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第三章 药物效应动力学
学习目标
掌握 药物作用、不良反应;药物作用的量效关系;药物与受体相互作用的相关概念。
熟悉 药物作用的机制。
了解 构效关系、受体的类型与调节、第二信使的种类和传导。
药物效应动力学(pharmacodynamics,PD)简称药效学,是研究药物对机体的作用及作用机制的一门学科,是药理学的重要分支。研究内容主要涉及药物如何与机体细胞靶点结合或如何改变细胞内外环境,引起生理、生化和病理形态发生改变,以及影响机体生命活动的分子机制。药物效应动力学是指导临床合理用药,发挥药物最佳疗效,避免或减少不良反应发生的重要理论基础,也是药理学的理论基础。
第一节 药物的基本作用
一、药物作用与药理效应
药物作用(drug action)是药物进入体内后与机体生物大分子相互结合所引起的初始作用,是动因;药理效应(pharmacological effect)是药物引起机体生理和生化功能的继发性改变,是机体反应的具体表现,是药物作用的结果。药物作用与药理效应一般通用,仅体现先后顺序。如去甲肾上腺素与血管内皮细胞膜上α 1受体结合并激活受体是初始作用,而由于α 1受体激动引起的血管平滑肌收缩、血压升高则为其药理效应。
疾病状态是机体生理生化功能失调而引起的,表现为原有功能的降低或增高。药物通过改变机体器官原有功能水平而发挥药理效应,基本作用类型包括以下几种。
(一)兴奋作用和抑制作用
药物使机体原有功能增强称为兴奋作用(excitation),而使原有功能减弱则称为抑制作用(inhibition)。例如,肾上腺素升高血压、呋塞米增加排尿量均属兴奋作用,而苯巴比妥催眠、吗啡镇痛则属抑制作用。
(二)直接作用与间接作用
药物直接作用于靶器官、组织、细胞而产生的作用为直接作用(direct action);在直接作用后通过机体反射机制或生理性调节产生的作用为间接作用(indirect action)。例如,强心苷作用于心脏,使心肌收缩力增强是其直接作用,由于心功能改善,肾血流量增多而使尿量增加则是其间接作用。又如毛果芸香碱直接激动M受体,发挥的拟胆碱样作用是直接作用,而新斯的明通过可逆性抑制胆碱酯酶,减少ACh的水解,间接的发挥拟胆碱样作用。
(三)药物作用的特异性和选择性
绝大多数药物的生物活性与其化学结构密切相关。它们通过与机体生物大分子的功能基团结合而产生药理效应,这种结合取决于药物和靶点的化学结构,这种对应关系的专一性使药物的作用具有特异性(specificity)。例如,阿托品特异性地阻断M胆碱受体,而对其他受体影响不大。药物作用特异性的物质基础是药物的化学结构。
药物作用还有其选择性(selectivity),即指机体不同组织器官对药物的敏感性不同。多数药物被吸收入血之后,仅对某一器官或组织发生明显作用,而对其他组织器官不起作用或作用不明显,说明该药物选择性高;而另一些药物可影响机体的多种功能,则选择性低。
多数情况下,药物作用的特异性与其效应的选择性之间关系密切,例如,青霉素抑制革兰氏阳性菌细胞壁合成的作用特异性很强,其杀灭敏感菌的效应也有很高的选择性。但也有些药物的特异性与选择性并不平行,特异性强的药物并不一定引起选择性高的药理效应,即二者不一定平行。例如,阿托品阻断M胆碱受体的作用具有很强的特异性,但其药理效应的选择性并不高,因M受体广泛分布于腺体、内脏、血管、心脏、神经系统等,阿托品对这些器官产生多种药理效应,而且有的兴奋、有的抑制。一般而言,作用特异性强和(或)效应选择性高的药物临床应用时针对性强,副作用较少,但剂量增加后往往会因生理性反射或生化反应失衡等使药理效应变得广泛,选择性降低。
选择性的产生与以下几方面有关:①药物在体内的分布不均匀。药物在作用部位必须达到一定浓度才能产生效应,如碘与甲状腺组织有很高的亲和力,在该组织中可达很高的浓度,故放射性碘可用于治疗甲亢;链霉素90%以原形从肾脏排泄,因而对泌尿系统感染有较好的治疗效果。但药物的选择性并非完全取决于其体内分布,如吗啡及其代谢产物大部分经肾脏排泄,但主要作用部位却在中枢而不在肾脏。②机体组织器官的结构不同和靶点的分布差异。细菌有细胞壁而哺乳动物没有细胞壁,青霉素能抑制细胞壁合成,因而对细菌有选择性杀灭作用而对哺乳动物细胞则无明显影响。③不同种属之间或同一种属的不同组织之间,生理生化功能存在明显差异,药理效应的选择性也与这些差异有关。例如,喹诺酮类抗菌药在治疗剂量可抑制细菌体内的DNA回旋酶,而对哺乳动物细胞内的拓扑异构酶无明显影响,可用于治疗多种敏感菌株引起的感染。
(四)局部作用与全身作用
根据药物作用的部位分为局部作用(local action)和全身作用(systemic action)。局部作用是指药物无需被吸收入血而在用药部位直接发挥的作用,如局麻药作用于给药部位的神经末梢,阻断神经冲动传导产生的局麻作用;口服硫酸镁后在肠道不易被吸收而产生的导泻作用。全身作用是指药物被吸收入血后分布到机体各组织器官而产生的作用,如地高辛被口服吸收后产生的强心作用。
二、治疗作用与不良反应
药物的治疗作用与不良反应是药物本身所固有的两重性作用,有时根据用药目的的不同两者可相互转换。
(一)治疗作用
治疗作用(therapeutic effect)是指药物所引起的作用符合用药目的,具有防治疾病的效果。根据治疗目的和效果,可将其分为:
1.对因治疗(etiological treatment)
指用药目的是消除原发致病因子,彻底治愈疾病。在中医学上称为“治本”。例如抗生素杀灭体内致病微生物,解毒药促进体内毒物排除等。
2.对症治疗(symptomatic treatment)
指用药目的在于改善症状,中医学上称为“治标”。例如高热时用解热镇痛药解除发热,血压过高时用抗高血压药控制血压等。对症治疗虽不能消除病因,但可缓解症状,维持重要的生命指标,赢得对因治疗的时机,例如对休克、心力衰竭、脑水肿、惊厥等临床急症进行分秒必争的抢救多属于对症治疗。
理论上说,对因治疗比对症治疗显得更合理,但临床用药时应根据病人的具体情况,按着“急则治其标(对症),缓则治其本(对因),标本兼治”的原则,妥善处理对症治疗和对因治疗的关系。
(二)药物的不良反应
凡是不符合药物的治疗目的,并给病人带来不适或痛苦的反应,统称为不良反应(adverse effect)。临床治疗疾病时必须充分考虑用药的安全性和有效性,根据治疗需要权衡利弊,决定取舍。药理学上根据治疗目的、剂量大小、时间长短或所发生不良反应的严重程度,将不良反应用以下不同概念来表述。
