郑小棵，刘晓东

（中国药科大学药学院药物代谢研究中心，江苏 南京 210009）

L-型 氨 基 酸 转 运 体1（L-type amino acid transporter 1，LAT1）是一种不依赖Na+和pH的12段跨膜转运蛋白，由507个氨基酸组成，相对分子质量为55 000[1]，其通过二硫键与糖蛋白CD98形成异源二聚体。CD98没有内在的转运活性，但其对LAT1在细胞膜上的转位和稳定性起着关键作用。在二聚体结构中，LAT1是轻链亚基，CD98是重链亚基[2-3]。膜胆固醇影响着LAT1在膜上的稳定性和活性[4]。LAT1转运大型中性氨基酸（large neutral amino acid，LNAA），包括支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸）和芳香族氨基酸（酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸）。LAT1对氨基酸的亲和力因氨基酸的不同而不同，亲和力大小依次为：苯丙氨酸＞色氨酸＞亮氨酸＞异亮氨酸＞甲硫氨酸＞组氨酸＞酪氨酸＞缬氨酸[5–6]。氨基酸是脑内蛋白质和神经递质合成的重要原料，因此脑中LAT1功能与表达的改变将可能会影响到脑内氨基酸紊乱，进而影响大脑的正常功能。此外，LAT1在活化的T细胞[7]、肿瘤细胞[8]、脑微血管内皮细胞[9]等高耗能细胞中高表达，提示LAT1可能会参与到中枢神经系统（central nervous system，CNS）疾病和肿瘤的发生发展。许多研究表明与LAT1结合的底物需要一个未被取代的C-羧基、未被取代的C-氨基和一种中性疏水侧链。抗癫痫药物加巴喷丁[10]和普加巴林[11]以及抗帕金森病药物左旋多巴[12]均是通过LAT1到达脑内发挥作用，证实了许多CNS药物可以通过LAT1介导的主动转运进入脑内发挥疗效。

CNS疾病的发生发展与LAT1功能与表达的改变有关，且LAT1功能与表达的改变会影响到底物药物的疗效与毒性，本文针对LAT1在CNS疾病状态下其功能与表达的改变进行总结，为相关CNS疾病的研究提供新的思路，以及为CNS疾病状态下的临床合理用药提供一定的参考。

1 LAT1在脑中的作用

LAT1在不同的物种中分布相似，在大鼠、小鼠和人的大脑、胎盘和睾丸中高表达，而在肝脏、肠道、胃和肾脏中未发现或为低表达[13]。同样地，LAT1在脑微血管内皮细胞中的表达水平也远高于在Caco-2细胞中的水平[13]。LAT1在脑微血管内皮细胞基底侧的表达高于膜侧，综合表现为血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）上的LAT1介导LNAA或者底物药物入脑[14]。有研究表明LAT1通过维持脑LNAA的稳态来调节中枢神经系统功能[15]，暗示着大脑LAT1表达和功能的改变与神经功能障碍有关。条件敲除脑微血管内皮细胞中LAT1的Tie2Cre;Slc7a5fl/fl小鼠与野生型小鼠相比，脑中的亮氨酸和异亮氨酸浓度异常降低，且表现出自闭症谱系障碍[16]。另有研究表明LAT1可能参与齿状回颗粒区、侧脑室室管膜层和嗅球的神经形成[17]。此外，LAT1的表达水平也与空间记忆能力密切相关[18]。

神经递质的稳态失调会导致脑功能异常。苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸等氨基酸作为许多重要神经递质的前体物质，其稳态失调也可能会导致脑功能异常。大量研究表明神经递质血清素与大脑功能密切相关，如神经行为和情绪调节[19–20]。色氨酸作为血清素的前体物质，在血清素的合成中起着重要的作用。注射色氨酸可增加大脑血清素水平[21]而注射L-缬氨酸可降低脑中血清素浓度[22]，表明血液中多种氨基酸可竞争LAT1的结合位点入脑，而氨基酸入脑量的多少与氨基酸在血液中的比例有关。此外，LAT1在人类多种癌症如肺癌、结肠癌、乳腺癌、前列腺癌和T细胞急性淋巴细胞白血病中高度表达。沉默LAT1可以降低小鼠肿瘤的大小，减少肿瘤的增殖和转移[8,23]，暗示LAT1可能成为抗肿瘤的潜在靶点。

