μ 型Opium受體激動劑助力Fentanyl結構的類似物設計
副作用限制臨床應用
Opioids是治療急性和慢性疼痛的最有效藥物。分別作為具有代表性的Opium類生物堿和合成Opioids，Morphine和Fentanyl被用于癌痛治療、麻醉鎮痛、預防性鎮痛以及術后多模式鎮痛。雖然Opioids是有效的止痛藥，但它們會導致嚴重的副作用，如呼吸抑制 (呼吸抑制所導致的死亡引發了廣泛傳播的 “Opioids危機”[1,2]，尤其是在北美)、成癮和便秘，從而限制了它們的臨床應用。
根據 2019 年發布的報告，超過 70% 的“Opioids危機”死亡是合成Opioids (主要是Fentanyl及其衍生物) 過量使用所致。這些副作用限制了Opioids在臨床的應用。
Opioids的功能由四種 G 蛋白偶聯受體 (GPCRs) 家族介導，即 μ、κ、δ 和傷害感受肽受體 (NOPR)，在這些Opium受體中，μ 型Opium受體 (μOR) 被發現是鎮痛和副作用的主要受體。有研究指出，Opium樣物質誘導的鎮痛作用歸因于 μOR 的 Gi 蛋白信號轉導 (圖 1)，然而，其副作用 (呼吸抑制等) 究竟是由哪個信號通路產生，目前存在爭議：一種觀點認為由 β-arrestin 信號轉導引起，另一觀點認為與 G 蛋白門控的內向整流鉀通道 (GIRK) 的信號轉導有關。
圖 1. Fentanyl和Morphine誘導的 μOR 信號傳遞和潛在的藥理作用[1]
今年 11 月，Cell 在線發表了題為 Molecular recognition of morphine and fentanyl by the human μ-opioid receptor 的研究性論文。這篇文章闡述了Fentanyl、Morphine和其他 μOR 激動劑與 μOR 的結合方式，并揭示了它們與受體結合的關鍵差異。該研究還揭示了Fentanyl和Morphine對 μOR 的 β-arrestin 蛋白活性起重要作用的結構因素，并為設計有效的、可能更安全的鎮痛劑提供了結構模板[1]。
■ Fentanyl和Morphine如何進行信號轉導？
該研究首先表征了研究中使用的六種具有不同化學骨架的Opioids——Fentanyl、Morphine、SR17018、TRV130、PZM21 和 DAMGO(一種擬肽激動劑，可激活 μOR-Gi 復合物，作為對照)——的信號轉導情況。
如果所示 (圖 2a)，所有五個配體都能激活 μOR，以抑制 cAMP 的產生，Fentanyl、Morphine和 PZM21 是完全激動劑，而 SR17018 和 TRV130 是部分激動劑。
在 β-arrestin 招募測定中沒有檢測到 PZM21 的反應信號，而對 SR17018 和 TRV130 只產生微弱的信號。相比之下，Morphine和Fentanyl都能誘導強大的 β-arrestin 招募 (圖 2b)。總而言之，Fentanyl和Morphine不僅能完全激活 μOR，還可誘導強大的 β-arrestin 招募。
圖 2. Opium類激動劑的 cAMP 積累和 β-arrestin 招募實驗[1]
a-b: Opium類激動劑的 cAMP 積累 (a) 和 β-arrestin2 (b) 招募的劑量依賴反應曲線。DAMGO 為對照物，數據根據 DAMGO 的最大反應進行歸一化。
■ 激活 μOR 的關鍵因素是什么？
Fentanyl和Morphine的化學骨架彼此不同，因此，作者分別研究了它們與 μOR 的特異性結合方式。研究表明，Fentanyl分子在正位口袋中占據 "Y" 形構象，主要與跨膜結構域 (TMD) 的 TM2、TM3、TM6 和 TM7 的殘基接觸；Morphine采用橢圓的 "O" 型結構，與來自 TM3、TM6 和 TM7 的疏水殘基相互作用 (圖 3)。該研究發現，D1493.32 與附近的殘基 Q1262.60 和 Y3287.43（DQY 極性模體，以下簡稱 DQY模體）在兩個結構中形成極性相互作用 (圖 3a-b)，并且 DQY 極性模體的突變，在很大程度上降低了Fentanyl和Morphine的 G 蛋白和 β-arrestin 信號轉導的效力，這表明 DQY 極性模體對 μOR 的激活至關重要。
圖 3. Fentanyl (a) 和Morphine (b) 與 μOR 的相互作用[1]
此外，Fentanyl和Morphine配體結合袋周圍的殘基突變，包括 Y1503.33、M1533.36、V2385.42、I2986.51 和 H2996.52，導致兩種配體對 G 蛋白和 β-arrestin 信號的活性減弱 (圖 4a-b)。