1.副作用(side reaction)
指药物在治疗剂量时产生的、与治疗目的无关的作用,给病人带来轻微的不舒适或痛苦,多半可以自行恢复。副作用是药物本身所固有的药理作用,其产生的原因是药物选择性低,药理效应涉及的范围广泛,当其中某一效应被用作治疗目的时,其他效应则成为副作用。副作用一般都较轻微,是可逆性的功能变化,并可预知及避免或减轻。例如,阿托品用于解除胃肠痉挛时,可引起口干、心悸、便秘等副作用;麻黄碱在解除支气管哮喘时,也兴奋中枢神经系统,引起失眠,同时给予镇静药可对抗其中枢兴奋作用。
2.毒性反应(toxic reaction)
是指用药剂量过大或时间过长,药物在体内蓄积过多而引起的危害性反应,多数比较严重。毒性反应包括急性毒性、慢性毒性和特殊毒性。短期内用药剂量过大引起的毒性反应称急性毒性(acute toxicity),多损害循环、呼吸及神经系统等功能。因用药时间过长,药物在体内蓄积而逐渐发生的毒性反应称为慢性毒性(chronic toxicity),常损害肝、肾、骨髓及内分泌等器官功能。特殊毒性反应包括致畸胎(teratogenesis)、致癌(carcinogenesis)和致突变(mutagenesis)作用,通常称为“三致作用”。毒性反应在性质和程度上与副作用不同,对使用者危害较大,但一般是可以预知和避免的,故临床用药应严格掌握给药剂量和疗程,并定时做相关检测。
3.变态反应(allergic reaction)
也称过敏反应(hypersensitive effect),是药物(或杂质)作为抗原或半抗原刺激机体所产生的异常免疫反应,是少数人对某些药物产生的病理性免疫反应,常见于过敏体质的患者。变态反应与药物原有的效应、使用剂量和疗程无关,在治疗量或极低剂量时均可能发生,用特异性拮抗药解救无效。临床表现从轻微的皮疹、发热到造血系统功能抑制、肝肾功能损害、休克等,严重程度差异很大。致敏原可为药物本身、代谢产物、制剂中的杂质或辅剂等。大分子多肽或蛋白质类药物可直接具有抗原性,小分子药物可作为半抗原通过与体内蛋白结合形成抗原。抗体的产生需要10天左右的敏化过程,再次与抗原接触即导致发病。
4.后遗效应(residual effect)
是指停药后血浆药物浓度已下降至有效浓度以下,但仍存留的药理效应。例如晚上睡前服用长效巴比妥类镇静催眠药后,次晨仍有困倦、头昏、乏力等后遗效应,称“宿醉”现象。
5.停药反应(withdrawal reaction)
指某些药物在长期应用后突然停药,原有疾病复发、加剧或出现新症状,又称反跳现象(rebound phenomenon)。例如长期使用β受体阻断剂普萘洛尔控制血压后,如突然停药则会出现血压急剧升高或心绞痛发作,甚至危及生命,所以需要特别注意,在停药时务必逐步减少给药量。
6.特异质反应(idiosyncratic reaction)
某些药物可引起少数患者出现特异性的不良反应,其反应性质可能与正常人不同,是一类先天遗传异常所致的反应,如红细胞葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺损者,服用伯氨喹时可发生严重的溶血性贫血;先天性血浆胆碱酯酶缺乏者用骨骼肌松弛药琥珀胆碱时发生呼吸肌麻痹、严重窒息的特异质反应,这些都是遗传因素造成的异常反应,大都与遗传异常所致的药物代谢酶活性降低有关。
第二节 药物效应的量效关系和构效关系
一、药物的量效关系
药物剂量与效应的关系简称量效关系(dose-effect relationship)。药理效应的强弱与其剂量大小在一定范围内成正比,随着剂量增加其效应也增加,这就是剂量-效应关系,但两者并非简单的直线关系。通过对量效关系的分析,可了解药物剂量(或浓度)产生相应效应的规律,有助于阐明药物作用的性质,并为临床安全有效用药提供依据。
(一)剂量
剂量是指药物的每天用量,是决定血药浓度和药物效应的主要因素,可根据需要分次使用(图3-1)。用药剂量太小往往无效,太大又会出现中毒症状。
1.无效量(no-effect dose)
不出现效应的剂量。
2.最小有效量(minimum effective dose)
又称阈剂量(threshold dose),指能引起效应的最小药量或最小药物浓度。
3.治疗量(therapeutic dose)
是比阈剂量大、比极量小,临床使用时对大多数病人有效而又不出现中毒反应的剂量,又称常用量。
4.最大有效量(maximal effective dose)
是引起最大效应而不出现中毒的剂量,又称极量(maximal dose)。
5.最小中毒量(minimumtoxic dose)
能引起中毒反应的剂量。
6.最小致死量(minimum lethal dose)
刚能引起死亡的剂量。
药物不良反应与剂量的关系见图3-2。
图3-1 药物剂量的概念
图3-2 药物不良反应与剂量关系示意图
图中 代表连续给药维持时间
(二)量效曲线
以药物的效应强度为纵坐标,剂量或浓度为横坐标作图,得到的曲线即为量效曲线(dose-effect curve)。
药物所产生的药理效应按性质可以分为量反应和质反应两种。量反应(graded response)是指药理效应的强弱呈连续增减的变化,可用具体数值的大小来表示,如血压的高低、心率的快慢、反应时间的长短等,其研究对象为单一的生物单位;质反应(qualitative response)是指药理效应不随药物剂量或浓度的增减呈现量的变化,而仅有质的差别,以阳性或阴性、全或无的方式表现,如存活或死亡、有效或无效等,常用阳性反应的频数或阳性反应率表示,其研究对象为一个群体。如在临床试验中药物的有效或无效、在动物抗惊厥实验中动物出现惊厥(阳性)与不出现惊厥(阴性)等。
1.量反应的量效曲线
以药物的剂量(体内实验)或浓度(体外实验)为横坐标,以效应强度为纵坐标作图,可获得一先陡后平的曲线(图3-3A);如将给药量转化成对数值作图,则量效曲线呈一条对称的S形曲线(图 3-3B)。
图3-3 量反应的量效曲线
A.药量用真数剂量表示;B.药量用对数剂量表示
对量反应的量效曲线进行分析,可以获得以下几个特征性变量:
(1)最大效应(maximal effect,E max):