除了参与脑生理功能、氨基酸的转运，LAT1还可以参与一些药物的转运入脑，例如：加巴喷丁、普加巴林、美法仑。LAT1在脑组织中的高表达让其有望成为介导药物到达CNS/癌细胞的重要转运体。一些以LAT1为转运体的前药比其原型药物具有更高的细胞/大脑摄取，例如：丙戊酸[24–25]和多巴胺[26–27]的相应前药。因此，LAT1功能与表达的改变也会影响其底物药物的毒性或疗效。

2 中枢神经系统疾病下LAT1功能与表达的改变

LAT1在维持脑内氨基酸、神经递质稳态平衡方面起到重要的作用。而脑疾病如脑肿瘤和中枢神经系统疾病的发生发展与氨基酸和神经递质的动态平衡失调密不可分。也有越来越多的研究表明脑疾病会改变大脑LAT1的功能与表达，但不同疾病对LAT1功能与表达的影响均不同（见表1）。

表 1 几种疾病中脑组织和肿瘤细胞LAT1表达和功能的差异Table 1 Expression and function of LAT1 in brain tissues and tumor cells under several diseases

2.1 脑肿瘤

大量研究表明，LAT1在脑肿瘤如胶质瘤中高度表达。从68个原发性胶质瘤组织的数据发现，浸润性胶质瘤细胞中LAT1的表达高于位于肿瘤中心的细胞[34]，高分级胶质瘤中的LAT1水平高于低分级胶质瘤和脑组织[28–30]。此外，LAT1的表达是癌症重要的预后指标之一，其高表达也与较差的生存率相关[30]。LNZ308、LN229等高表达LAT1和糖蛋白CD98的胶质瘤细胞对[14C]-L-亮氨酸具有较高的摄取率[28]，表明肿瘤细胞中LAT1的功能也有所增强。

LAT1参与了肿瘤发生发展的生物学过程，如肿瘤生长、增殖和新生血管形成等。移植了高表达LAT1的胶质瘤细胞U87MG的裸鼠存活时间短，形成的肿瘤更大[28]。LAT1在神经母细胞瘤和胶质瘤中过表达，但在邻近正常脑组织中的表达量极低，表明LAT1通过向肿瘤细胞供应更多的氨基酸，参与了脑肿瘤的形成和发展[35]。在62例人脑胶质瘤中，高分级胶质瘤组织的LAT1蛋白水平、Ki-67标记指数和微血管密度均显著高于低分级胶质瘤组织；且LAT1表达与Ki-67标记指数或微血管密度呈显著正相关，表明LAT1与胶质瘤的增殖和新生血管形成密切相关[35]。LAT1的抑制剂BCH可以抑制C6胶质瘤细胞的生长，增加C6胶质瘤大鼠的存活率[30]。这些研究结果均表明LAT1高表达为肿瘤的发展提供了氨基酸等营养物质基础。LAT1在肿瘤细胞中的高表达提示其可成为抗肿瘤药物研发的重要靶点。

2.2 帕金森病

PD是与纹状体多巴胺分泌减少有关的神经系统疾病[36]。多巴胺无法透过BBB，临床上常用前药左旋多巴治疗。左旋多巴主要经过LAT1转运入脑后转变为多巴胺[12,37–38]，补充多巴胺分泌的不足，改善帕金森病患者症状。然而，长期使用左旋多巴，疗效会降低[31]。有研究表明帕金森病大鼠脑微血管LAT1的mRNA表达水平显著降低，这可以进一步解释PD的发病机制和左旋多巴疗效的降低[31]。LAT1 的mRNA表达水平减少可能会降低多巴胺前体物质酪氨酸和苯丙氨酸的供给，促进了PD病理过程的进展；向大脑供给的左旋多巴也会减少，导致疗效的下降。

