中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病狀態(tài)下腦中L-型氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體1功能與表達(dá)的相關(guān)研究進(jìn)展

鄭小棵，劉曉東

（中國藥科大學(xué)藥學(xué)院藥物代謝研究中心，江蘇 南京 210009）

L-型 氨 基 酸 轉(zhuǎn) 運(yùn) 體1（L-type amino acid transporter 1，LAT1）是一種不依賴Na+和pH的12段跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，由507個(gè)氨基酸組成，相對(duì)分子質(zhì)量為55 000[1]，其通過二硫鍵與糖蛋白CD98形成異源二聚體。CD98沒有內(nèi)在的轉(zhuǎn)運(yùn)活性，但其對(duì)LAT1在細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)位和穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。在二聚體結(jié)構(gòu)中，LAT1是輕鏈亞基，CD98是重鏈亞基[2-3]。膜膽固醇影響著LAT1在膜上的穩(wěn)定性和活性[4]。LAT1轉(zhuǎn)運(yùn)大型中性氨基酸（large neutral amino acid，LNAA），包括支鏈氨基酸（亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸）和芳香族氨基酸（酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸）。LAT1對(duì)氨基酸的親和力因氨基酸的不同而不同，親和力大小依次為：苯丙氨酸＞色氨酸＞亮氨酸＞異亮氨酸＞甲硫氨酸＞組氨酸＞酪氨酸＞纈氨酸[5–6]。氨基酸是腦內(nèi)蛋白質(zhì)和神經(jīng)遞質(zhì)合成的重要原料，因此腦中LAT1功能與表達(dá)的改變將可能會(huì)影響到腦內(nèi)氨基酸紊亂，進(jìn)而影響大腦的正常功能。此外，LAT1在活化的T細(xì)胞[7]、腫瘤細(xì)胞[8]、腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞[9]等高耗能細(xì)胞中高表達(dá)，提示LAT1可能會(huì)參與到中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）疾病和腫瘤的發(fā)生發(fā)展。許多研究表明與LAT1結(jié)合的底物需要一個(gè)未被取代的C-羧基、未被取代的C-氨基和一種中性疏水側(cè)鏈?？拱d癇藥物加巴噴丁[10]和普加巴林[11]以及抗帕金森病藥物左旋多巴[12]均是通過LAT1到達(dá)腦內(nèi)發(fā)揮作用，證實(shí)了許多CNS藥物可以通過LAT1介導(dǎo)的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入腦內(nèi)發(fā)揮療效。

CNS疾病的發(fā)生發(fā)展與LAT1功能與表達(dá)的改變有關(guān)，且LAT1功能與表達(dá)的改變會(huì)影響到底物藥物的療效與毒性，本文針對(duì)LAT1在CNS疾病狀態(tài)下其功能與表達(dá)的改變進(jìn)行總結(jié)，為相關(guān)CNS疾病的研究提供新的思路，以及為CNS疾病狀態(tài)下的臨床合理用藥提供一定的參考。

1 LAT1在腦中的作用

LAT1在不同的物種中分布相似，在大鼠、小鼠和人的大腦、胎盤和睪丸中高表達(dá)，而在肝臟、腸道、胃和腎臟中未發(fā)現(xiàn)或?yàn)榈捅磉_(dá)[13]。同樣地，LAT1在腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞中的表達(dá)水平也遠(yuǎn)高于在Caco-2細(xì)胞中的水平[13]。LAT1在腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞基底側(cè)的表達(dá)高于膜側(cè)，綜合表現(xiàn)為血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）上的LAT1介導(dǎo)LNAA或者底物藥物入腦[14]。有研究表明LAT1通過維持腦LNAA的穩(wěn)態(tài)來調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能[15]，暗示著大腦LAT1表達(dá)和功能的改變與神經(jīng)功能障礙有關(guān)。條件敲除腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞中LAT1的Tie2Cre;Slc7a5fl/fl小鼠與野生型小鼠相比，腦中的亮氨酸和異亮氨酸濃度異常降低，且表現(xiàn)出自閉癥譜系障礙[16]。另有研究表明LAT1可能參與齒狀回顆粒區(qū)、側(cè)腦室室管膜層和嗅球的神經(jīng)形成[17]。此外，LAT1的表達(dá)水平也與空間記憶能力密切相關(guān)[18]。

