疼痛的影響群體廣泛，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有近20%的成年人受到慢性疼痛的困擾，在一些經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的國(guó)家更是高達(dá)近40%。常見的慢性疼痛包括腰背疼痛、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，嚴(yán)重影響人們的身心健康，同時(shí)造成了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

上海藥物所揭示強(qiáng)效鎮(zhèn)痛藥芬太尼和嗎啡作用機(jī)理的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所 供圖

阿片類藥物是目前應(yīng)用最為廣泛且高效的鎮(zhèn)痛藥物。人類對(duì)于阿片類藥物的應(yīng)用可以追溯到幾千年之前將植物罌粟用于鎮(zhèn)痛鎮(zhèn)靜。

此后研究發(fā)現(xiàn)，阿片類藥物嗎啡是罌粟里面發(fā)揮活性的主要物質(zhì)。常見的阿片類藥物有天然阿片類生物堿如嗎啡和可卡因，以及人工合成的阿片類藥物杜冷丁和芬太尼等，合成的阿片類藥物在人體內(nèi)產(chǎn)生嗎啡樣效應(yīng)。阿片類藥物通過作用于G蛋白偶聯(lián)受體家族中的阿片受體，尤其是μ型阿片受體（μ opioid receptor, 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。

靶向阿片受體藥物的開發(fā)長(zhǎng)期以來是鎮(zhèn)痛藥物研究的熱點(diǎn)，已經(jīng)上市的阿片類藥物大多為μOR的激動(dòng)劑，具有代表性的經(jīng)典阿片類鎮(zhèn)痛藥物如嗎啡和芬太尼均表現(xiàn)出對(duì)μOR的高度選擇性。

然而，阿片類鎮(zhèn)痛藥物的使用會(huì)導(dǎo)致諸多毒副作用，包括成癮、呼吸抑制和便秘等，極大限制了其臨床應(yīng)用，也使靶向阿片受體安全有效的鎮(zhèn)痛藥物之開發(fā)成為一大難點(diǎn)。

阿片類藥物成癮引起的呼吸抑制致死也直接促使了廣泛擴(kuò)散的“阿片危機(jī)”的產(chǎn)生，主要集中在北美和加拿大等地，每年造成超10萬人死亡，這主要是由芬太尼及其衍生物的濫用所引起。

作為“阿片危機(jī)”的主要產(chǎn)生因素以及目前臨床仍在使用的一個(gè)強(qiáng)效鎮(zhèn)痛藥物，芬太尼與其受體μOR相互作用的分子機(jī)制長(zhǎng)期處于未知狀態(tài)，闡明相關(guān)分子機(jī)制對(duì)于我們合理設(shè)計(jì)更為安全且高效的芬太尼衍生物類鎮(zhèn)痛藥意義重大。

2022年11月10日，中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)/莊友文團(tuán)隊(duì)、謝欣團(tuán)隊(duì)和王明偉團(tuán)隊(duì)等合作在國(guó)際頂級(jí)期刊Cell上以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表了題為“Molecular recognition of morphine and fentanyl by the human μ-opioid receptor”的研究論文。該項(xiàng)研究解析并報(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。

文章信息

該研究進(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)阻遏蛋白（Arrestin）信號(hào)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)等，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)，為推動(dòng)開發(fā)新型高效低毒的阿片類鎮(zhèn)痛藥物指明了方向。

本項(xiàng)研究中，研究人員首先通過冷凍電鏡技術(shù)分別解析了人源μOR結(jié)合芬太尼、嗎啡和DAMGO等平衡性激動(dòng)劑（表現(xiàn)出G蛋白和Arrestin雙向信號(hào)活性）以及TRV130、SR17018及PZM21等G蛋白偏向性激動(dòng)劑的三維結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步通過分子動(dòng)力學(xué)模擬以及細(xì)胞水平功能分析對(duì)不同信號(hào)活性激動(dòng)劑活化下μOR的信號(hào)傳導(dǎo)特性進(jìn)行表征。

研究發(fā)現(xiàn)，相比于嗎啡，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。

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)。

通過對(duì)不同芬太尼衍生物的分子對(duì)接和點(diǎn)突變功能驗(yàn)證，研究人員進(jìn)一步探索了芬太尼及其衍生物與μOR的構(gòu)效關(guān)系，發(fā)現(xiàn)藥物分子與D149、Y150、W135和W320等氨基酸殘基不同程度的互作在決定芬太尼及其衍生物（卡芬太尼、蘇芬太尼和羥甲芬太尼等）不同活性上發(fā)揮關(guān)鍵作用。

對(duì)解析的系列結(jié)構(gòu)比對(duì)分析以及分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，G蛋白偏向性激動(dòng)劑PZM21等更傾向于結(jié)合μOR配體結(jié)合口袋的TM2/3一側(cè)，而平衡性激動(dòng)劑芬太尼等則表現(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?；谶@些發(fā)現(xiàn)，研究人員還基于芬太尼分子骨架設(shè)計(jì)了不同活性的新型G蛋白偏向性芬太尼衍生物FBD1和FBD3。

對(duì)于本研究成果，中國(guó)科學(xué)院院士張旭說，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)。

中國(guó)科學(xué)院院士裴鋼評(píng)論，該研究系統(tǒng)闡釋了阿片受體結(jié)合偏好性藥物和非偏好性藥物的模式，并且突破性地找到了介導(dǎo)兩條信號(hào)通路的關(guān)鍵結(jié)合特征。

裴鋼說，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”。但是自然界的生物規(guī)律是非常復(fù)雜和多元的，我期待這種產(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。