我国科学家揭示强效镇痛药芬太尼和吗啡作用机理

为何芬太尼的镇痛效果比吗啡高近百倍？如何减少成瘾和呼吸抑制致死等毒副作用？近日，中国科学院上海药物研究所团队通过分子结构解析，揭示了其背后的分子机制，为推动新型高效低毒的阿片类镇痛药物开发指明方向。11月10日，该论文以长文形式在线发表于国际顶级期刊《Cell》。

该研究由徐华强/庄友文团队、谢欣团队和王明伟团队合作展开，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，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。

慢性疼痛与“阿片危机”

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，不仅导致行为能力的减弱或丧失，同时也带来抑郁、睡眠障碍和自杀倾向等后果。据统计，全球有近20%的成年人受其困扰。据2020年中国疼痛医学发展报告显示，我国慢性疼痛患者群体已超过3亿人，且仍在不断增长，疼痛已成为当前社会继癌症和心脑血管疾病之后的第三重大健康问题。

阿片类药物，例如从罂粟（阿片）中提取的生物碱吗啡和可卡因，以及人工合成的杜冷丁和芬太尼，是目前应用最广泛的强效镇痛药物。然而，成瘾、呼吸抑制、便秘等毒副作用，极大限制了其临床应用。自新冠疫情以来，芬太尼等阿片药物成瘾造成死亡人数飙升，在北美和加拿大等地引发“阿片危机”。

目前已上市的阿片类药物大多都是μ型阿片受体（μ opioid receptor, μOR）激动剂，通过作用于G蛋白偶联受体家族中的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。而μOR介导阻遏蛋白（Arrestin）信号通路，被认为是阿片类药物毒副反应的重要因素，但该假说近期受到了不少质疑。

2020年，美国FDA批准了镇痛药Oliceridine（TRV130），用于中度到重度疼痛治疗。这是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，表现出了比吗啡更低的毒副作用。然而，由于对μOR的G蛋白偏好性分子机制缺乏认识，近二十年来此类药物的发现均通过大规模高通量盲筛获得，极大阻碍了创新药物的开发。

基于结构的新药研发思路

对此，上海药物所团队展开深入研究。他们通过冷冻电镜技术分别解析了人源μOR结合芬太尼、吗啡等平衡性激动剂（表现出G蛋白和Arrestin双向信号活性）及Oliceridine等G蛋白偏向性激动剂的三维结构。

研究发现，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，这赋予了其比吗啡高达50-100倍的受体激活活性。

团队还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Arrestin信号的关键结构基础等。

研究表明，芬太尼等平衡性激动剂表现出与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。

而基于这些发现，研究团队还对芬太尼进行了精准的改造，合成了FBD1和FBD3两个具有G蛋白通路偏好性的衍生物，进一步证实了偏好性关键位点的理念。

“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，”中科院院士张旭指出，“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。”

“这些结构让我们对阿片受体的通路选择机制‘知其然，也知其所以然’。”中科院院士裴钢也表示，期待这种产生偏好性的机制及潜在阿片受体调节剂的功效等，在动物水平上的进一步验证。“这项工作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。”