Cell：高效低毒阿片类镇痛药物新方向 | Cell Press对话科学家
生命科学
Life science
2022年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Cell Press细胞出版社期刊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。该项研究解析并报道了芬太尼、吗啡及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对于μOR信号传导调控机理的理解和认识，为推动开发新型高效低毒的阿片类镇痛药物指明了方向。
▲长按图片识别二维码阅读原文
疼痛，尤其是慢性疼痛，是一类常见的神经系统性疾病。包括腰背疼痛、关节炎疼痛、偏头痛以及癌痛等，严重影响人们的身心健康。阿片类药物是目前应用最广泛的强效镇痛药物，比如吗啡、芬太尼等，它们通过作用于G蛋白偶联受体家族中的µ型阿片受体（µ opioid receptor, µOR），主要激活下游抑制性Gi/o蛋白从而发挥镇痛作用。然而，阿片类镇痛药物的使用会导致诸多毒副作用，包括成瘾、呼吸抑制和便秘等，极大限制了其临床应用。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，副作用则由阻遏素信号通路所引起。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镇痛药物。由于对μOR的G蛋白偏好性分子机制缺乏系统的认识，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，极大阻碍了同类创新性镇痛药物的合理设计和发现。
为了回答这些问题，研究人员利用冷冻电镜技术分别解析了人源μOR结合芬太尼、吗啡和TRV130、SR17018及PZM21等激动剂的三维结构，并结合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了系统的表征。解释了吗啡和芬太尼强效的结合模式，并且找到了激活阻遏素信号的关键位点，基于这些发现，研究人员还对芬太尼分子骨架进行改造，得到了新型G蛋白偏向性的芬太尼衍生物FBD1和FBD3。
图1. 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。
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、博士研究生王悦、何冰清和何欣恒为该论文的共同第一作者。上海药物所徐华强研究员、谢欣研究员和庄友文副研究员，以及复旦大学基础医学院药理学系王明伟教授为论文的共同通讯作者。
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，获得了国家自然科学基金委、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和中科院特别助理研究项目等的经费资助。
作者专访
Cell Press细胞出版社公众号特别邀请庄友文副研究员代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：
包括吗啡和芬太尼在内的阿片类药物是有效的止痛药，但同时也会产生严重的有害副作用，并主要通过G蛋白偶联受体介导，其中最主要的是μ-阿片类受体（µOR），请问目前关于µOR的作用机制存在哪些争议？
庄友文副研究员：
从1999年起，美国科学家Laura Bohn团队通过给阻遏素敲除的小鼠注射吗啡，发现由吗啡诱导的镇痛效果增强，随后该课题组接连报道了阻遏素敲除的小鼠会减少由吗啡介导的药物耐受、便秘和呼吸抑制等副作用，由此提出了“G蛋白偏好性假说”，即认为阿片类药物作用于µOR产生的镇痛效果由G蛋白信号介导，而副作用由阻遏素通路介导。基于此理念，国内外很多科学家致力于G蛋白偏向性镇痛药的研发，其中Trevena公司研发的Oliceridine（TRV130）脱颖而出，在2020年由美国FDA批准上市，用于治疗急性疼痛。但是随后有多篇研究表示副作用与G蛋白信号通路相关，而“G蛋白偏好性药物”之所以降低副作用是由于自身效能较低，使得治疗窗口增大，因此提出“低效能假说”，目前两个假说依然争议不断。
CellPress：
请问在靶向μOR的这么多镇痛药物分子中，为什么选取芬太尼、吗啡、PZM21、TRV130和SR17018？
庄友文副研究员：
因为它们十分重要。以芬太尼和吗啡为代表的阿片类药物到目前为止都是临床上使用最为广泛的强效镇痛药物，但是它们也伴有很强的副作用，包括耐受、便秘、呼吸抑制等，成瘾是其广为人知的一个副作用，通常被不法分子用作毒品售卖，芬太尼由于两毫克致死的性质，也被称为第三代“毒王”，能够拿到这些药物做科学研究很不容易，也非常感谢相关部门的支持和配合，我们希望能够从分子水平“看到”它们结合如此之强的原因，并且解释它们激活µOR的分子机制。同时，选取PZM21、TRV130和SR17018这三个药物分子，是因为TRV130作为“G蛋白偏向性药物”已经被FDA批准上市，PZM21和SR17018也分别发表于Nature和Cell，是两个很有成药潜力的小分子，我们希望通过解析这些不同类型化合物结合的µOR结构，找到它们选择性激活下游不同通路的原因。
