· 研究首次揭示了芬太尼和嗎啡識(shí)別并激活μ型阿片受體的作用機(jī)制，將促進(jìn)高效、成癮性低的鎮(zhèn)痛藥的開發(fā)。

阿片類藥物成癮引起的呼吸抑制致死，引發(fā)“阿片危機(jī)”。

為何芬太尼的鎮(zhèn)痛效果比嗎啡高近百倍？如何減少成癮和呼吸抑制致死等毒副作用？近日，中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所團(tuán)隊(duì)通過分子結(jié)構(gòu)解析，揭示了其背后的分子機(jī)制，為推動(dòng)新型高效低毒的阿片類鎮(zhèn)痛藥物開發(fā)指明方向。11月10日，該論文以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《Cell》。

該研究由徐華強(qiáng)/莊友文團(tuán)隊(duì)、謝欣團(tuán)隊(duì)和王明偉團(tuán)隊(duì)合作展開，解析并報(bào)道了芬太尼、嗎啡及Oliceridine等阿片類鎮(zhèn)痛藥物分別激活μ型阿片受體（μOR）的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，首次揭示了芬太尼和嗎啡識(shí)別并激活μOR的作用機(jī)制，系統(tǒng)地發(fā)掘和深化了對(duì)于μOR信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)控機(jī)理的理解和認(rèn)識(shí)。

論文截圖。

慢性疼痛與“阿片危機(jī)”

慢性疼痛是一類常見的神經(jīng)系統(tǒng)性疾病，包括腰背疼痛、關(guān)節(jié)炎疼痛、偏頭痛以及癌痛等，不僅導(dǎo)致行為能力的減弱或喪失，同時(shí)也帶來抑郁、睡眠障礙和自殺傾向等后果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有近20%的成年人受其困擾。據(jù)2020年中國(guó)疼痛醫(yī)學(xué)發(fā)展報(bào)告顯示，我國(guó)慢性疼痛患者群體已超過3億人，且仍在不斷增長(zhǎng)，疼痛已成為當(dāng)前社會(huì)繼癌癥和心腦血管疾病之后的第三重大健康問題。

阿片類藥物，例如從罌粟（阿片）中提取的生物堿嗎啡和可卡因，以及人工合成的杜冷丁和芬太尼，是目前應(yīng)用最廣泛的強(qiáng)效鎮(zhèn)痛藥物。然而，成癮、呼吸抑制、便秘等毒副作用，極大限制了其臨床應(yīng)用。自新冠疫情以來，芬太尼等阿片藥物成癮造成死亡人數(shù)飆升，在北美和加拿大等地引發(fā)“阿片危機(jī)”。

目前已上市的阿片類藥物大多都是μ型阿片受體（μ opioid receptor, μOR）激動(dòng)劑，通過作用于G蛋白偶聯(lián)受體家族中的μOR，主要激活下游抑制性Gi/o蛋白，從而發(fā)揮鎮(zhèn)痛等藥理活性。而μOR介導(dǎo)阻遏蛋白（Arrestin）信號(hào)通路，被認(rèn)為是阿片類藥物毒副反應(yīng)的重要因素，但該假說近期受到了不少質(zhì)疑。

2020年，美國(guó)FDA批準(zhǔn)了鎮(zhèn)痛藥Oliceridine（TRV130），用于中度到重度疼痛治療。這是首個(gè)也是目前為止唯一一個(gè)基于G蛋白偏向性理念設(shè)計(jì)出來的靶向μOR鎮(zhèn)痛藥，表現(xiàn)出了比嗎啡更低的毒副作用。然而，由于對(duì)μOR的G蛋白偏好性分子機(jī)制缺乏認(rèn)識(shí)，近二十年來此類藥物的發(fā)現(xiàn)均通過大規(guī)模高通量盲篩獲得，極大阻礙了創(chuàng)新藥物的開發(fā)。

基于結(jié)構(gòu)的新藥研發(fā)思路

對(duì)此，上海藥物所團(tuán)隊(duì)展開深入研究。他們通過冷凍電鏡技術(shù)分別解析了人源μOR結(jié)合芬太尼、嗎啡等平衡性激動(dòng)劑（表現(xiàn)出G蛋白和Arrestin雙向信號(hào)活性）及Oliceridine等G蛋白偏向性激動(dòng)劑的三維結(jié)構(gòu)。

不同化學(xué)結(jié)構(gòu)阿片類藥物結(jié)合人源μOR的結(jié)構(gòu)。

研究發(fā)現(xiàn)，芬太尼在μOR的TM2至TM3近胞外端占據(jù)額外的結(jié)合口袋，此外，芬太尼的苯胺環(huán)側(cè)鏈與氨基酸殘基W295和Y328形成直接的π-π疏水相互作用，這賦予了其比嗎啡高達(dá)50-100倍的受體激活活性。

團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步結(jié)合多種細(xì)胞水平功能分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法，闡明了芬太尼系列衍生物與藥靶μOR相互作用的構(gòu)效關(guān)系以及μOR介導(dǎo)Arrestin信號(hào)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)等。

研究表明，芬太尼等平衡性激動(dòng)劑表現(xiàn)出與μOR跨膜區(qū)更為廣泛均衡的相互作用，并且使得μOR的胞內(nèi)端結(jié)構(gòu)域更為緊縮，這有利于μOR與Arrestin的結(jié)合，從而解釋了平衡性激動(dòng)劑表現(xiàn)Arrestin活性的分子機(jī)理。

而基于這些發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)芬太尼進(jìn)行了精準(zhǔn)的改造，合成了FBD1和FBD3兩個(gè)具有G蛋白通路偏好性的衍生物，進(jìn)一步證實(shí)了偏好性關(guān)鍵位點(diǎn)的理念。

“這項(xiàng)研究基于結(jié)構(gòu)及多種藥理功能實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，減弱阿片類藥物分子與μOR的第六、第七跨膜區(qū)域相互作用即可減弱甚至消除arrestin信號(hào)從而引發(fā)G蛋白偏向性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，”中科院院士張旭指出，“這一重要發(fā)現(xiàn)為后續(xù)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)具有通路偏向性的阿片類藥物提供了新思路，將促進(jìn)高效、成癮性低的鎮(zhèn)痛藥的發(fā)現(xiàn)。”

“這些結(jié)構(gòu)讓我們對(duì)阿片受體的通路選擇機(jī)制‘知其然，也知其所以然’?！敝锌圃涸菏颗徜撘脖硎?，期待這種產(chǎn)生偏好性的機(jī)制及潛在阿片受體調(diào)節(jié)劑的功效等，在動(dòng)物水平上的進(jìn)一步驗(yàn)證?！斑@項(xiàng)工作是一個(gè)很好的轉(zhuǎn)化研究的例子，產(chǎn)出的成果不僅推動(dòng)了對(duì)阿片類藥物分子機(jī)制的理解，也為基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)和研發(fā)奠定了基石?！?/p>