是指药物所能产生的最大效应,亦称效能(efficacy)。随着剂量或浓度的增加,药物效应也随之增加,当效应增加到最大程度后再增加剂量或浓度,效应则不再继续增强,这一药理效应的极限称为最大效应。见图3-4。
半最大效应浓度(concentration for 50% of maximal effect,EC 50)是指药物能引起50%最大效应时的浓度。
(2)效价强度(potency):
是指能引起等效反应(一般采用50%效应量)的相对浓度或剂量,其值越小则强度越大。用于作用性质相同的药物之间等效剂量的比较,达到等效时所用药量较小者效价强度大,所用药量大者效价强度小。
药物的效能和效价强度反映药物的不同性质,二者并不平行。例如,将利尿药以每日排钠量作为效应指标进行比较,氢氯噻嗪的效价强度明显大于呋塞米(30mg∶90mg),但呋塞米的效能却远大于氢氯噻嗪(150mmol∶200mmol,图3-5),说明呋塞米的每日最大排钠量高于氢氯噻嗪。在临床用药时,应对同类药物的效能和效价强度进行综合比较和评价,药物的最大效应值有较大实际意义,因为效能高的药物能取得更强的治疗效果。而不区分最大效应与效价强度只讲某药较另药强若干倍是易被误解的(图3-5)。
图3-4 量反应的量效曲线分析
图3-5 各种利尿药的效能与效价强度比较
A.环戊噻嗪;B.氢氯噻嗪;C.呋塞米;D.氯噻嗪
(3)个体差异(individual variability):
药理效应的个体差异普遍存在,当给予同等药量时,不同个体间的效应强弱存在明显差异;而达到相同效应时所需的药量在不同个体间也存在明显差别。量效曲线上的某个点是在该条件时一组实验动物产生效应的平均值。
(4)斜率(slope):
指量效曲线中段(50% E max)的曲线坡度。坡度较陡说明药量的微小变化即可引起效应的明显改变,提示药效较剧烈;坡度较平坦提示药效相对较温和(图3-4)。
2.质反应的量效曲线
以剂量或浓度为横坐标,以阳性反应百分率为纵坐标作图,可得到与量反应相似的曲线。如果按照药物浓度或剂量的区段出现阳性反应频率作图,可得到呈正态分布的曲线;如果按照随剂量增加的累计阳性反应百分率作图,则可得到典型的S形量效曲线(图3-6)。
图3-6 质反应的量效曲线
从质反应的量效曲线中可获得用于衡量药理作用的几个参数:
(1)半数有效量与半数致死量:
半数有效量(median effective dose,ED 50)在质反应中是指引起 50% 实验对象出现阳性反应的药量,在量反应中指能引起50%最大反应强度的药量。随着药物剂量加大,能引起半数动物中毒或死亡的剂量,称为半数中毒量(median toxic dose,TD 50)或半数致死量(median lethal dose,LD 50)(图 3-7)。质反应药物的作用强度与其半数有效量大小成反比,半数有效量越大,说明药物的作用相对较弱;药物的安全性与其半数致死量大小成反比,半数致死量越大,药物的毒性相对越小,越安全。
(2)治疗指数(therapeutic index,TI):
是指药物的半数致死量与半数有效量的比值,通常以LD 50/ED 50表示,用以表示药物的安全性。药物的安全性与其LD 50的大小成正比,与ED 50成反比。治疗指数大的药物相对较安全。但如果某药的ED和LD两条曲线的首尾有重叠(见图3-7),即有效剂量与致死剂量之间有重叠,则以TI来评价药物的安全性并不完全可靠,故有人用1%致死量(LD 1)与99%有效量(ED 99)的比值或5%中毒量(TD 5)与95%有效量(ED 95)之间的距离来衡量药物的安全性。LD 1/ED 99的比值称为可靠安全系数(certain safety factor,CSF),ED 95-TD 5间距离称为安全范围(margin of safety)(见图 3-7)。
图3-7 药物效应与毒性的量效曲线
二、药物的构效关系
构效关系(structure-activity relationship)是指药物的化学结构与生物活性之间的关系。药物的化学结构与药理效应密切相关,结构相似的药物可通过同一机制发挥作用,引起相似或相反的效应。化学结构的改变,包括基本骨架、活性基团及侧链长短、立体构型、几何异构的改变等均可影响药物的理化性质,进而影响其体内过程、药效乃至毒性。
药物的构效关系一般有以下特点:①化学结构相似的药物,药理作用可能相似或相反,在一定结构范围内有规律性可循。②化学结构完全相同的光学异构体,作用可能不同或相反。如奎宁为左旋体,有抗疟作用;而其右旋体奎尼丁则有抗心律失常作用。多数药物的左旋体具有药理作用,而右旋体则无作用,如左旋咪唑、左旋多巴等。③侧链的种类和长短可影响药物作用的强弱、起效快慢及持续时间的长短等,如巴比妥类药物。了解药物的构效关系不仅有利于深入了解药物的作用,指导临床合理用药,而且在药物结构定向设计、新药研发等方面都有重要意义。
20世纪30年代后药物研究进入了迅猛发展的时期,科学家们合成并试验了大量结构类似的化合物,发现分子结构与药理活性之间的关系具有一定的规律性,从此开始定性地认识药物的构效关系。
自20世纪60年代后出现了定量构效关系(quantitative structure-activity relationship,QSAR)研究,即运用数学方法计算一系列类似化合物的生物学活性与化学结构间的关系,并通过一系列已知化合物的生物效应与理化参数间的回归分析来推算未知化合物的生物效应,找出最佳化合物应具备的结构,从而设计新药的分子结构。
近年来,人们开始关注分子空间构象的三维定量构效关系(3D-QSAR)。即利用分子形状分析、距离几何、比较分子力场分析等方法,研究药物分子三维结构与受体作用的相互关系,深入揭示药物与受体相互作用的机制。构效关系研究已在计算机辅助药物设计中发挥作用,而后者已成为新药研究的热点之一。随着计算机技术和相关学科的不断发展,3D-QSAR的研究方法将不断完善并发挥更大作用。
第三节 药物作用的机制
药物作用的机制(mechanism of drug action)是研究药物如何与机体细胞结合而发挥作用的,其结合部位就是药物作用的靶点。大多数药物是通过与机体的生物大分子相互作用,改变了大分子成分的功能,引起机体生理生化功能的改变,产生特异性效应。这些和药物发生相互作用的大分子即是受体(receptor)。因此,受体是大多数药物的作用靶点,它与药物的相互作用是大多数药物产生药理作用的机制(详见本章第四节)。此外,药物作用的靶点还包括酶、离子通道、核酸、载体、免疫系统、基因等,几乎涉及生命活动的所有环节;还有些药物通过理化作用或补充机体缺乏的物质而发挥作用。因此,药物作用的机制十分复杂,下面分别予以介绍。