当神经受到损伤时，会刺激机体释放促炎症介质。这些炎症介质会诱发神经炎症反应。在PD的发生发展中，神经炎症扮演了重要的角色[39]。有研究表明细胞因子白介素（IL）-2能上调活化的T-淋巴细胞中LAT1的表达[7]，促炎症因子IL-17上调成纤维样滑膜细胞LAT1的表达[40]。但促炎因子对BBB/脑微血管内皮细胞上LAT1功能与表达的影响尚不清楚。此外，有研究表明细菌脂多糖诱导的全身炎症会降低大鼠和小鼠BBB上LAT1的mRNA或蛋白表达水平[41]。因此，PD疾病状态下LAT1表达水平的降低可能是神经炎症导致的。

2.3 其他疾病

精神分裂症是一种进行性神经发育障碍疾病，与多巴胺和酪氨酸的异常水平有关。参与酪氨酸运输的转运体有A型氨基酸转运体和L型氨基酸转运体（LAT1、LAT2、LAT3和LAT4），其 中LAT1是酪氨酸的主要转运体。有研究表明精神分裂症患者和健康人的成纤维细胞通过LAT1转运酪氨酸的动力学没有差异，这表明LAT1不参与精神分裂症中L-酪氨酸的异常转运[42]。阿尔茨海默病小鼠大脑皮层和海马LAT1功能没有发生改变[32]。球囊细胞被认为是致痫的靶细胞，LAT1在球囊细胞中表达上调[43]。LAT1的表达上调，为蛋白质合成提供必需氨基酸，支持细胞的生长和增殖，为癫痫的发生发展提供了支撑[43]。加巴喷丁[10]和普加巴林[11]均为癫痫治疗药物且被证实是通过LAT1介导转运，提示癫痫状态下脑内LAT1表达与功能上调可能增加加巴喷丁和普加巴林的脑摄取，疗效增强。另有研究表明，门静脉吻合术（portacaval anastomosis,PCA）引起慢性肝衰竭大鼠脑内LNAA从血液到大脑中的转运增加，脑内氨基酸水平上调[33]。与对照组相比，PCA大鼠分离出的脑微血管对LNAA的摄取显著增强[44]，提示PCV大鼠BBB上LAT1功能增强是其脑内LNAA水平上调的主要原因。神经递质的合成会受到其前体物质水平的影响[45]。在肝功能衰竭的情况下，BBB上LAT1功能的增强增加了苯丙氨酸、色氨酸等芳香族氨基酸的入脑量，进而可能导致脑内多巴胺（dopamine，DA）、5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）、5-羟吲哚乙酸（5-hydroxyindole acetic acid，5-HIAA）[46]等 代 谢产物的增加。有研究表明脑内DA水平升高可导致轻度HE[47–48]；5-HT、5-HIAA对神经细胞有毒性作用，其水平紊乱可引起意识改变乃至昏迷等HE患者神经精神症状[49–50]。因此，肝损伤状态下BBB上LAT1功能的增强可能会加速肝损伤向HE的转变。

3 以LAT1介导转运的新药的研发

LAT1在多种肿瘤中的高表达使其在肿瘤诊断和抗肿瘤药物研发中备受瞩目。临床上常将放射性标记的氨基酸（LAT1底物）注入体内，并采用正电子发射断层扫描（PET），含有放射性标记底物的细胞很可能是癌细胞[51]。由LAT1介导转运的18F-FAMT PET比18F-FDG PET在检测恶性病变方面显示出更高的特异性[52]。临床常用抗肿瘤药物美法仑、阿西维辛等均由LAT1介导转运。目前，研究者不断开发出以LAT1介导转运的抗肿瘤药物，并在细胞或动物水平验证了药物对肿瘤细胞具有较高的靶向性。常见构建药物方法为：以LAT1为转运载体的氨基酸键合抗肿瘤药物形成前药，或用纳米粒子或脂质体键合抗肿瘤药物。研究显示，吉西他滨苏氨酸衍生物相比于吉西他滨在胰腺癌细胞中表现出更好的抗肿瘤活性[53]；多柔比星天冬氨酸衍生物表现出比多柔比星更强的小鼠肝脏肿瘤生长抑制作用[54]。高表达LAT1的鼠胶质瘤细胞GL261摄取Amphi-DOPA脂质体的量远高于低表达LAT1的鼠成纤维细胞NIH-3T3；且用LAT1抗体预孵育GL261细胞后，其摄取Amphi-DOPA脂质体的量显著减少，这些实验结果表明Amphi-DOPA脂质体是通过LAT1介导转运的。将载有抗肿瘤药物WP1066的Amphi-DOPA脂质体静脉注射到荷有原位胶质母细胞瘤的C57BL/6J小鼠后，脂质体主要分布在脑组织中，药物靶向性增强。与对照组相比，小鼠的存活率提高了约60%[55]。