圖 4. a: Fentanyl和Morphine對 μOR 突變體的 Gi 激活減少所誘導的 cAMP 積累。每一欄的數值表示代表性的 μOR 突變體相對于 WT μOR的效力 (ΔpEC50) 的差異。b: Fentanyl (上) 和Morphine (下) 激活的小袋中 WT 和突變體 μORs 的 cAMP 測定[1]
■ 引起 β-arrestin 信號轉導的關鍵因素又是什么？
作者對 μOR 正位結合口袋的殘基進行了突變，并測試了這些突變體分別通過Fentanyl、Morphine和 DAMGO 激活 G 蛋白信號和 β-arrestin 招募的能力。
結果顯示，與 TM2 和 TM3 側的殘基相比，TM6 和 TM7 附近的殘基突變對 β-arrestin 信號的影響更為明顯。比如，來自 TM6 的 W295A 和來自 TM7 的W320A 突變在 cAMP 積累和 G 蛋白招募方面對 G 蛋白信號轉導只有最小或部分影響，而它們幾乎取消了Fentanyl、Morphine和 DAMGO 誘導的 β-arrestin 招募 (圖 5b)。
這說明，配體與 TM6/7 的相互作用對引起 β-arrestin 的信號轉導至關重要。
圖 5. TM6/7 的代表性殘基的突變適度影響了 cAMP 反應，但取消了Fentanyl (a)、morphine (b) 和DAMGO (c) 誘導的 β-arrestin 2 的招募[1]
■ 設計分子降低 β-arrestin 活性了嗎？為了進一步驗證上述發現，作者設計了兩個結構相似的Fentanyl衍生物 FBD1 (部分激動劑) 和 FBD3 (完全激動劑)，以獲得 β-arrestin 信號傳導減少/消失但 G 蛋白活性相對完整的 μOR 激動劑 (圖 6a)，也就是說，FBD1 和 FBD3 與μOR 的 TM6/7 之間的相互作用被削弱。
實驗結果顯示：與Fentanyl相比，FBD1 和 FBD3 都顯示出 β-arrestin 招募活性的極大降低，并且，FBD3 在 cAMP 抑制或 Gi 招募試驗中顯示出與Fentanyl幾乎相同的效力和效率 (圖 6b-c)。
圖 6. (a) Fentanyl衍生物 FBD1 和 FBD3 的合成。(b-c) 以Fentanyl為對照物 (b) FBD1 和 FBD3 的cAMP 積累試驗和 Gi 招募 (c) 的劑量反應曲線圖[1]
該研究進一步說明了配體與 TM6/7 的相互作用對引起 μOR 的 β-arrestin 信號轉導至關重要，減少這種相互作用可能導致配體優先通過 G 蛋白途徑轉導信號 (圖 7)。
圖 7. μOR 的配體誘導的不同信號模型[1]
這篇文章揭示了人類 μ 型Opium受體對morphine和Fentanyl的分子識別方式，并提出了基于Fentanyl結構的類似物設計，削弱 μOR 的 β-arrestin 活性的思路。該研究有助于合理設計下一代鎮痛劑，并有望在減少Opioids副作用的同時不影響其鎮痛作用，甚至增強鎮痛效果。
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相關產品 |
| DAMGO TFA 選擇性 μ 型Opium受體激動劑 (Kd = 3.46 nM)。 |
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PZM21 選擇性 μ 型Opium受體激動劑 (EC50 = 1.8 nM) |
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SR17018 μ 型Opium受體激動劑，能與 GTPγS 結合 (EC50 = 97 nM)。 |
參考文獻
[1] Zhuang Y, H. Eric Xu, Xin Xie, Ming-Wei Wan, et al. Molecular recognition of morphine and fentanyl by the human μ-opioid receptor. Cell. 2022 Nov 10;185(23):4361-4375.e19.
[2] Vadivelu N, et al. The Opioid Crisis: a Comprehensive Overview. Curr Pain Headache Rep. 2018 Feb 23;22(3):16.
