药用季铵盐类化合物阻断HERG钾通道的分子机制及药效团解析

The quaternary ammonium compounds (QACs) are widely used as disinfection and preservative agents in vaccines/injectable medications, which have been reported to cause various side effects or death in acute toxicity. However, the mechanism of poisoning is elusive. In the previous works, we found that four quaternary ammonium compounds (QACs) were high-affinity HERG channel inhibitors. Further studies demonstrated that HERG channel inhibition by QACs is concentration-, use- and voltage-dependent. In order to find the relationship between HERG channel blockade by QACs and human toxicity, we performed extensive experiment to explore the characteristics of QACs on HERG channels. The results showed that the activation, inactivation and deactivation parameters of HERG channels were significantly and nreversibly affected by QACs, suggesting that these compounds could cause long QT syndrome and have potential proarrhythmic risk in vivo. To assess the pharmacophore of QACs on HERG channels, we further explore the molecular determinants of HERG channel inhibition in a CHO cell line stably expressing HERG channels, with the help of typical patch clamp techniques, genetic mutations and in silico modeling. Furthermore, we investigate the proarrhythmic risk of QACs in vivo rabbit model, in order to provide useful information in their clinical and industrial applications.

季铵盐类化合物广泛用作消毒杀菌药及疫苗/注射型药品的防腐剂，常有副作用，急性中毒可致死，但机理不明。我们前期的研究证明这类化合物对HERG通道具有强烈抑制作用。进一步的研究发现其可以浓度依赖性、使用依赖性及电压依赖性的阻断HERG通道。那么其毒性作用与HERG通道阻断作用之间如何关联？因此我们深入探讨了该类化合物阻断HERG通道的电生理特征，发现它们显著影响HERG通道的激活、失活和去激活等动力学过程，且作用不可逆，具有致长Q-T综合症和致心律失常风险。本项目以药用季铵盐类化合物的心脏毒性为主线，构建HERG在CHO上表达的细胞株，应用膜片钳技术和分子生物学方法探索化合物与HERG通道相互结合的分子位点,借助计算机模拟技术构建相应的药效团模型，并在整体动物水平评估其致心律失常风险，旨在获取该类化合物阻断HERG通道并影响心律的分子机制，为药物研发及该类化合物的临床/工业应用提供科学依据。

季铵盐类化合物广泛用作消毒杀菌药及疫苗/注射型药品的防腐剂，常有副作用，急性中毒可致死，但机理不明。我们前期的研究证明这类化合物对HERG通道具有强烈抑制作用。进一步的研究发现其可以浓度依赖性、使用依赖性及电压依赖性的阻断HERG通道。那么其毒性作用与HERG通道阻断作用之间如何关联？因此我们深入探讨了该类化合物阻断HERG通道的电生理特征，发现它们显著影响HERG通道的激活、失活和去激活等动力学过程，且作用不可逆，具有致长Q-T综合症和致心律失常风险。本项目以药用季铵盐类化合物的心脏毒性为主线，构建HERG在CHO上表达的细胞株，应用膜片钳技术和分子生物学方法探索化合物与HERG通道相互结合的分子位点,借助计算机模拟技术构建相应的药效团模型，并在整体动物水平评估其致心律失常风险，旨在获取该类化合物阻断HERG通道并影响心律的分子机制，为药物研发及该类化合物的临床/工业应用提供科学依据。在本项目中，我们采用计算机模拟技术发现了季铵盐类化合物结构中带正电荷的叔胺根离子是与HERG通道相互作用的药效团，其紧邻HERG通道上的GLU37位点，作用于HERG通道N端的PAS结构域。此外，我们还阐明了S624、Y652、F656、S631/N588是度米芬阻断HERG通道的关键氨基酸位点，S624、F656、S631和S631/N588是苄索氯铵阻断HERG通道的关键氨基酸位点；警示了作为药物应用的苄索氯铵和度米芬不仅可以导致LQT的发生，而且在大剂量应用时可以产生严重的心脏毒性，导致动物死亡及引起hiPSCs来源的心肌细胞停跳。