神經(jīng)遞質(zhì)的穩(wěn)態(tài)失調(diào)會(huì)導(dǎo)致腦功能異常。苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸等氨基酸作為許多重要神經(jīng)遞質(zhì)的前體物質(zhì)，其穩(wěn)態(tài)失調(diào)也可能會(huì)導(dǎo)致腦功能異常。大量研究表明神經(jīng)遞質(zhì)血清素與大腦功能密切相關(guān)，如神經(jīng)行為和情緒調(diào)節(jié)[19–20]。色氨酸作為血清素的前體物質(zhì)，在血清素的合成中起著重要的作用。注射色氨酸可增加大腦血清素水平[21]而注射L-纈氨酸可降低腦中血清素濃度[22]，表明血液中多種氨基酸可競爭LAT1的結(jié)合位點(diǎn)入腦，而氨基酸入腦量的多少與氨基酸在血液中的比例有關(guān)。此外，LAT1在人類多種癌癥如肺癌、結(jié)腸癌、乳腺癌、前列腺癌和T細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血病中高度表達(dá)。沉默LAT1可以降低小鼠腫瘤的大小，減少腫瘤的增殖和轉(zhuǎn)移[8,23]，暗示LAT1可能成為抗腫瘤的潛在靶點(diǎn)。

除了參與腦生理功能、氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)，LAT1還可以參與一些藥物的轉(zhuǎn)運(yùn)入腦，例如：加巴噴丁、普加巴林、美法侖。LAT1在腦組織中的高表達(dá)讓其有望成為介導(dǎo)藥物到達(dá)CNS/癌細(xì)胞的重要轉(zhuǎn)運(yùn)體。一些以LAT1為轉(zhuǎn)運(yùn)體的前藥比其原型藥物具有更高的細(xì)胞/大腦攝取，例如：丙戊酸[24–25]和多巴胺[26–27]的相應(yīng)前藥。因此，LAT1功能與表達(dá)的改變也會(huì)影響其底物藥物的毒性或療效。

2 中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病下LAT1功能與表達(dá)的改變

LAT1在維持腦內(nèi)氨基酸、神經(jīng)遞質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡方面起到重要的作用。而腦疾病如腦腫瘤和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展與氨基酸和神經(jīng)遞質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡失調(diào)密不可分。也有越來越多的研究表明腦疾病會(huì)改變大腦LAT1的功能與表達(dá)，但不同疾病對(duì)LAT1功能與表達(dá)的影響均不同（見表1）。

表 1 幾種疾病中腦組織和腫瘤細(xì)胞LAT1表達(dá)和功能的差異Table 1 Expression and function of LAT1 in brain tissues and tumor cells under several diseases

2.1 腦腫瘤

大量研究表明，LAT1在腦腫瘤如膠質(zhì)瘤中高度表達(dá)。從68個(gè)原發(fā)性膠質(zhì)瘤組織的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，浸潤性膠質(zhì)瘤細(xì)胞中LAT1的表達(dá)高于位于腫瘤中心的細(xì)胞[34]，高分級(jí)膠質(zhì)瘤中的LAT1水平高于低分級(jí)膠質(zhì)瘤和腦組織[28–30]。此外，LAT1的表達(dá)是癌癥重要的預(yù)后指標(biāo)之一，其高表達(dá)也與較差的生存率相關(guān)[30]。LNZ308、LN229等高表達(dá)LAT1和糖蛋白CD98的膠質(zhì)瘤細(xì)胞對(duì)[14C]-L-亮氨酸具有較高的攝取率[28]，表明腫瘤細(xì)胞中LAT1的功能也有所增強(qiáng)。