一、药物作用的理化机制
有些药物通过化学反应或物理作用而产生药理效应,其作用是属于非特异性的,概括起来可表现为以下几个方面:
1.渗透压作用
如静脉注射甘露醇,利用其在肾小管内提高渗透压而脱水利尿。
2.脂溶作用
如全麻药对中枢神经系统的麻醉作用,是因其累积于富含脂肪的神经组织中,达到饱和时使神经细胞膜的通透性发生变化,阻滞钠离子内流而影响神经冲动的传递。
3.影响pH值
利用药物自身的酸碱性,如口服抗酸药氢氧化铝中和胃酸,用于治疗溃疡病。
4.结合作用
螯合剂与重金属阳离子结合治疗金属中毒,如用二巯丙醇络合汞、砷等重金属离子而解毒。
二、补充机体缺乏的某些物质
有些药物能补充机体缺乏的物质,如维生素、微量元素、激素等。
三、影响内源性神经递质和激素
药物通过影响神经递质的合成、摄取、释放、灭活等过程,引起机体功能的改变。如麻黄碱除能直接作用于肾上腺素受体外,还能促进肾上腺素能神经末梢释放去甲肾上腺素,发挥对受体的间接作用;利血平通过耗竭肾上腺素能神经末梢内的递质去甲肾上腺素而产生降压作用。
四、作用于特定的靶位
绝大多数药物的生物活性与其化学结构密切相关,它们与机体生物大分子的功能基团结合而引起一系列生理、生化反应,发挥特异性作用。哺乳动物细胞的药物作用靶点大致可分为受体、离子通道、酶、载体分子等。化疗药物的作用在于抑制机体所感染的病原微生物和肿瘤细胞,其靶点尚有DNA、细胞壁及其他蛋白。
1.直接激动或拮抗受体
如阿托品通过阻断M胆碱受体而发挥广泛的副交感神经抑制作用。
2.影响离子通道活性
细胞膜上主要的离子通道有Ca 2+、K +、Na +及Cl -通道,它们调节膜内外的离子分布。这些通道的开放或关闭影响细胞内外离子的转运,能迅速改变细胞功能。有些离子通道是药物作用的靶点,药物能改变离子通道的构象使其开放或关闭。例如钙通道拮抗剂硝苯地平能阻断Ca 2+通道,降低细胞内钙离子浓度而使血管扩张;局部麻醉药能抑制钠通道而阻断神经冲动的传导等。有些受体和G蛋白也可调控离子通道,如激活N胆碱受体可引起Na +通道开放,激活GABA受体可引起Cl -通道开放等。近年来应用膜片钳技术对G蛋白与离子通道之间的作用机制进行深入研究,发现G蛋白能激活K +和Ca 2+通道。
3.影响酶的活性
酶是由机体细胞产生的具有催化作用的蛋白质,具有高度敏感性、结构特异性和生物活性,能催化各种细胞成分的代谢,是细胞生命活动的重要物质。酶的生成取决于遗传因素,其代谢转化受多种生理、病理、药物及环境等因素的影响。有些药物以酶为作用靶点,产生激活、诱导、抑制或复活等作用。如别嘌呤醇能通过抑制黄嘌呤氧化酶、减少尿酸的合成而改善痛风症状;吲哚美辛、阿司匹林等能抑制环氧化酶,减少前列腺素的合成,发挥抗炎、解热、镇痛的作用;奥美拉唑能抑制胃黏膜H +-K +-ATP酶而减少胃酸分泌;洋地黄抑制心肌Na +-K +-ATP酶而产生正性肌力作用。还有些药物本身就是酶,如胃蛋白酶。
4.影响核酸代谢
许多药物通过干扰核酸代谢而发挥药理效应,如抗菌药喹诺酮类通过抑制DNA回旋酶发挥杀菌作用;磺胺类通过抑制细菌体内叶酸代谢而干扰核酸合成,发挥抑菌效应等。近年来,反义药物的研发已成为热点之一。所谓反义药物(antisense drug)是指人工合成的与体内某种DNA或RNA有互补序列的寡核苷酸,通过二者杂交影响正常转录或翻译而发挥作用。反义药物具有特异性强的优势,但目前还存在许多问题,预计不久将会有突破性进展。
5.影响物质转运
内源性递质或代谢产物在体内的转运受其分子量、电荷及跨膜浓度梯度的影响,需要载体转运。有些药物可抑制某种载体功能而产生效应,例如丙磺舒能竞争性抑制肾小管主动转运弱酸性代谢物的载体,使原尿中尿酸的再吸收减少,可用于防治痛风;利尿药呋塞米能抑制肾小管对钠、钾及氯离子的再吸收,发挥利尿作用等。
6.影响免疫系统
正常的免疫反应是机体消除入侵微生物和自身变异细胞的重要机制。某些药物本身就是免疫系统中的抗体或抗原。免疫抑制药如环孢素可用于抑制器官移植后的免疫排异反应、自身免疫病及Rh阳性新生儿溶血病等。免疫增强剂可作为辅助治疗药物,用于免疫缺陷病如艾滋病、慢性感染及癌症等。
7.基因治疗与基因工程药
基因治疗(gene therapy)是把经过修饰的基因导入体内,通过其表达发挥治疗效应;基因工程药物则是将修饰基因的细胞产物作为药物应用于病人的治疗。20世纪以来,分子生物学特别是DNA重组技术的迅猛发展,使医学和生物学领域产生了巨大进步,出现了基因治疗这一全新的医学方法。基因治疗是指通过基因转移的方式将正常基因或其他功能基因导入体内,并使之表达以获得疗效。例如囊性纤维化(cystic fibrosis,CF)是一种常染色体隐性遗传病,其基因定位在7q22.3~q23.1,受损细胞的氯离子运转异常,以肺部受累为多见。采用腺病毒和阳离子脂质体为载体,将编码CF跨膜导电调节因子(CFTR)基因导入患者呼吸道上皮细胞,治疗后基因转移部位的氯离子转运缺陷可被纠正。
基因工程药物是指应用基因工程技术生产的药品。将目的基因与载体分子重组后转移到新的宿主细胞,使目的基因在新的宿主细胞系统内表达,然后对基因表达产物进行分离、纯化和鉴定,大规模生产目的基因表达的产物。目前已应用于临床的产品有人胰岛素、人生长素、白介素类、干扰素类、组织纤溶酶原激活剂、重组链激酶、促红细胞生成素、乙肝疫苗、嗜血性流感嵌合疫苗等。
第四节 药物与受体
受体理论是药效学的基本理论之一,大多数药物通过与受体结合而发挥作用。受体的概念是Ehrlich和Langley于19世纪末和20世纪初提出的。当时Ehrlich发现一系列化合物的抗寄生虫作用和其毒性反应具有高度特异性。Langley根据阿托品和毛果芸香碱对猫唾液分泌的相互拮抗作用,提出在神经末梢或腺细胞中可能存在一种能与化合物特异性结合的接受物质。1908年Ehrlich首先提出受体(receptor)的概念,指出药物必须与受体结合才能发挥作用。同时也提出受体具有两个基本特征:①具有特异性结合与之相适应的配体(ligand)或药物的能力;②药物-受体的结合类似锁头与钥匙的特异性关系,这种复合物可引起生物效应。随后药物通过受体发挥作用的学说很快得到了学术界的重视,并提出了药物与受体相互作用的几种假说,如占领学说(occupation theory)、速率学说(rate theory)、二态模型学说(two model theory)等。近年来,随着受体的分离纯化及分子克隆技术的发展,多种受体蛋白已被克隆,并明确了其分子结构与功能,对药物作用机制的研究及新药研制的发展起到了重要促进作用。
