μ阿片受体与芬太尼类化合物作用的关键氨基酸位点及其参与信号传递和药理作用的机制研究

Opioids Fentanyl and its derivatives are among the most used clinical anesthetics, but various side effects—which include respiratory suppression, gastrointestinal dysfunction and tolerance—set a limit to medication. It is reported that side effects of morphine are mediated through β-arrestin pathway while G-protein signaling is thought to confer analgesia. Based on the theory, a novel analgesic with reduced side effects—PZM21 was successfully synthesized. Similarly, the sedation and respiratory depression of fentanyl derivatives may be mediated through different signal pathways, and some amino acid sites of μ-opioid receptor may influence signaling bias. Accordingly, in this project, we intend to unravel the critical amino acid sites of μ-opioid receptor interacting with fentanyl derivatives and illustrate the molecular mechanisms governing the nature of ligand-receptor binding and signaling bias. If we clarify the relationship between amino acid sites and signaling, the detailed mechanisms of opioids can be further elucidated, which contribute to the design and synthesis of novel opioid anesthetics with reduced side effects.

阿片类药物芬太尼及其衍生物是临床上最常使用的一类麻醉剂，但其呼吸抑制、胃肠功能紊乱、耐受等副作用限制了该类药物的使用，其中呼吸抑制是芬太尼类药物致死的主要原因。近年研究指出，吗啡作用于μ阿片受体所产生的呼吸抑制等副反应主要通过β-arrestin通路介导，而镇痛作用则由G蛋白通路介导，且在此理论基础上，成功发现了副作用减轻的新型阿片类镇痛药。据此假设，芬太尼类药物的镇静麻醉作用与呼吸抑制等副作用也分别由μ阿片受体下游的不同信号通路介导，且μ阿片受体中的某些氨基酸位点可能会影响信号通路的偏倚。由此，我们拟从受体结构和受体后信号通路两个层面研究芬太尼类与μ阿片受体相互作用产生不同药理效应的机制，阐明芬太尼类化合物与μ阿片受体相互作用的关键性氨基酸位点以及位点与信号通路之间的关系，为阿片类药物的作用机制补充思路，为设计新型副作用更小的阿片类麻醉药提供线索。

阿片类药物芬太尼及其衍生物是临床上最常使用的一类麻醉剂，但其呼吸抑制、胃肠功能紊乱、耐受等副作用限制了该类药物的使用，其中呼吸抑制是芬太尼类药物致死的主要原因。目前研究普遍认为μ阿片受体激活后，G蛋白依赖性信号通路与镇痛、镇静效应相关，而β-arrestin依赖性信号通路则与呼吸抑制、耐受、胃肠功能紊乱等副作用相关，且在此理论基础上，成功发现了副作用减轻的新型阿片类镇痛药。还有研究表明，芬太尼类化合物在细胞分子水平测定的G蛋白依赖性信号通路的偏向性越强，在整体动物水平上表现出的安全窗口就越大。据此假设，芬太尼类药物的镇静麻醉作用与呼吸抑制等副作用也分别由μ阿片受体下游的不同信号通路介导，且μ阿片受体中的某些氨基酸位点可能会影响信号通路的偏倚。. 我们通过计算机分子对接预测和定位突变细胞模型实验发现W6.48、Y7.43位点是影响芬太尼类化合物激活μ阿片受体下游信号通路偏向性的关键位点。W6.48位点突变不阻断配体与受体的结合，且使芬太尼、瑞芬太尼、3-甲芬太尼相对偏向激活β-arrestin依赖性信号通路，使舒芬太尼相对更偏向G蛋白依赖性信号通路；Y7.43突变不影响配体与受体的结合，显著降低了配体对β-arrestin依赖性信号通路的激活。分子动力学模拟研究表明配体、W6.48、Y7.43的相互作用影响了受体TM6和TM5构象的相对变化，从而导致MOR下游信号通路的偏向性激活。动物实验结果现实，Y7.43突变增强了芬太尼类化合物的镇痛效应。以上研究为设计合成高效低毒的阿片类镇痛药、失能剂提供思路。