分子細胞卓越中心等以結構為導向改造致幻劑以治療抑鬱症

2022-01-28 Comments 0 Comment

目前市售的傳統抗抑鬱藥物通常需要幾週甚至幾個月後才能起效，並且對三分之一的難治性抑鬱症患者無改善作用。近年來，多種致幻劑在抑鬱症治療方面展現了潛能。從“神奇蘑菇”中提取的天然致幻劑裸蓋菇素（Psilocybin），於2019年被美國FDA授予作為重度抑鬱症和藥物抵抗性抑鬱症的突破性療法。

二期臨床研究結果表明，裸蓋菇素單次用藥一天內即可極大改善抑鬱症患者症狀，且效果可持續三個月以上。但是，致幻劑的致幻副作用限制了其臨床研究和應用。因此，科學家長期致力於尋找和研發非致幻且能快速起效的新型抗抑鬱藥。

1月28日，中國科學院分子細胞科學卓越創新中心（生物化學與細胞生物學研究所）汪勝研究組與上海科技大學iHuman研究所程建軍研究組合作在Science上，發表了題為Structure-based discovery of non-hallucinogenic psychedelic analogs的研究論文。該工作從解析致幻劑與其靶點血清素2A受體（5-HT2AR）的複合物結構出發，發現致幻劑除了先前預測的與5-HT2AR的經典結合模式之外，存在另一種位於經典結合模式上方的、受脂質調控的結合模式。研究人員發現在脂質分子存在下，致幻劑的第二種結合模式對於5-HT2AR下游β-arrestin信號的偏好性激活十分重要；進一步實驗結果表明，致幻劑的致幻效果與G蛋白和β-arrestin兩條下游信號同時高效率激活密切相關。基於第二種結合模式，研究人員設計並合成了以IHCH-7086和IHCH-7079為代表的一系列5-HT2AR的β-arrestin信號偏好性激動劑；在動物體內實驗中證明該系列化合物無致幻作用，但具備與致幻劑相似的快速抗抑鬱效果。

Psilocybin（裸蓋菇素）在人體內被代謝為psilocin（脫磷酸裸蓋菇素），後者與5-HT2AR結合發揮作用。汪勝研究組首先解析了5-HT2AR與內源性配體serotonin（血清素）、致幻劑psilocin、致幻劑LSD（麥角酸二乙基酰胺），以及非致幻劑lisuride（麥角乙脲，帕金森病藥物）等四種複合物的晶體結構。LSD和lisuride的麥角靈骨架的結合位置與實驗室前期解析的其他麥角靈藥物類似，均結合在正位結合位點（orthosteric binding pocket，OBP）；與之前預測的正位結合位點不同，serotonin和psilocin受脂質調控結合在OBP上方的延伸性口袋（Extended binding pocket，EBP）。進一步實驗結果表明該脂質為monoolein（甘油單油酸酯），可佔據5-HT2AR獨有的側邊口袋（side-extended pocket，SEP），並與TM5的殘基有一定極性相互作用。實驗表明monoolein通過G2385.42殘基位置進入OBP，激活5-HT2AR下游的G蛋白信號並且該信號的激活可以被5-HT2AR的選擇性抑製劑MDL100907所抑制。

研究人員認為serotonin和psilocin在5-HT2AR中的兩種不同結合形式（OBP和EBP），可能對受體功能產生不同影響。實驗發現單獨monoolein無法激活5-HT2AR下游的β-arrestin信號，但在serotonin存在的情況下可劑量依賴性地激活β-arrestin信號。相比之下，LSD存在的情況下，未能深入OBP的monoolein則不能激活β-arrestin信號。結果表明serotonin和psilocin的第二種結合模式對其β-arrestin信號的激活十分重要。

