[29]

Derivat memantina druge generacije; nitromemantin

Nekoliko derivata nitromemantina, derivata memantina druge generacije, sintetizirano je kako bi se izvršio detaljan odnos strukture i aktivnosti (SAR) ovih novih lijekova. Jedna klasa, koja sadrži nitro (NO₂) grupu nasuprot aminu na čelu mosta (NH₂), pokazala je obećavajući ishod. Nitromemantin koristi mjesto vezivanja memantina na NMDA receptoru kako bi ciljao NO_x (X = 1 ili 2) grupu za interakciju sa S-nitrozilacijskim/redoks mjestom izvan mjesta vezivanja memantina. Produženje bočnih lanaca memantina kompenzira lošiji afinitet lijeka u kanalu povezan s dodavanjem –ONO₂ grupe.^[115]

Terapijska primjena

Pretpostavlja se da je ekscitotoksičnost uključena u neke neurodegenerativne poremećaje poput Alzhemerove, Parkinsonove i Huntingtonove bolesti te amiotrofične lateralne skleroze.^{[17][18][19][20]} Blokiranje NMDA receptora bi stoga, teoretski, moglo biti korisno u liječenju takvih bolesti..^[17][18][19] Međutim, važno je očuvati fiziološku aktivnost NMDA receptora dok se pokušava blokirati njegova prekomjerna, ekscitotoksična aktivnost. To se može postići nekompetitivnim antagonistima, blokiranjem ionskog kanala receptora kada je prekomjerno otvoren.^[19]

Memantin je primjer nekompetitivnog antagonista NMDA receptora koji ima odobrenu indikaciju za neurodegenerativnu bolest Alzheimerovu bolest. U 2015. godini memantin je još uvijek u kliničkim ispitivanjima za dodatne neurološke bolesti.^[33][98]

Modulacija receptora

NMDA receptor je nespecifični kationski kanal koji može omogućiti prolaz Ca²⁺ i Na⁺ u ćeliju i K⁺ iz ćelije. Ekscitacijski postsinaptički potencijal (EPSP) proizveden aktivacijom NMDA receptora povećava koncentraciju Ca²⁺ u ćeliji. Ca²⁺ može zauzvrat funkcionirati kao sekundarni glasnik u različitim signalnim putevima. Međutim, kationski kanal NMDA receptora blokira Mg²⁺ pri mirujućem membranskom potencijalu.^[116] Deblokiranje magnezija nije trenutno; da bi se deblokirali svi dostupni kanali, postsinapsna ćelija mora biti depolarizovana dovoljno dugo (u milisekundama).^[117]

Stoga, NMDA receptor funkcioniše kao "molekularni detektor slučajnosti". Njegov ionski kanal se otvara samo kada su ispunjena sljedeća dva uslova: glutamat je vezan za receptor i postsinapsna ćelija je depolarizovana (što uklanja Mg²⁺ koji blokira kanal). Ovo svojstvo NMDA receptora objašnjava mnoge aspekte dugoročne potencijacije (LTP) i sinapsinapsne plastičnosti.^[118]

U potencijalu mirovanja membrane, pora NMDA receptora se otvara, omogućavajući priliv vanjskih magnezijevih iona koji se vežu kako bi se spriječilo daljnje prodiranje iona.^[119] Vanjski magnezijevi ioni su u milimolarnom rasponu, dok su unutatćelijski u mikromolarnom rasponu, što rezultira negativnim membranskim potencijalom. NMDA receptore modulira niz endogenih i egzogenih spojeva i igraju ključnu ulogu u širokom rasponu fizioloških (npr. pamćenje) i patoloških procesa (npr. ekscitotoksičnost). Magnezij djeluje na pojačavanje NMDA-induciranih odgovora pri pozitivnim membranskim potencijalima, dok istovremeno blokira NMDA kanal. Upotreba kalcija, kalija i natrija koristi se za modulaciju aktivnosti NMDAR-a koji prolaze kroz NMDA membranu. Promjene u koncentraciji H⁺ mogu djelimično inhibirati aktivnost NMDA receptora u različitim fiziološkim uvjetima.

