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上海药物所揭示强效镇痛药芬太尼和吗啡作用机理的结构基础

2022-11-17 上海药物研究所
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  11月10日,中国科学院上海药物研究所徐华强/庄友文团队、谢欣团队和王明伟团队等合作,在《细胞》(Cell)上以长文形式,在线发表了题为Molecular recognition of morphine and fentanyl by the human μ-opioid receptor的研究论文。该研究解析并报道了芬太尼、吗啡与Oliceridine等阿片类镇痛药物分别激活μ型阿片受体(μOR)的高分辨率三维结构,首次揭示了芬太尼和吗啡识别并激活μOR的作用机制。该研究进一步结合多种细胞水平功能分析和分子动力学模拟等方法,阐明了芬太尼系列衍生物与药靶μOR相互作用的构效关系以及μOR介导阻遏蛋白(Arrestin)信号的关键结构基础等,系统地发掘和深化了关于μOR信号传导调控机理的认识,为推动开发新型高效低毒的阿片类镇痛药物指明了方向。

  疼痛,尤其是慢性疼痛,是一类常见的神经系统疾病。疼痛影响群体广泛。常见的慢性疼痛包括腰背疼痛、关节炎疼痛、偏头痛和癌痛等,导致行为能力的减弱或丧失,并带来抑郁、睡眠障碍和自杀倾向等后果,影响人们的身心健康,同时造成社会负担和经济负担。

  阿片类药物是目前应用最广泛且高效的镇痛药物之一。人类对于阿片类药物的应用可追溯到几千年前将植物罂粟用于镇痛镇静和娱乐用途(产生愉悦与欣快感)。随后研究发现,阿片类药物吗啡是罂粟里面发挥活性的主要物质。常见的阿片类药物有天然阿片类生物碱如吗啡和可卡因以及人工合成的阿片类药物杜冷丁和芬太尼等,合成的阿片类药物在人体内产生吗啡样效应。阿片类药物通过作用于G蛋白偶联受体家族中的阿片受体,尤其是μ型阿片受体(μ opioid receptor, μOR),主要激活下游抑制性Gi/o蛋白从而发挥镇痛等药理活性。靶向阿片受体药物的开发长期以来是镇痛药物研究的热点,已上市的阿片类药物多为μOR的激动剂,具有代表性的经典阿片类镇痛药物如吗啡和芬太尼均表现出对μOR的高度选择性。然而,阿片类镇痛药物的使用会导致较多毒副作用,包括成瘾、呼吸抑制和便秘等,限制了临床应用,并使靶向阿片受体安全有效的镇痛药物开发成为一大难点。阿片类药物成瘾引起的呼吸抑制致死也直接促使了扩散的“阿片危机”的产生,这主要是芬太尼及其衍生物的滥用所致。作为“阿片危机”的主要产生因素以及目前临床仍在使用的强效镇痛药物之一,芬太尼与其受体μOR相互作用的分子机制长期处于未知状态,阐明相关分子机制对于科学家合理设计更为安全且高效的芬太尼衍生物类镇痛药意义重大。

  前期研究表明,阿片类药物产生的镇痛效应是通过μOR的G蛋白信号通路介导的,而其副作用则由Arrestin信号通路所引起。然而,最近多项研究对该假说提出质疑,认为呼吸抑制等神经毒副作用和Arrestin信号无关。尽管质疑存在,前期仍有大量的研究投入到G蛋白偏向性的μOR激动剂药物开发上,旨在发现高效低毒的靶向μOR镇痛药物。2020年,美国食品药品监督管理局(FDA)批准了首个也是迄今为止唯一一个基于G蛋白偏向性理念设计出来的靶向μOR镇痛药Oliceridine(TRV130)用于中度到重度疼痛治疗。该药物表现出比吗啡更低的毒副作用。由于对μOR的G蛋白偏好性分子机制缺乏认识,自上述假说提出近20多年以来,μOR的G蛋白偏向性激动剂的发现均通过大规模高通量盲筛获得,阻碍了同类创新性镇痛药物的合理设计和发现。

  本研究通过冷冻电镜技术分别解析了人源μOR结合芬太尼、吗啡和DAMGO等平衡性激动剂(表现出G蛋白和Arrestin双向信号活性),以及TRV130、SR17018及PZM21等G蛋白偏向性激动剂的三维结构,并进一步通过分子动力学模拟与细胞水平功能分析,对不同信号活性激动剂活化下μOR的信号传导特性进行表征。研究发现,相比于吗啡,芬太尼在μOR的TM2至TM3近胞外端占据额外的结合口袋,此外,芬太尼的苯胺环侧链与氨基酸残基W295和Y328形成直接的π-π疏水相互作用,这赋予了芬太尼比吗啡高50-100倍的受体激活活性。通过对不同芬太尼衍生物的分子对接和点突变功能验证,研究进一步探索了芬太尼及其衍生物与μOR的构效关系,发现药物分子与D149、Y150、W135和W320等氨基酸残基不同程度的互作在决定芬太尼及其衍生物(卡芬太尼、苏芬太尼和羟甲芬太尼等)不同活性上发挥关键作用。解析的系列结构比对分析以及分子动力学模拟发现,G蛋白偏向性激动剂PZM21等更倾向于结合μOR配体结合口袋的TM2/3一侧,而平衡性激动剂芬太尼等则表现出与μOR跨膜区更为广泛均衡的相互作用,并使得μOR的胞内端结构域更为紧缩,这利于μOR与Arrestin的结合,从而解释了平衡性激动剂表现Arrestin活性的分子机理。基于这些发现,研究还基于芬太尼分子骨架设计了不同活性的新型G蛋白偏向性芬太尼衍生物FBD1和FBD3。

  研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院战略性先导科技专项、国家科技重大专项(新药创制重点项目)、上海市市级科技重大专项和中科院特别助理研究项目等的资助,并获得上海药物所冷冻电镜平台和上海药物所高峰电镜平台的技术支持。复旦大学、美国温安洛研究所等的科研人员参与研究。

  论文链接 

  不同化学结构阿片类药物结合人源μOR的结构。左上:芬太尼和吗啡的不同结合模式;左下:芬太尼及其衍生物与μOR相互作用的构效分析;右上:在分子动力学模拟中,μOR的平衡性激动剂相比于G蛋白偏向性激动剂介导更为紧缩的胞内腔构象;右下:基于结构设计的不同活性的新型G蛋白偏向性芬太尼衍生物FBD1和FBD3;中间:减弱配体和μOR的TM6/7的相互作用引起μOR信号偏向性。

打印 责任编辑:侯茜

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