LAT1參與了腫瘤發(fā)生發(fā)展的生物學(xué)過程，如腫瘤生長、增殖和新生血管形成等。移植了高表達(dá)LAT1的膠質(zhì)瘤細(xì)胞U87MG的裸鼠存活時(shí)間短，形成的腫瘤更大[28]。LAT1在神經(jīng)母細(xì)胞瘤和膠質(zhì)瘤中過表達(dá)，但在鄰近正常腦組織中的表達(dá)量極低，表明LAT1通過向腫瘤細(xì)胞供應(yīng)更多的氨基酸，參與了腦腫瘤的形成和發(fā)展[35]。在62例人腦膠質(zhì)瘤中，高分級(jí)膠質(zhì)瘤組織的LAT1蛋白水平、Ki-67標(biāo)記指數(shù)和微血管密度均顯著高于低分級(jí)膠質(zhì)瘤組織；且LAT1表達(dá)與Ki-67標(biāo)記指數(shù)或微血管密度呈顯著正相關(guān)，表明LAT1與膠質(zhì)瘤的增殖和新生血管形成密切相關(guān)[35]。LAT1的抑制劑BCH可以抑制C6膠質(zhì)瘤細(xì)胞的生長，增加C6膠質(zhì)瘤大鼠的存活率[30]。這些研究結(jié)果均表明LAT1高表達(dá)為腫瘤的發(fā)展提供了氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)基礎(chǔ)。LAT1在腫瘤細(xì)胞中的高表達(dá)提示其可成為抗腫瘤藥物研發(fā)的重要靶點(diǎn)。

2.2 帕金森病

PD是與紋狀體多巴胺分泌減少有關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病[36]。多巴胺無法透過BBB，臨床上常用前藥左旋多巴治療。左旋多巴主要經(jīng)過LAT1轉(zhuǎn)運(yùn)入腦后轉(zhuǎn)變?yōu)槎喟桶穂12,37–38]，補(bǔ)充多巴胺分泌的不足，改善帕金森病患者癥狀。然而，長期使用左旋多巴，療效會(huì)降低[31]。有研究表明帕金森病大鼠腦微血管LAT1的mRNA表達(dá)水平顯著降低，這可以進(jìn)一步解釋PD的發(fā)病機(jī)制和左旋多巴療效的降低[31]。LAT1 的mRNA表達(dá)水平減少可能會(huì)降低多巴胺前體物質(zhì)酪氨酸和苯丙氨酸的供給，促進(jìn)了PD病理過程的進(jìn)展；向大腦供給的左旋多巴也會(huì)減少，導(dǎo)致療效的下降。

當(dāng)神經(jīng)受到損傷時(shí)，會(huì)刺激機(jī)體釋放促炎癥介質(zhì)。這些炎癥介質(zhì)會(huì)誘發(fā)神經(jīng)炎癥反應(yīng)。在PD的發(fā)生發(fā)展中，神經(jīng)炎癥扮演了重要的角色[39]。有研究表明細(xì)胞因子白介素（IL）-2能上調(diào)活化的T-淋巴細(xì)胞中LAT1的表達(dá)[7]，促炎癥因子IL-17上調(diào)成纖維樣滑膜細(xì)胞LAT1的表達(dá)[40]。但促炎因子對(duì)BBB/腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞上LAT1功能與表達(dá)的影響尚不清楚。此外，有研究表明細(xì)菌脂多糖誘導(dǎo)的全身炎癥會(huì)降低大鼠和小鼠BBB上LAT1的mRNA或蛋白表達(dá)水平[41]。因此，PD疾病狀態(tài)下LAT1表達(dá)水平的降低可能是神經(jīng)炎癥導(dǎo)致的。

