我國科學家揭示強效鎮痛藥芬太尼和嗎啡作用機理

為何芬太尼的鎮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，中國科學院上海藥物研究所團隊通過分子結構解析，揭示了其背后的分子機制，為推動新型高效低毒的阿片類鎮痛藥物開發指明方向。11月10日，該論文以長文形式在線發表于國際頂級期刊《Cell》。

該研究由徐華強/莊友文團隊、謝欣團隊和王明偉團隊合作展開，解析并報道了芬太尼、嗎啡及Oliceridine等阿片類鎮痛藥物分別激活μ型阿片受體（μOR）的高分辨率三維結構，首次揭示了芬太尼和嗎啡識別并激活μOR的作用機制，系統地發掘和深化了對于μOR信號傳導調控機理的理解和認識。

慢性疼痛與“阿片危機”

慢性疼痛是一類常見的神經系統性疾病，包括腰背疼痛、關節炎疼痛、偏頭痛以及癌痛等，不僅導致行為能力的減弱或喪失，同時也帶來抑郁、睡眠障礙和自殺傾向等后果。據統計，全球有近20%的成年人受其困擾。據2020年中國疼痛醫學發展報告顯示，我國慢性疼痛患者群體已超過3億人，且仍在不斷增長，疼痛已成為當前社會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，是目前應用最廣泛的強效鎮痛藥物。然而，成癮、呼吸抑制、便秘等毒副作用，極大限制了其臨床應用。自新冠疫情以來，芬太尼等阿片藥物成癮造成死亡人數飆升，在北美和加拿大等地引發“阿片危機”。

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）激動劑，通過作用于G蛋白偶聯受體家族中的μOR，主要激活下游抑制性Gi/o蛋白，從而發揮鎮痛等藥理活性。而μOR介導阻遏蛋白（Arrestin）信號通路，被認為是阿片類藥物毒副反應的重要因素，但該假說近期受到了不少質疑。

2020年，美國FDA批準了鎮痛藥Oliceridine（TRV130），用于中度到重度疼痛治療。這是首個也是目前為止唯一一個基于G蛋白偏向性理念設計出來的靶向μOR鎮痛藥，表現出了比嗎啡更低的毒副作用。然而，由于對μOR的G蛋白偏好性分子機制缺乏認識，近二十年來此類藥物的發現均通過大規模高通量盲篩獲得，極大阻礙了創新藥物的開發。

基于結構的新藥研發思路

對此，上海藥物所團隊展開深入研究。他們通過冷凍電鏡技術分別解析了人源μOR結合芬太尼、嗎啡等平衡性激動劑（表現出G蛋白和Arrestin雙向信號活性）及Oliceridine等G蛋白偏向性激動劑的三維結構。

研究發現，芬太尼在μOR的TM2至TM3近胞外端占據額外的結合口袋，此外，芬太尼的苯胺環側鏈與氨基酸殘基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50-100倍的受體激活活性。

團隊還進一步結合多種細胞水平功能分析和分子動力學模擬等方法，闡明了芬太尼系列衍生物與藥靶μOR相互作用的構效關系以及μOR介導Arrestin信號的關鍵結構基礎等。

研究表明，芬太尼等平衡性激動劑表現出與μOR跨膜區更為廣泛均衡的相互作用，并且使得μOR的胞內端結構域更為緊縮，這有利于μOR與Arrestin的結合，從而解釋了平衡性激動劑表現Arrestin活性的分子機理。

而基于這些發現，研究團隊還對芬太尼進行了精準的改造，合成了FBD1和FBD3兩個具有G蛋白通路偏好性的衍生物，進一步證實了偏好性關鍵位點的理念。

“這項研究基于結構及多種藥理功能實驗發現，減弱阿片類藥物分子與μOR的第六、第七跨膜區域相互作用即可減弱甚至消除arrestin信號從而引發G蛋白偏向性信號轉導，”中科院院士張旭指出，“這一重要發現為后續設計發現具有通路偏向性的阿片類藥物提供了新思路，將促進高效、成癮性低的鎮痛藥的發現。”

“這些結構讓我們對阿片受體的通路選擇機制‘知其然，也知其所以然’。”中科院院士裴鋼也表示，期待這種產生偏好性的機制及潛在阿片受體調節劑的功效等，在動物水平上的進一步驗證。“這項工作是一個很好的轉化研究的例子，產出的成果不僅推動了對阿片類藥物分子機制的理解，也為基于結構的藥物設計和研發奠定了基石。”