一、受体的定义及特征
(一)定义
1.受体(receptor)
是存在于细胞膜、细胞质或细胞核内的生物大分子(主要为糖蛋白或脂蛋白,也可以是核酸或酶的一部分),能准确识别其配体及化学结构相似的药物并与之结合,通过信息转导与放大系统引起特定的生理效应。
2.配体(ligand)
是指能与受体特异性结合的生物活性物质,也称第一信使,包括内源性递质、激素、自身活性物质或结构特异性的药物等。
配体与受体大分子中一小部分结构特异性的部位结合,该部位称为受点。
多数受体存在于细胞膜上,并镶嵌在双层脂质膜结构中,少数受体存在于细胞内。受体接受到生物活性物质的刺激后,通过一系列信息传递机制引起特异性效应。
(二)受体的特性
1.特异性(specificity)
受体对配体具有高度的选择性,只能与特定大小、形状、电荷的分子相结合,且有严格的构象关系,包括空间构型、光学构象等。药物化学结构的任何改变都会显著影响它与相应受体的亲和力,引起治疗效应和毒性大小的改变。
2.灵敏性(sensitivity)
受体对其配体具有高度的敏感性,极微量的配体分子即可与受体结合而产生显著的效应。
3.饱和性(saturability)
受体是细胞或组织内的大分子蛋白质,数目是有限的,故与配体的结合量也是有限的,当配体足够多时即出现饱和,也决定了药物的最大效应。此时配体浓度再提高也不会增加与受体的结合量。因此配体与受体的结合具有饱和性,作用于同一受体的配体之间存在竞争现象。
4.可逆性(reversibility)
配体与受体的结合是可逆的,已结合的配体与受体复合物也可以解离;已与受体结合的配体可被其他特异性配体所置换,因此拮抗药与激动药同时存在时,可出现竞争性拮抗作用。
5.多样性(multiple-variation)
同一受体可广泛分布于不同组织中,表现不同的生物效应,甚至在同一组织的不同区域受体分布的密度也不相同。多数情况下同种受体具有一个以上亚型,不同亚型的分子量、功能特性各不相同。如同是肾上腺素的受体在血管平滑肌上可以与哌唑嗪结合,在支气管平滑肌上可以和沙丁胺醇结合,所以肾上腺素受体可分为 α、β 受体,α 受体又可分为 α 1、α 2受体,β 受体又可分为 β 1、β 2、β 3受体等;同是乙酰胆碱的受体,在胃肠道平滑肌上可以和毒蕈碱结合,在传出神经神经节上可以和烟碱结合,所以胆碱受体可分为M、N受体,M受体又可分为M 1、M 2、M 3等受体,N受体又可分为N 1、N 2受体等。
6.可调节性(regulability)
受体虽是遗传所固有的蛋白质,但并不是固定不变的,其数量、亲和力及效应经常因各种生理及药理因素的影响而转换,并处于动态平衡之中。受体数量可因反复用药而改变,如连续应用激动药可使受体数目减少,称向下调节(down-regulation);连续应用拮抗药可使受体数目增加,称向上调节(up-regulation)。
二、受体与药物相互作用
自Ehrlich提出的“锁钥假说”作为配体-受体相互作用的模型后,经大量试验资料补充,理论上有了较大发展和完善,在不同历史阶段先后提出以下假说。
1.占领学说(occupation theory)
1937年由Clark提出的受体占领学说(receptor occupation theory)认为,受体必须与药物结合才能被激活产生效应,药物效应的强度与所占领受体的数量成正比,药物占领受体的数目取决于药物结合受体的能力和受体周围的药物浓度。当受体全部被占领时方可产生最大效应。但此学说无法解释一些活性高的药物只需与一小部分受体结合就能发挥最大效能,此时95%~99%的受体并未被占领。
1954年Ariens对占领学说进行了修正,认为药物的效应不仅与其占领受体的数目有关,也与占领受体后产生效应的能力有关。因此提出了“内在活性”的概念,认为药物与受体结合产生效应必须具备两个条件:一是亲和力(affinity),表示药物与受体结合的能力,可用一定效应(50% E max)所需药物的浓度表示,亲和力与效价强度概念一致;二是内在活性(intrinsic activity,α),是决定药物与受体结合后产生效应大小的关键性质,用最大效应表示,内在活性与效能概念一致,通常0≤α≤1。当两药亲和力相等时,其效应强度取决于内在活性强弱,当内在活性相等时,则取决于亲和力大小。只有亲和力而没有内在活性的药物,虽可与受体结合,但不能激动受体,故不产生效应。
1956年Stephenson认为,药物只占领小部分受体即可产生最大效应,未经占领的受体称为储备受体(spare receptor)。因此,当不可逆性结合或其他原因而丧失一部分受体时,并不会立即影响最大效应。进一步研究发现,内在活性不同的同类药物产生同等强度效应时,所占领受体的数目并不相等。激动药占领的受体必须达到一定数目后才开始出现效应。当达到阈值后被占领的受体数目增多时,激动效应随之增强。阈值以下被占领的受体称为沉默受体(silent receptor)。
药物与特异性受体有亲和力是其激活或阻断受体的前提,但与受体结合后的效应如何则取决于药物的内在活性。根据药物与受体结合后产生效应的不同,将作用于受体的药物分为激动药和拮抗药两大类。
(1)激动药(agonist):
是指对受体既有亲和力又有内在活性的药物,它们能与受体结合并激动受体产生效应。根据亲和力和内在活性的大小不同,激动药可分为完全激动药和部分激动药。完全激动药具有较强亲和力和较强内在活性(α=1);部分激动药(partial agonist)与受体有较强亲和力,但内在活性较弱(α<1),与激动药并用还可拮抗激动药的部分效应,因此具有激动药和拮抗药双重特性。如喷他佐辛是阿片受体的部分激动药,单独应用有较强的镇痛作用,但与完全激动药吗啡合用时,则减弱吗啡单用时的镇痛作用(图3-8A和图3-8B)。
通常以能产生最大反应的药物的内在活性为1。因此,完全激动药的内在活性为1,部分激动药的内在活性介于1和0之间,而竞争性拮抗药的内在活性为0(图3-9)。
(2)拮抗药(antagonist):
是指与受体具有较强亲和力,但无内在活性(a=0)的药物。这些药物本身不能引起效应,但因占据一定量受体而拮抗了激动药的效应。如阿托品与M受体结合后,阻断了乙酰胆碱对M受体的激动作用,表现为胃肠平滑肌松弛等。根据拮抗药与受体的结合是否具有可逆性而将其分为竞争性拮抗药和非竞争性拮抗药。