2.3 其他疾病

精神分裂癥是一種進(jìn)行性神經(jīng)發(fā)育障礙疾病，與多巴胺和酪氨酸的異常水平有關(guān)。參與酪氨酸運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)運(yùn)體有A型氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體和L型氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（LAT1、LAT2、LAT3和LAT4），其 中LAT1是酪氨酸的主要轉(zhuǎn)運(yùn)體。有研究表明精神分裂癥患者和健康人的成纖維細(xì)胞通過LAT1轉(zhuǎn)運(yùn)酪氨酸的動(dòng)力學(xué)沒有差異，這表明LAT1不參與精神分裂癥中L-酪氨酸的異常轉(zhuǎn)運(yùn)[42]。阿爾茨海默病小鼠大腦皮層和海馬LAT1功能沒有發(fā)生改變[32]。球囊細(xì)胞被認(rèn)為是致癇的靶細(xì)胞，LAT1在球囊細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)[43]。LAT1的表達(dá)上調(diào)，為蛋白質(zhì)合成提供必需氨基酸，支持細(xì)胞的生長和增殖，為癲癇的發(fā)生發(fā)展提供了支撐[43]。加巴噴丁[10]和普加巴林[11]均為癲癇治療藥物且被證實(shí)是通過LAT1介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)，提示癲癇狀態(tài)下腦內(nèi)LAT1表達(dá)與功能上調(diào)可能增加加巴噴丁和普加巴林的腦攝取，療效增強(qiáng)。另有研究表明，門靜脈吻合術(shù)（portacaval anastomosis,PCA）引起慢性肝衰竭大鼠腦內(nèi)LNAA從血液到大腦中的轉(zhuǎn)運(yùn)增加，腦內(nèi)氨基酸水平上調(diào)[33]。與對(duì)照組相比，PCA大鼠分離出的腦微血管對(duì)LNAA的攝取顯著增強(qiáng)[44]，提示PCV大鼠BBB上LAT1功能增強(qiáng)是其腦內(nèi)LNAA水平上調(diào)的主要原因。神經(jīng)遞質(zhì)的合成會(huì)受到其前體物質(zhì)水平的影響[45]。在肝功能衰竭的情況下，BBB上LAT1功能的增強(qiáng)增加了苯丙氨酸、色氨酸等芳香族氨基酸的入腦量，進(jìn)而可能導(dǎo)致腦內(nèi)多巴胺（dopamine，DA）、5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）、5-羥吲哚乙酸（5-hydroxyindole acetic acid，5-HIAA）[46]等 代 謝產(chǎn)物的增加。有研究表明腦內(nèi)DA水平升高可導(dǎo)致輕度HE[47–48]；5-HT、5-HIAA對(duì)神經(jīng)細(xì)胞有毒性作用，其水平紊亂可引起意識(shí)改變乃至昏迷等HE患者神經(jīng)精神癥狀[49–50]。因此，肝損傷狀態(tài)下BBB上LAT1功能的增強(qiáng)可能會(huì)加速肝損傷向HE的轉(zhuǎn)變。

3 以LAT1介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)的新藥的研發(fā)

LAT1在多種腫瘤中的高表達(dá)使其在腫瘤診斷和抗腫瘤藥物研發(fā)中備受矚目。臨床上常將放射性標(biāo)記的氨基酸（LAT1底物）注入體內(nèi)，并采用正電子發(fā)射斷層掃描（PET），含有放射性標(biāo)記底物的細(xì)胞很可能是癌細(xì)胞[51]。由LAT1介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)的18F-FAMT PET比18F-FDG PET在檢測惡性病變方面顯示出更高的特異性[52]。臨床常用抗腫瘤藥物美法侖、阿西維辛等均由LAT1介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)。目前，研究者不斷開發(fā)出以LAT1介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)的抗腫瘤藥物，并在細(xì)胞或動(dòng)物水平驗(yàn)證了藥物對(duì)腫瘤細(xì)胞具有較高的靶向性。常見構(gòu)建藥物方法為：以LAT1為轉(zhuǎn)運(yùn)載體的氨基酸鍵合抗腫瘤藥物形成前藥，或用納米粒子或脂質(zhì)體鍵合抗腫瘤藥物。研究顯示，吉西他濱蘇氨酸衍生物相比于吉西他濱在胰腺癌細(xì)胞中表現(xiàn)出更好的抗腫瘤活性[53]；多柔比星天冬氨酸衍生物表現(xiàn)出比多柔比星更強(qiáng)的小鼠肝臟腫瘤生長抑制作用[54]。高表達(dá)LAT1的鼠膠質(zhì)瘤細(xì)胞GL261攝取Amphi-DOPA脂質(zhì)體的量遠(yuǎn)高于低表達(dá)LAT1的鼠成纖維細(xì)胞NIH-3T3；且用LAT1抗體預(yù)孵育GL261細(xì)胞后，其攝取Amphi-DOPA脂質(zhì)體的量顯著減少，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Amphi-DOPA脂質(zhì)體是通過LAT1介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)的。將載有抗腫瘤藥物WP1066的Amphi-DOPA脂質(zhì)體靜脈注射到荷有原位膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的C57BL/6J小鼠后，脂質(zhì)體主要分布在腦組織中，藥物靶向性增強(qiáng)。與對(duì)照組相比，小鼠的存活率提高了約60%[55]。