CellPress：
请问配体与µOR的结合有什么偏向性？
庄友文副研究员：
在我们的结构中，可以看到平衡性配体（表现出G蛋白和阻遏素双向信号活性）和G蛋白偏向性配体都结合在µOR的正构结合口袋。相比于吗啡，芬太尼在μOR的第二/三跨膜螺旋（TM2/3）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，这赋予了其比吗啡高达50-100倍的受体激活活性。通过分析所有的结构及分子动力学模拟，我们发现G蛋白偏向性激动剂PZM21等更倾向于与μOR配体结合口袋的TM2/3一侧相互作用，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。
CellPress：
请问μOR的β-阻遏素信号传导所必需的分子决定因素有哪些？
庄友文副研究员：
相比于G蛋白，β-阻遏素的结合更不稳定，这也导致它的结合时间非常短暂，难以直接观察。根据我们的突变实验结果来看，配体口袋内的突变对β-阻遏素的激活影响更大，而在对比平衡性配体和偏向性配体结合的受体结构之后，我们发现TM6/7的相互作用对β-阻遏素的激活必不可少，对口袋内和配体具有相互作用的氨基酸进行丙氨酸突变，我们发现，减弱TM6/7与配体的相互作用，尤其是氨基酸残基W295、I298、W320突变之后对下游G蛋白通路的影响很小，但是极大减弱甚至消除了β-阻遏素的激活。因此，与TM6/7稳定的相互作用，尤其是与W295、I298、W320这三个氨基酸的互作，是平衡性配体激活β-阻遏素的重要结构因素。
CellPress：
请问本研究中基于结构解析设计的芬太尼类似物有哪些优势？
庄友文副研究员：
基于结构改造相比于高通量筛选来说，靶点和机制明确，设计合理且成本更低，这是第一个极大的优势。其次，因为我们清楚了配体激活μOR介导下游信号的分子基础，对芬太尼合理改造。相比于芬太尼，得到的芬太尼类似物FBD3可以维持芬太尼的高亲和力和高效能，同时减弱了β-阻遏素的激活能力，而FBD1是一个低效能且消除β-阻遏素激活的芬太尼类似物。这些新设计的G蛋白偏向性芬太尼衍生物（FBD1和FBD3）相比于芬太尼具有提高治疗窗口，同时产生强效镇痛效果的潜力。
CellPress：
请问您下一步的工作是否将围绕开发新一代镇痛药物来展开？
庄友文副研究员：
是的，这是我们的下一个方向。疼痛虽然是机体进化而来的一个高级预警信号，但是慢性疼痛会影响人们的身心健康，正如前面反复提到的药物副作用，极大限制了治疗窗剂量和临床使用。我们希望通过本次的研究成果，从G蛋白偏向性角度出发，对包括芬太尼、吗啡在内的现有镇痛药物进行改造，在细胞水平达到期望值之后，会进一步做动物实验并依据实验结果逐步推进，将我们的基础研究最终推向临床应用。
作者介绍
庄友文
副研究员
庄友文，中国科学院上海药物研究所副研究员。主要研究方向为G蛋白偶联受体（GPCR）结构药理研究和基于GPCR结构的理性药物设计。主要针对与帕金森氏症（PD）、阿尔兹海默症（AD）、精神分裂症和疼痛等神经精神类疾病密切相关的神经递质GPCR药物靶标，综合应用结构生物学、生物化学以及计算生物学等多学科交叉技术方法，对该类GPCR的药物分子识别模式、信号传导分子机理以及药物-受体靶标构效关系开展研究，尤其是对药物分子的选择性和GPCR信号通路偏好性进行揭秘，并以此为基础开展新药设计。目前以通讯/第一作者身份在国际顶尖期刊Cell（3篇）、Cell Research、Nature Chemical Biology以及Nature Communications（3篇）等发表多篇研究论文，并在Cell发表同期封面故事文章。这些研究成果为推动靶向神经精神类疾病以及炎症设计更为安全有效的药物奠定了重要的分子基础和理论依据。获得包括第二届上海市科技青年35人引领计划、中科院院长奖等在内多项奖项，博士毕业论文入选2021年度中国科学院优秀博士学位论文（100篇）。
王悦
博士生
王悦，上海药物所在读博士生，师从徐华强研究员，从事阿片受体和胃饥饿素受体等药物靶点受体的药理和结构生物学研究。
何冰清
博士生
何冰清，上海药物所与上海科技大学联合培养博士，师从谢欣研究员，目前从事神经系统GPCR功能与相关疾病研究。
何欣恒
博士生
何欣恒，上海药物所在读博士，师从蒋华良院士与徐华强教授，目前从事计算生物学和结构生物学研究。
相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Molecular recognition of morphine and fentanyl by the human μ-opioid receptor
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01260-0
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.09.041
▲长按图片识别二维码阅读原文
1974年，我们出版了首本旗舰期刊《细胞》。如今，CellPress已发展为拥有50多本期刊的全科学领域国际前沿学术出版社。我们坚信，科学的力量将永远造福人类。
CellPress细胞出版社
推荐阅读
▲长按识别二维码关注细胞科学