图3-8 三种激动药物与受体的亲和力及其内在活性的比较
A.亲和力:X>Y>Z;内在活性:X=Y=ZB.亲和力:A=B=C,内在活性:A>B>C
图3-9 内在活性示意图
1)竞争性拮抗药(competitive antagonist):
能与激动药竞争相同的受体,阻断激动药的作用,且与受体的结合是可逆的。通过增加激动药的剂量可与拮抗药竞争结合部位。一定量的竞争性拮抗药存在时,再测定激动药累积浓度效应曲线,可见量效曲线平行右移,但斜率和最大效应不变(图3-10)。
竞争性拮抗药与受体的亲和力通常用pA 2表示。在实验系统中加入竞争性拮抗药后,若2倍浓度的激动药所产生的效应恰好等于未加入拮抗药时激动药引起的效应,则所加入拮抗药的摩尔浓度的负对数称为pA 2值。pA 2是竞争性拮抗药与受体亲和力的定量表示,pA 2越大,竞争性拮抗药对相应激动药的拮抗作用越强。
2)非竞争性拮抗药(noncompetitive antagonist):
与受体的结合是相对不可逆的,能引起受体构型改变,从而干扰激动药与受体的正常结合,且激动药不能竞争性对抗这种干扰。因此,即使不断增大激动药的剂量也不能使量效曲线的最大作用强度达到原来的水平。随着此类拮抗药剂量的增加,激动药量效曲线逐渐下移(见图3-10)。pA 2是非竞争性拮抗药的亲和力参数,又称减活指数,是指使激动药的最大效应降低一半时,非竞争拮抗药摩尔浓度的负对数。
2.速率学说(rate theory)
1961年Paton提出速率学说,认为药物的药理效应不但与药物结合受体的数目有关,也与药物受体结合后的解离速率有关,即药物分子与受体碰撞的频率。药物作用的效应与其占有受体的速率成正比,效应的产生是一个药物分子和受点相碰撞时产生一定量的刺激,并传递到效应器的结果。药物-受体复合物的解离速率越大,产生的最大效应越大,或药物的内在活性越大。
3.二态模型学说(two state theory)
Monod首先提出二态模型学说,认为受体蛋白有两种可以互变的构型状态,一种是静息态(Ri),即为无活性受体;另一种是活化态(Ra),为活性受体,两者呈动态平衡。平衡趋向的改变主要取决于药物对Ra及Ri亲和力大小。如激动药对Ra的亲和力大于对Ri的亲和力,可使平衡趋向Ra,并激动受体产生药理效应。一个完全激动药对Ra有充分的选择性,在药量足够时可以使受体构型完全转为Ra;部分激动药对Ra的亲和力仅比对Ri的亲和力大50%左右,即使有足够的药量,也只能产生较小的效应;拮抗药对Ra及Ri的亲和力相等,并不改变两种受体状态的平衡。还有些药物对Ri亲和力大于Ra,与受体结合后引起受体构型向非激活状态转变,因而引起与激动药相反的效应,称为反向激动药(inverse agonists)(图 3-11)。
图3-10 不同剂量竞争性拮抗药、非竞争性拮抗药及部分激动药与激动药相互作用的量效曲线
图3-11 受体的二态模型示意图
R i:无活性受体;R a:活化态受体;A:药物
1997年,Leff.P等在对二态模型学说修改完善后又提出三态模型学说,认为同一受体有激活和静息两种状态,但激活态可与两种G蛋白偶联,与G蛋白1(G 1)偶联的激活状态受体为R*,与G 2偶联的为R**。G 1和G 2可介导相同或不相同的效应,因此配体与受体结合后可产生不同的效应。若配体单独与R*或R**结合,符合二态模型的效应特点;若配体结合的受体同时偶联G 1和G 2,则表现为三态模型描述的效应特点。
4.G蛋白偶联受体的复合模型
是1996年Kenakin提出并归纳出的较为实用的动力模型。2012年,Robert J.Lefkowitz和Briank.Kobilka因在G蛋白偶联受体研究领域做出的杰出贡献,获得了诺贝尔化学奖。
三、受体的类型及细胞内信号转导途径
(一)受体的类型
生物活性物质与受体结合是信息传递至细胞的第一步,随后由受体构象的变化引起一系列信息传导过程。不同的受体传导信息的机制或方式不同。根据受体蛋白结构、信号传导过程、效应性质及受体位置等特点,可将受体分为以下几类。
1.离子通道受体
离子通道按生理功能可分为配体门控离子通道和电压门控离子通道。配体门控离子通道受体(ligand gated ion channel receptor)由配体结合部位和离子通道两部分构成,当受体与配体结合后受体变构,使离子通道开放或关闭,细胞膜离子流动状态改变,从而传递信息。此类受体与激动剂结合后导致离子通道开放,促进细胞内、外离子跨膜转运,产生细胞膜去极化或超极化,引起兴奋或抑制效应。如N胆碱受体、兴奋性氨基酸受体、γ-氨基丁酸(GABA)受体及甘氨酸受体等都属于这类受体。N胆碱受体由5个亚基在细胞膜内呈五边形排列围成离子通道,当与乙酰胆碱结合时,膜通道开放,膜外的阳离子(Na +)内流,引起突触后膜的电位变化。γ-氨基丁酸(GABA)受体有A、B两种亚型,其中A型(GABAA受体)由α及β两种亚基组成五聚体,所形成的通道控制CI -的内流,可使突触后膜超极化而对神经元产生普遍的抑制作用。主要的离子通道型受体有:①钠通道:N 2受体、5-HT 3受体;②氯通道:GABAA、甘氨酸受体;③钙通道:NMDA型谷氨酸受体;④钠、钾通道:非NMDA型谷氨酸受体。
2.G蛋白偶联受体
是一类由GTP结合调节蛋白(简称G蛋白)组成的受体超家族,可将配体带来的信号传送至效应器蛋白而产生效应。这一类受体是目前发现的种类最多的受体,遍布于机体的各个组织器官。约40多种神经递质或多肽类激素的受体通过G蛋白偶联机制产生效应,如肾上腺素、5-羟色胺、多巴胺、乙酰胆碱、嘌呤类、前列腺素、阿片类及一些多肽激素等的受体,均属于此类受体。G蛋白的调节效应器包括酶类,如腺苷酸环化酶、磷脂酶等及某些离子通道如Ca 2+、K +离子通道。
G蛋白偶联受体的主要特征是其本身不具有酶的活性,也不直接导致第二信使的生成,而是必须与G蛋白偶联后,经过G蛋白的转导而将信号[包括第二信使环腺苷酸(c AMP)、三磷酸肌醇(IP 3)、二酰甘油(DAG)及Ca +等]传递至效应器,才能产生药理效应。
