本文来自微信公众号：学术经纬 （ID：Global_Academia），药明康德内容团队编辑 ，原文标题：《院士点评 | 中科院〈细胞〉研究揭示吗啡、芬太尼作用机理，强效镇痛药摆脱成瘾又近一步》，题图来自：视觉中国
2022年11月10日，顶尖学术期刊《细胞》以长文形式在线发表了来自中国科研团队的一项重要成果。中国科学院上海药物研究所徐华强/庄友文团队、谢欣团队以及王明伟团队等合作，首次揭示了强效镇痛药芬太尼和吗啡识别并激活μ型阿片受体（μOR）的作用机理，系统发掘、深化了对于μOR信号传导调控机理的理解和认识。这一成果将为推动开发高效低毒的新型阿片类镇痛药物奠定重要基础。
领衔这项研究的徐华强教授和谢欣教授分别是2016年和2012年药明康德生命化学研究奖得主。
阿片类药物是目前应用最为广泛且高效的镇痛药物。人类对于阿片类药物的应用可以追溯到几千年之前将植物罂粟用于镇痛镇静和娱乐用途。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。
这些阿片类药物虽然有强烈的镇痛效果，但其毒副作用也众所周知。最令人担忧的副作用就是“高度成瘾”，而且药物成瘾引起的呼吸抑制还会导致死亡。这些毒副作用无疑极大限制了阿片类镇痛药的临床应用。
要设计并开发更为安全且高效的新型阿片类镇痛药物，彻底了解阿片类镇痛药物与其靶标分子阿片受体如何相互作用的分子机制就成了破局的关键。
吗啡和芬太尼等经典阿片类镇痛药物通过激活µ型阿片受体发挥作用。作为一类G蛋白偶联受体，阿片受体被激活后，主要通过两类不同的分子传递信号：Gi/o蛋白和阻遏蛋白（β-arrestin）。一些前期研究提示，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β-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。尽管存有质疑，前期仍有大量研究投入到G蛋白通路偏向性的µOR激动剂药物开发上。
2020年，美国FDA批准了首个，也是目前为止唯一一个基于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。
“但由于对μOR的G蛋白偏好性分子机制认识缺乏，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，这极大阻碍了基于G蛋白偏向性理念的创新型靶向μOR的镇痛药物合理设计和发现。”研究团队指出。
▲阿片类药物的镇痛效应和副作用可能与阿片受体的通路选择有关（图片来源：参考资料[1]）
在这项研究中，科学家们首先使用冷冻电镜技术，分别获得了人源μOR结合芬太尼、吗啡、DAMGO等平衡性激动剂（表现出G蛋白和抑制蛋白双向信号活性），以及TRV130、SR17018、PZM21等G蛋白偏向性激动剂的高分辨率三维结构，随后通过分子动力学模拟以及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。
结构信息显示，相比于吗啡，芬太尼在μOR的跨膜区域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。这些特征赋予了芬太尼比吗啡高50~100倍的受体激活活性。
▲人源μOR结合芬太尼和吗啡等阿片类药物的三维结构（图片来源：参考资料[1]）
通过对不同芬太尼衍生物的分子对接和点突变功能验证，研究人员进一步揭示了芬太尼及其衍生物与受体μOR的构效关系，揭示了药物分子与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、羟甲芬太尼等）不同活性上的关键作用。
对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，并且使得μOR的胞内端结构域更为紧缩，这有利于μOR与β-arrestin的结合，也解释了平衡性激动剂表现β-arrestin活性的分子机理。这些结果突破性地找出了介导两条信号通路的关键结合特征。
根据结构生物学提供的机制，研究人员还基于芬太尼分子骨架设计并合成了两个不同活性的新型G蛋白偏向性芬太尼衍生物FBD1和FBD3，证实了偏好性关键位点的理念。这一机制以及潜在新型阿片受体调节剂的功效有待在后续的动物实验中进一步验证。
▲不同化学结构阿片类药物结合人源μOR的结构（图片来源：参考资料[1]）
总结来看，这项新研究解析了芬太尼、吗啡、Oliceridine等阿片类镇痛药物分别激活μOR的高分辨率三维结构，同时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物靶点μOR的构效关系，以及μOR介导下游抑制蛋白信号的关键结构决定因素等。
“这项研究首次解析了激动剂吗啡和芬太尼结合μOR的系列近原子分辨率结构，澄清了对芬太尼结合模式混乱的认识，让我们第一次认识了它如何与μOR相互作用，对未来止痛药的设计提供了精确的模板。”
中国科学院院士张旭教授点评道，“这项研究基于结构及多种药理功能实验发现，减弱阿片类药物分子与μOR的第六、第七跨膜区域相互作用即可减弱甚至消除arrestin信号从而引发G蛋白偏向性信号转导，这一重要发现为后续设计发现具有通路偏向性的阿片类药物提供了新思路，将促进高效、成瘾性低的镇痛药的发现。”
中国科学院裴钢院士则表示，这项研究使我们对阿片受体的通路选择“知其然，也知其所以然”。他指出：“随着结构生物学的发展，我国科研人员不仅通过生物化学结合计算机等多学科手段解析生物大分子的结构，而且更进一步从这些结构出发，积极探索解决生命科学与生物医学前沿领域中的重大问题和急迫需求。这篇发表在Cell上的工作就是一个很好的转化研究的例子，产出的成果不仅推动了对阿片类药物分子机制的理解，也为基于结构的药物设计和研发奠定了基石。”
本研究由上海药物所徐华强/庄友文团队、谢欣团队和王明伟团队通力合作完成。中国科学院上海药物所副研究员庄友文、上海药物所博士生王悦、何冰清、何欣恒为该论文的共同第一作者。徐华强研究员、谢欣研究员、王明伟教授以及庄友文副研究员为共同通讯作者。参与本次研究的还有上海药物所程曦研究员、杨德华研究员、蒋轶研究员、蒋翔锐研究员、郭世猛博士，上海药物所、复旦大学和上海科技大学联合培养研究生饶启迪，复旦大学基础医学院周庆同研究员，以及美国温安洛研究所Karsten Melcher教授和X.Edward Zhou博士等。研究工作同时得到了上海药物所蒋华良院士和沈敬山研究员的大力支持和帮助。上海原思标物科技公司为本项研究提供了化合物样品。该工作得到了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，获得了国家自然基金委、科技部重点研发计划、中科院先导项目、国家科技重大专项（新药创制重点项目）、上海市科技重大专项、中科院特别助理研究项目等的项目资金资助。
参考资料：[1] Zhuang et al.， Molecular recognition of morphine and fentanyl by the human m-opioid receptor， Cell (2022)， https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.09.041
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