藥物難以在CNS中發(fā)揮藥理作用的主要原因是BBB的緊密連接使藥物難以透過。相對(duì)于人體的其他細(xì)胞或組織，LAT1在腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞以及腦組織細(xì)胞中的高表達(dá)使其成為CNS疾病治療藥物遞送的重要轉(zhuǎn)運(yùn)體。臨床常用CNS疾病治療藥物左旋多巴、加巴噴丁、普加巴林、巴氯芬[56]通過LAT1轉(zhuǎn)運(yùn)入腦。與抗腫瘤藥物的研發(fā)相似，通常以LAT1為載體，將CNS疾病治療藥物和氨基酸側(cè)鏈鍵合形成前藥。六氫煙堿酸在體外可抑制神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞γ-氨基丁酸（GABA）的攝取，具有潛在的抗癲癇活性；但由于六氫煙堿酸極性較高，不易穿透BBB，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中并沒有表現(xiàn)出抗驚厥作用。六氫煙堿酸和酪氨酸側(cè)鏈鍵合形成的前藥可主動(dòng)運(yùn)輸透過BBB，在DBA/2小鼠中表現(xiàn)出劑量依賴性抗驚厥活性[57]。炎癥在一些神經(jīng)退行性疾病發(fā)病過程中起著關(guān)鍵作用，而環(huán)氧合酶-2（COX-2）是炎癥反應(yīng)的主要參與者。一些實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃土餍胁W(xué)研究表明，COX-2抑制劑具有可減緩神經(jīng)退行性病變的能力[58]。通過LAT1轉(zhuǎn)運(yùn)的COX-2抑制劑前藥布洛芬的L-酪氨酸衍生物可增加布洛芬在腦內(nèi)的水平，減少外周分布[59]。

4 結(jié)語與展望

膠質(zhì)瘤患者體內(nèi)較多的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)至大腦供膠質(zhì)瘤細(xì)胞吸收，以維持細(xì)胞自身的生長；HE患者腦脊液中芳香族氨基酸水平增加，研究表明腦內(nèi)苯丙氨酸的代謝產(chǎn)物多巴胺水平的增加可加速肝損傷向HE的發(fā)展；PD患者黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性，伴胞漿內(nèi)嗜酸性包涵體形成，致使黑質(zhì)紋狀體通路破壞、紋狀體（尾狀核、殼核）多巴胺含量下降；自閉癥患者腦內(nèi)支鏈氨基酸發(fā)生改變。這些CNS疾病均伴隨著腦內(nèi)氨基酸、神經(jīng)遞質(zhì)等活性物質(zhì)的紊亂。LAT1轉(zhuǎn)運(yùn)神經(jīng)遞質(zhì)的前體物質(zhì)，如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸；此外，LAT1還轉(zhuǎn)運(yùn)亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸等支鏈氨基酸，這些氨基酸在中樞神經(jīng)遞質(zhì)合成和營養(yǎng)供應(yīng)中起關(guān)鍵作用。在腦膠質(zhì)瘤、PD、HE、自閉癥的疾病狀態(tài)下，腦中LAT1功能與表達(dá)均發(fā)生改變且加劇了氨基酸及其代謝產(chǎn)物多巴胺、5-HT等神經(jīng)遞質(zhì)在腦中的紊亂程度，進(jìn)一步促進(jìn)疾病的發(fā)展。這些研究提示LAT1將可能參與到腦內(nèi)氨基酸、神經(jīng)遞質(zhì)等活性物質(zhì)紊亂的CNS疾病中，這為研究其他CNS疾病腦中LAT1轉(zhuǎn)運(yùn)體的功能與表達(dá)改變提供一個(gè)參考思路，為研究CNS疾病的發(fā)展機(jī)制提供新的思考方向。

PD患者BBB上LAT1蛋白表達(dá)降低，左旋多巴攝取減少，因此臨床上如長期使用左旋多巴，療效將會(huì)降低[41]。LAT1在腫瘤細(xì)胞上的功能與表達(dá)均增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)室研制的以LAT1為轉(zhuǎn)運(yùn)載體的抗癌藥物均呈現(xiàn)出高度靶向性，療效增強(qiáng)，毒副作用減少。因此，LAT1在BBB或腦組織中表達(dá)和功能的改變可能會(huì)影響藥物的療效或毒性。LAT1介導(dǎo)的相關(guān)藥物研發(fā)可解決藥物難以透過BBB或靶向性差等問題。值得注意的是，LAT1在大腦中的表達(dá)和功能因腦部疾病類型不同而有一定差異。對(duì)于腦疾病的腦區(qū)和病程如何影響LAT1的表達(dá)和功能，目前還缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，需展開進(jìn)一步研究，從而更好地指導(dǎo)腦部疾病治療藥物的開發(fā)和優(yōu)化。