5-HT2AR-LSD和5-HT2AR-lisuride的結構比對錶明，LSD中兩個乙基均接觸EBP中的殘基Y3707.43，而lisuride只有一個乙基與其相互作用。實驗發現5-HT2AR-Y370 ^7.43 W突變體能顯著提高lisuride的β-arrestin信號，而對於G蛋白信號影響不大。然而由於Y3707.43直接與LSD的兩個乙基相互作用，Y3707.43W突變體同時降低了LSD介導的G蛋白信號和β-arrestin信號。結果表明雖然LSD和lisuride在OBP中結合模式相似，但在EBP中結合模式的不同導致其與TM7的相互作用不同，從而影響了下游的β-arrestin信號。

早期研究表明，致幻劑對5-HT2AR的親和力與其精神活性密切相關。動物行為模型不能精確捕捉到由致幻劑在人類中產生的知覺、認知和情緒的擾動。然而，研究表明，小鼠頭部抽搐反應（Head twitch response，簡稱HTR）與人類產生致幻劑誘導產生的幻覺密切相關。研究人員進一步通過搭建的基於磁信號檢測小鼠HTR的模型中驗證了5-HT2AR-Y370 ^7.43 W點突變小鼠可以成功抹去LSD的HTR效應，同時保留了LSD的抗抑鬱效果。結果表明致幻劑的精神活性作用需要5-HT2AR介導高效率的信號轉導，且致幻劑的致幻效果和抗抑鬱效果可通過改變5-HT2AR激動劑的藥理學活性而分離。

通過上述數據，研究人員推測靶向EBP可以增強5-HT2AR介導的β-arrestin信號，有利於設計出β-arrestin信號偏好性配體。實驗室前期的研究結果表明抗精神病藥物的頭部基團均與其GPCR靶向受體的EBP相結合，並且5-HT2AR是非典型抗精神病藥物的重要靶點之一。通過分析市售的幾十種抗精神病藥物，研究人員鎖定了2019年FDA批准上市的lumateperone（盧美哌隆，5-HT2AR的抑製劑），並解析了其與5-HT2AR的複合物晶體結構，發現lumateperone頭部基團的四環骨架結合在5-HT2AR的EBP。研究人員基於結構設計並合成了頭部基團IHCH-7113。進一步數據表明，IHCH-7113具有微弱的β-arrestin信號偏好性且在5-HT2AR兩條下游信號通路中均具有較高的激活效率，可誘導小鼠產生HTR。

研究人員進一步通過基於磁信號檢測小鼠HTR的模型中檢測了IHCH-7086，IHCH-7079（IHCH-7086類似物）的致幻效果，結果表明具有明顯的β-arrestin信號偏好性的IHCH-7086和IHCH-7079在註射高劑量（10 mg/kg）的情況下不會誘導小鼠產生HTR。隨後，研究人員在不同方法構建的小鼠抑鬱樣模型中驗證了IHCH-7086和IHCH-7079的抗抑鬱效果，實驗結果表明IHCH-7079和IHCH-7086與先前已報導的LSD所具有的抗抑鬱效果類似，能夠明顯改善小鼠的抑鬱樣行為，並且5-HT2AR的選擇性抑製劑MDL100907能抑制其改善作用。

進一步通過以結構為導向的化合物理性設計，研究人員在IHCH-7113的基礎上引入甲氧基苯基合成了IHCH-7086及其係列衍生物；使其相對lumateperone的氟苯基避開5-HT2AR的PIF結構域（決定了lumateperone的抑製劑效果）；按照設計，該系列化合物將以結合EBP為主（β-arrestin偏好），同時避開結合OBP的脂質結合口袋（G 蛋白偏好）。通過解析IHCH-7086和5-HT2AR的複合物晶體結構，IHCH-7086在5-HT2AR中的結合模式的確如研究人員所設想，且IHCH-7086表現出明顯的β-arrestin信號偏好性。

該研究深入闡明了致幻的分子機制，有助於理解致幻劑緩解抑鬱症的藥理機制，為新型速效、長效抗抑鬱藥物的研發提供了理論指導。研究工作得到科技部重點研發項目、中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金、科技部青年千人基金、上海市科學技術委員會啟明星計劃項目等的資助。研究工作得到分子細胞卓越中心化學生物學技術平台和動物實驗技術平台的支持。

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