Klinički značaj

NMDAR antagonisti poput ketamina, esketamina, tiletamina, fenciklidina, dušik-oksida i ksenona koriste se kao opći anestetici. Ovi i slični lijekovi poput dekstrometorfana i metoksetamina također proizvode disocijativne, halucinogene i euforijantne efekte i koriste se kao rekreativna droga.

Spojevi usmjereni na NMDAR, uključujući ketamin, esketamin (JNJ-54135419), rapastinel (GLYX-13), apimostinel (NRX-1074), zelkvistinel (AGN-241751), 4-klorokinurenin (AV-101) i rislenemdaz (CERC-301, MK-0657), su u razvoju za liječenje poremećaja raspoloženja, uključujući veliki depresivni poremećaj i depresiju otpornu na liječenje.^{[83][84][120]} Osim toga, ketamin se već koristi u tu svrhu kao terapija izvan odobrenih indikacija u nekim klinikama.^[121][122]

Istraživanja pokazuju da tianeptin proizvodi antidepresivne efekte putem indirektne promjene i inhibicije aktivnosti glutamatnog (neurotransmiter) receptora i oslobađanja BDNF-a, što zauzvrat utiče na neuronsku plastičnost.^{[123][124][125][126][127]} Tianeptin također djeluje na NMDA i AMPA receptori.^[123][127] In animal models, tianeptine inhibits the pathological stress-induced changes in glutamatergic neurotransmission in the amygdala and hippocampus.

Memantin, antagonist NMDAR-a sa niskim stepenom vezivanja, odobren je u Sjedinjenim Američkim Državama i Evropi za liječenje umjerene do teške Alzhehemerove bolesti,^[128] i sada je dobila ograničenu preporuku britanskog Nacionalnog instituta za zdravlje i izvrsnost u njezi za pacijente kod kojih druge mogućnosti liječenja ne uspiju.^[129]

Kohlearni NMDAR receptori su meta intenzivnih istraživanja kako bi se pronašla farmakološka rješenja za liječenje tinitusa. NMDAR receptori su povezani s rijetkom autoimunom bolešću, anti-NMDA receptorskim encefalitisom (također poznatim kao NMDAR encefalitis).^[130]), što se obično javlja zbog unakrsne reaktivnosti antitijela koje proizvodi imunološki sistem protiv ektopičnog moždanog tkiva, poput onih pronađenih u teratomima. Ova antitijela su poznata kao anti-glutamatni receptor antitijela.

U poređenju sa dopaminergičkim stimulansima poput metamfetamina, antagonist NMDAR-a fenciklidin može proizvesti širi spektar simptoma koji podsjećaju na shizofreniju kod zdravih dobrovoljaca, što je dovelo do glutamatne hipoteze o shizofreniji.^[131] Eksperimenti u kojima se glodari tretiraju antagonistima NMDA receptora danas su najčešći model kada je u pitanju testiranje novih terapija za shizofreniju ili istraživanje tačnog mehanizma lijekova koji su već odobreni za njeno liječenje.

NMDAR antagonisti, na primjer eliprodil, gavestinel, likostinel i selfotel, opsežno su istraživani za liječenje neurotoksičnosti posredovane ekscitotoksičnošću u situacijama poput ishemijskog moždanog udara i traumatske povrede mozga, ali nisu bili uspješni u kliničkim ispitivanjima korištenim u malim dozama kako bi se izbjegla sedacija, ali NMDAR antagonisti mogu blokirati širenje depolarizacija kod životinja i kod pacijenata s povredom mozga.^[132] Ova upotreba još nije testirana u kliničkim ispitivanjima.

Također pogledajte

• Proteinske kinaze zavisne od kalcija/kalmodulina
• Metabotropni glutamatni receptor