嗎啡和芬太尼的對 μOR 的 β-arrestin 蛋白活性的作用
阿片類藥物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阿片類生物堿和合成阿片類藥物，嗎啡和芬太尼被用于癌痛治療、麻醉鎮(zhèn)痛、預防性鎮(zhèn)痛以及術后多模式鎮(zhèn)痛。雖然阿片類藥物是有效的止痛藥，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(fā)了廣泛傳播的 “阿片類藥物危機”[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(jù) 2019 年發(fā)布的報告，超過 70% 的“阿片類藥物危機”死亡是合成阿片類藥物 (主要是芬太尼及其衍生物) 過量使用所致。這些副作用限制了阿片類藥物在臨床的應用。
阿片類藥物的功能由四種 G 蛋白偶聯(lián)受體 (GPCRs) 家族介導，即 μ、κ、δ 和傷害感受肽受體 (NOPR)，在這些阿片受體中，μ 型阿片受體 (μOR) 被發(fā)現(xiàn)是鎮(zhèn)痛和副作用的主要受體。有研究指出，阿片樣物質誘導的鎮(zhèn)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. 芬太尼和嗎啡誘導的 μOR 信號傳遞和潛在的藥理作用[1]
如何減少副作用？
今年 11 月，Cell 在線發(fā)表了題為 Molecular recognition of morphine and fentanyl by the human μ-opioid receptor 的研究性論文。這篇文章闡述了芬太尼、嗎啡和其他 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。該研究還揭示了芬太尼和嗎啡對 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(zhèn)痛劑提供了結構模板[1]。
■ 芬太尼和嗎啡如何進行信號轉導？
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阿片類藥物——芬太尼、嗎啡、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，芬太尼、嗎啡和 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，嗎啡和芬太尼都能誘導強大的 β-arrestin 招募 (圖 2b)�？偠灾�，芬太尼和嗎啡不僅能完全激活 μOR，還可誘導強大的 β-arrestin 招募。
a-b: 阿片類激動劑的 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(shù)據(jù)根據(jù) DAMGO 的最大反應進行歸一化。
■ 激活 μOR 的關鍵因素是什么？
芬太尼和嗎啡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，芬太尼分子在正位口袋中占據(jù) "Y" 形構象，主要與跨膜結構域 (TMD) 的 TM2、TM3、TM6 和 TM7 的殘基接觸；嗎啡采用橢圓的 "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(fā)現(xiàn)，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芬太尼和嗎啡的 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. 芬太尼 (a) 和嗎啡 (b) 與 μOR 的相互作用[1]
此外，芬太尼和嗎啡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)。
■ 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芬太尼、嗎啡和 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，而它們幾乎取消了芬太尼、嗎啡和 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，但取消了芬太尼 (a)、嗎啡 (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(fā)現(xiàn)，作者設計了兩個結構相似的芬太尼衍生物 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，F(xiàn)BD1 和 FBD3 與μOR 的 TM6/7 之間的相互作用被削弱。
實驗結果顯示：與芬太尼相比，F(xiàn)BD1 和 FBD3 都顯示出 β-arrestin 招募活性的極大降低，并且，F(xiàn)BD3 在 cAMP 抑制或 Gi 招募試驗中顯示出與芬太尼幾乎相同的效力和效率 (圖 6b-c)。
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 型阿片受體對嗎啡和芬太尼的分子識別方式，并提出了基于芬太尼結構的類似物設計，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(zhèn)痛劑，并有望在減少阿片類藥物副作用的同時不影響其鎮(zhèn)痛作用，甚至增強鎮(zhèn)痛效果。
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相關產品 |
| DAMGO TFA 選擇性 μ 型阿片受體激動劑 (Kd = 3.46 nM)。 |
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選擇性 μ 型阿片受體激動劑 (EC50 = 1.8 nM) |
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μ 型阿片受體激動劑，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.