药物难以在CNS中发挥药理作用的主要原因是BBB的紧密连接使药物难以透过。相对于人体的其他细胞或组织，LAT1在脑微血管内皮细胞以及脑组织细胞中的高表达使其成为CNS疾病治疗药物递送的重要转运体。临床常用CNS疾病治疗药物左旋多巴、加巴喷丁、普加巴林、巴氯芬[56]通过LAT1转运入脑。与抗肿瘤药物的研发相似，通常以LAT1为载体，将CNS疾病治疗药物和氨基酸侧链键合形成前药。六氢烟碱酸在体外可抑制神经元和胶质细胞γ-氨基丁酸（GABA）的摄取，具有潜在的抗癫痫活性；但由于六氢烟碱酸极性较高，不易穿透BBB，体内实验中并没有表现出抗惊厥作用。六氢烟碱酸和酪氨酸侧链键合形成的前药可主动运输透过BBB，在DBA/2小鼠中表现出剂量依赖性抗惊厥活性[57]。炎症在一些神经退行性疾病发病过程中起着关键作用，而环氧合酶-2（COX-2）是炎症反应的主要参与者。一些实验模型和流行病学研究表明，COX-2抑制剂具有可减缓神经退行性病变的能力[58]。通过LAT1转运的COX-2抑制剂前药布洛芬的L-酪氨酸衍生物可增加布洛芬在脑内的水平，减少外周分布[59]。

4 结语与展望

胶质瘤患者体内较多的氨基酸转运至大脑供胶质瘤细胞吸收，以维持细胞自身的生长；HE患者脑脊液中芳香族氨基酸水平增加，研究表明脑内苯丙氨酸的代谢产物多巴胺水平的增加可加速肝损伤向HE的发展；PD患者黑质多巴胺能神经元变性，伴胞浆内嗜酸性包涵体形成，致使黑质纹状体通路破坏、纹状体（尾状核、壳核）多巴胺含量下降；自闭症患者脑内支链氨基酸发生改变。这些CNS疾病均伴随着脑内氨基酸、神经递质等活性物质的紊乱。LAT1转运神经递质的前体物质，如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸；此外，LAT1还转运亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸等支链氨基酸，这些氨基酸在中枢神经递质合成和营养供应中起关键作用。在脑胶质瘤、PD、HE、自闭症的疾病状态下，脑中LAT1功能与表达均发生改变且加剧了氨基酸及其代谢产物多巴胺、5-HT等神经递质在脑中的紊乱程度，进一步促进疾病的发展。这些研究提示LAT1将可能参与到脑内氨基酸、神经递质等活性物质紊乱的CNS疾病中，这为研究其他CNS疾病脑中LAT1转运体的功能与表达改变提供一个参考思路，为研究CNS疾病的发展机制提供新的思考方向。

PD患者BBB上LAT1蛋白表达降低，左旋多巴摄取减少，因此临床上如长期使用左旋多巴，疗效将会降低[41]。LAT1在肿瘤细胞上的功能与表达均增强，实验室研制的以LAT1为转运载体的抗癌药物均呈现出高度靶向性，疗效增强，毒副作用减少。因此，LAT1在BBB或脑组织中表达和功能的改变可能会影响药物的疗效或毒性。LAT1介导的相关药物研发可解决药物难以透过BBB或靶向性差等问题。值得注意的是，LAT1在大脑中的表达和功能因脑部疾病类型不同而有一定差异。对于脑疾病的脑区和病程如何影响LAT1的表达和功能，目前还缺乏系统的认识，需展开进一步研究，从而更好地指导脑部疾病治疗药物的开发和优化。