G蛋白偶联受体的基本结构都非常相似,均为单一肽链形成7个α-螺旋(跨膜区段)往返穿透细胞膜,形成三个细胞外环和三个细胞内环。其N-端在细胞外,具有糖基化位点,C-端在细胞内。这两段肽链的氨基酸组成在各种受体差异很大,与其识别配体及转导信息的多样性有关。胞内有G蛋白结合区,G蛋白是由α、β、γ 3个亚单位组成的三聚体,含有300~500个氨基酸残基,分子量在40~50kDa范围内。静息状态时与GDP结合,当受体激活时GDP-αβγ复合物在Mg 2+参与下,GDP与胞质中GTP交换,GTP-α亚基与βγ亚基形成G蛋白三聚体,恢复原来的静息状态。每一种受体对一种或几种G蛋白具有不同的特异性,一个受体可激活多个G蛋白,一个G蛋白可以转导多个信号给效应器,调节许多细胞的功能。
3.酪氨酸激酶受体(tyrosine kinase receptor)
这类受体都是跨膜糖蛋白,由三部分构成,胞外部分是与配体结合的部位,中间有20多个疏水氨基酸构成的跨膜段,细胞内侧为酪氨酸激酶活性部位,含有可能被磷酸化的酪氨酸残基。其激动剂与此类受体的识别部位结合后,细胞内的激酶被磷酸化,磷酸根转移至效应器上,使效应器蛋白的酪氨酸残基磷酸化,激活细胞内蛋白激酶,DNA及RNA合成增加,加速蛋白质合成,从而产生细胞生长、分化等效应。胰岛素、表皮生长因子、血小板衍生生长因子及某些淋巴因子受体都属于这一类型。当胰岛素受体或生长因子受体与配体结合后,受体变构,酪氨酸磷酸化,激活酪氨酸蛋白激酶,引起一系列细胞内信息传递。
4.细胞内受体(intracellular receptor)
此类受体是存在于细胞质和细胞核中的特异性蛋白质,其配体包括肾上腺皮质激素、雌激素、孕激素、甲状腺素和维生素D等,易于透过细胞膜的脂质双层而与细胞内受体结合,产生生理和药理作用。细胞内受体包括细胞核激素受体和某些脂溶性药物的受体。细胞核激素受体(cell nuclear hormone receptor)本质上属于核转录因子(transcript factor),能与细胞核内特异性DNA结合而促进其所调节基因的转录。而激素则是这种转录因子的调控物。这类受体能与亲脂性的糖皮质激素、盐皮质激素、性激素、甲状腺激素、维生素A、维生素D及维甲酸等结合,形成激素受体复合物,调控基因表达而发挥作用。在治疗学上有重要意义:①由于促进新的蛋白质合成需要时间,激素应用后一般需要30分钟至数小时才能产生疗效,如应用糖皮质激素后不会立即缓解哮喘状态;②大多数酶和蛋白质的更替相对缓慢,当血药浓度降低到0以后,激素的作用还能持续数小时或数天,说明停药后激素的作用(毒性)不会立即消失。
5.细胞因子受体(cytokine receptor)
这类受体由α和β两个亚基组成,在生理状态下可与细胞因子高亲和力结合。白细胞介素受体、红细胞生成素受体、巨噬细胞集落刺激因子受体、催乳素以及生长激素受体等均属于这一类(图3-12)。
图3-12 受体类型示意图
(二)细胞内信号转导途径
药物、激素、神经介质或其他生物活性物质与受体作用后可引起广泛而复杂的效应,主要有赖于细胞内灵敏的信号转导系统。细胞信息传递是细胞外界的信息分子特异地与细胞膜表面受体结合,刺激细胞产生调节信号,以一系列蛋白质构型和功能的改变引发瀑布式级联反应的过程。一个胞外信号逐级经过胞质中雪崩式的酶促放大反应,迅速在细胞中扩布到特定的靶系统,发挥效应。细胞外信号物质种类繁多,受体本身也具有多型性,但目前已知的细胞内传导系统以及效应器种类却很有限。大多数跨膜信号传导过程仅通过几种分子机制完成,因此,可能存在多种细胞外信号物质共用有限的细胞内信使物质和效应体系的现象;可能存在多种介质、激素及调节物质与同一种或几种细胞内信使物质间的相互作用;可能存在一种受体亚型与若干不同的效应器偶联,而若干个不同种受体又可能影响同一效应器的现象(图3-13)。多数信息传递需要第一信使、第二信使及第三信使的传递。
图3-13 膜信息传递示意图
1.第一信使(first messenger)
指多肽类激素、神经递质及细胞因子等细胞外信使物质。大多数第一信使不进入细胞,而是与靶细胞膜表面的特异受体结合,改变受体的构象进而激活受体。被激活的受体能引起细胞某些生物学特性的改变,如膜对某些离子通透性及膜上某些酶活性的变化,从而调节细胞功能。
2.第二信使(second messenger)
是指第一信使作用于靶细胞后,刺激胞质内产生的信息分子,是胞外信息与细胞内效应器之间必不可少的中介物。受体之所以具有灵敏的识别能力,能与周围微量的配体结合引起广泛而复杂的效应,主要是靠第二信使的作用。第二信使将获得的信息增强、分化、整合,再传递给效应机制,发挥特定的生理功能或药理效应。现已知有许多物质参与细胞内信息传递,研究较多的第二信使有环腺苷酸、环鸟苷酸、肌醇磷脂及钙离子等。
(1)环腺苷酸(cAMP):
cAMP是三磷酸腺苷(ATP)经腺苷酸环化酶(AC)作用的产物。cAMP能激活蛋白激酶A(PKA)而使细胞内多种蛋白磷酸化,如使磷酸化酶、脂酶、糖原合成酶等磷酸化而活化后产生能量。钙通道磷酸化后被激活,引起Ca 2+内流,从而使神经、心肌、平滑肌等兴奋。肾上腺素、胰高血糖素、多巴胺、前列环素等受体能激活AC使cAMP增加。cAMP主要参与调节肝糖原分解、脂肪水解、心脏兴奋、血管舒张、血钙升高及钙通道开放等。
(2)环鸟苷酸(cGMP):
cGMP是三磷酸鸟苷(GTP)经鸟苷酸环化酶(GC)作用的产物,可被磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)水解灭活。cGMP与cAMP引起的作用相反,使心脏抑制、血管舒张、肠道腺体分泌等。cGMP可以独立作用而不受cAMP制约。cGMP可激活蛋白激酶G(PKG)而引起各种效应。
(3)肌醇磷脂(phosphatidyl inostol):
细胞膜上肌醇磷脂的水解是另一类重要的信息转导系统。α 1、5-HT 2、H 1、M 1、M 2受体激动药与其受体结合后通过G蛋白介导激活磷脂酶C(PLC),PLC使4,5-二磷酸肌醇(PIP 2)水解为二酰甘油(DAG)及1,4,5-三磷酸肌醇(IP 3)。DAG在细胞膜上与Ca 2+协同激活蛋白激酶,使许多靶蛋白磷酸化而产生效应,如腺体分泌、血小板聚集、中性粒细胞活化及细胞生长分化等效应。IP 3能促进细胞内钙离子池释放Ca 2+,通过钙调蛋白及PKC激活多种细胞功能,具有重要的生理意义。
(4)钙离子:
细胞内Ca 2+浓度不及血浆钙离子浓度的0.1%,但对细胞功能有着重要的调节作用,如肌肉收缩、腺体分泌、白细胞及血小板活化及脑内多种酶的激活等。细胞外Ca 2+通过细胞膜上的Ca 2+通道进入细胞质,也可以从细胞内肌质网等钙池释放,两种途径相互促进。前者受膜电位、受体、G蛋白、PKA等调控,后者受IP 3作用而释放。细胞内Ca 2+激活PKC,与DAG协同促进其他信息传递蛋白及效应蛋白活化。
3.第三信使(third messenger)
是指负责细胞核内外信息传递的物质,包括生长因子、转化因子等。它们传导蛋白以及某些癌基因产物,参与基因调控、细胞增殖和分化,以及肿瘤的形成等过程。
由此可见,众多种类的受体与细胞内信使,受体与效应器之间存在着复杂的调节机制。随着分子生物学和细胞生物学的不断发展,关于受体的结构本质、受体的克隆、受体与配体结合的机制以及受体基因的表达与机体功能的关系正在受到越来越广泛的关注。
四、受体的调节
受体虽是遗传所得的固有蛋白质,但并非固定不变的,而是处于经常代谢更新的动态平衡中,其数量、构象、亲和力以及效应力等受各种生理及药理因素的影响。受体的调节是维持机体内环境稳定的重要因素,其调节方式主要有下列类型:
1.受体脱敏(receptor desensitization)
即向下调节(down-regulation),是指受体长期反复与激动药接触后,组织细胞对激动药的敏感性和反应性下降的现象。如长期用异丙肾上腺素治疗哮喘产生的耐受性。如果仅对一种受体激动药反应性下降,而对其他类型受体激动药反应性不变,称之为激动药特异性脱敏(agonist-specific desensitization);若不仅对一种类型的激动药脱敏,对其他类型激动药也不敏感,则称为激动药非特异性脱敏(agonist-nospecific desensitization)。前者可能与受体磷酸化或受体内移有关;后者则可能与所有受影响的受体有共同的反馈调节机制有关,也可能受调节的是它们信号转导通路上的某个共同环节。
2.受体增敏(receptor hypersensitization)
即向上调节(up-regulation),是与受体脱敏相反的一种现象,指受体长期反复与拮抗药接触产生的受体数目增加或对药物的敏感性升高的现象。如长期应用β受体阻断药普萘洛尔,突然停药后可致“反跳”现象,这是由于β受体的敏感性增高所致。若受体脱敏和增敏只涉及受体密度的变化,则分别称之为下调和上调。
3.同种和异种调节
若配体作用于特异性受体,使该受体数量和亲和力发生变化,称同种调节。例如长期使用β-肾上腺素受体激动药异丙肾上腺素可导致β受体脱敏(结合量下降),长期使用表皮生长因子可引起EGF受体减少等。若配体作用于特异性受体后对另一种配体的受体产生了调节作用,称异种调节。如β-肾上腺素受体可被甲状腺素、糖皮质激素和性激素所调节;M受体可被血管活性肽所调节等。同种调节和异种调节的最终结果仍然是使受体产生脱敏或增敏。
五、受体与疾病的关系
受体的正常调节及变化是维持机体内环境稳定的重要因素,而受体的异常变化则是致病的重要因素。因受体的改变而引起的疾病称为受体病(receptor disease)。但因其他原因而产生的某些疾病中也可有受体的改变。导致疾病的受体改变主要包括:异常受体及异常偶联蛋白的表达,受体的数目、亲和力及特异性的改变等。如研究发现,某些病理变化可诱导一些组织产生原先并不表达的新受体,即可诱导受体(inducible receptors),这不仅为病因学研究提供了新的线索,而且为疾病的治疗提供了新的靶点。
受体的化学本质是蛋白质,具有抗原性。只是由于机体自身存在免疫自稳作用,正常个体对自身的受体不产生免疫反应。但是多种因素(如遗传缺陷、感染等)都可破坏这种免疫自稳状态,从而出现自身免疫反应,产生受体的自身抗体。自身抗体按其作用的不同可分为两大类:封闭型抗体和刺激型抗体。
在病理状态下,某些受体的特异性会发生改变,从而与过量的非特异配基相结合并产生效应;而在正常情况下,他们之间可能完全不起反应。如绒毛膜癌患者体内,过量的人绒毛膜促性腺激素(human chorionic gonadotropin,HCG)可激动促甲状腺素(thyrotropin,thyroid stimulating hormone,TSH)受体而出现甲状腺功能亢进症状;在肢端肥大症患者体内,过量的生长激素(human growth hormone,hGH)可作用于催乳素受体而使患者出现泌乳及闭经等现象。
六、受体与临床用药
受体学说对临床用药具有重要指导意义。
1.有助于理解并认识药物作用的原理和药物间相互作用
受体的效应涉及面广,致使药物间的应用相互制约。
2.有助于了解药物发展的动向
如支气管哮喘患者支气管平滑肌上的β 2受体数目,随哮喘发作次数的增加而日益减少,故治疗初期用β受体激动剂效果显著,但后期则越来越差。甲状腺功能亢进患者β受体数目上调。心力衰竭患者心肌细胞膜上强心苷受体数目上调,故某些患者在体内血药浓度尚未达到有效范围时就已经出现心脏毒性。
3.根据药物对受体数目的调节作用指导用药
如长期应用β受体阻断药引起β受体数目增加,突然停药后会出现“反跳”现象。同理,长期应用某些受体激动药引起相应受体数目减少,停药后产生戒断综合征。
案例3-1
某男性患者,因腹部绞痛、腹泻就诊,诊断为急性胃肠炎,收入院。入院后立即给予阿托品注射剂1mg肌内注射,洛美沙星片0.3g口服,每天2次。给药后腹痛减轻继而消失,但患者出现皮肤干燥、面部潮红、口干、视物模糊、排尿困难。
思考:
1.两种治疗药物,哪一个是对因治疗?哪一个是对症治疗?两药的作用机制各是什么?
2.用药后什么症状的改善属于治疗作用?什么症状属于不良反应?这些不良反应是否可以避免?
(杨静娴)
学习小结
药物效应动力学简称药效学,是研究药物对机体的作用及作用机制的学科。药物的不良反应主要包括副作用、毒性反应、变态反应、后遗效应、停药反应、特异性反应等;效能是指药物所能产生的最大效应,效价强度是指引起等效反应的相对剂量,二者反映药物的不同性质;LD 50/ED 50的比值称为治疗指数,用以表示药物安全性的大小。绝大多数药物都是通过与受体结合发挥效应的。受体是存在于细胞膜或细胞内、对生物活性物质具有识别能力并可与之选择性结合产生特定效应的生物大分子;与受体既有亲和力又有内在活性、能激活受体产生药理效应的药物称为受体激动药;与受体仅有较强的亲和力,但缺乏内在活性的药物称受体拮抗药,包括竞争性和非竞争性拮抗药两类。
复习参考题
1.药物的不良反应有哪些?
2.从量反应的量效曲线上可以获得哪几个特征型变量?
3.根据受体蛋白结构、信号转导过程、效应性质等特点,受体大致可分为哪五类?
4.从与受体结合角度说明竞争性拮抗药的特点。