曹燦/薛天/陳賀團隊開發(fā)出可以擺脫中縫背核負(fù)反饋抑制的快速抗抑郁藥物
11月12日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、免疫應(yīng)答與免疫治療全國重點實驗室、合肥綜合性國家科學(xué)中心大健康研究院曹燦教授課題組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部薛天教授課題組以及天津醫(yī)科大學(xué)陳賀特聘研究員課題組聯(lián)合研究團隊，在Cell雜志發(fā)表題為“Pathway-Selective 5-HT1AR Agonist as a Rapid Antidepressant Strategy”的研究文章。該研究提出了一種基于5?HT1A受體信號通路選擇性的快速抗抑郁新策略，并據(jù)此理性設(shè)計出候選化合物TMU4142。實驗結(jié)果顯示，TMU4142在抑郁小鼠模型中展現(xiàn)出顯著的快速抗抑郁樣效果。該策略直擊臨床上選擇性血清素再攝取抑制劑（SSRIs）類抗抑郁藥物普遍存在的起效緩慢難題，為新一代快速抗抑郁藥物的研發(fā)提供了嶄新的思路和可行路徑。
抑郁癥已成為全球最主要的精神健康負(fù)擔(dān)之一，影響超過3億人，并呈持續(xù)上升趨勢。抑郁癥的發(fā)病原因復(fù)雜，目前科研界的主流觀點之一是抑郁癥的發(fā)生與大腦中一種名為5-羥色胺（5-HT）的神經(jīng)遞質(zhì)水平降低有關(guān)。相應(yīng)地，針對該理論開發(fā)的選擇性5-羥色胺再攝取抑制劑（SSRIs）可以阻斷5-HT轉(zhuǎn)運蛋白對神經(jīng)突觸間隙5-HT的回收，進而增加突觸間隙中的5-HT濃度來達到抗抑郁效果。與之前的其它抗抑郁藥物相比，SSRI類抗抑郁藥物相對安全，副作用往往較少。自上市以來，SSRI類藥物迅速成為最為流行的抗抑郁藥物。抗抑郁藥物的五朵金花（氟西汀、帕羅西汀、舍曲林、西酞普蘭和氟伏沙明）全都是SSRI類抗抑郁藥物。但SSRI類藥物通常起效較慢，需要2-4周的持續(xù)服藥將中縫核突觸前膜的5-HT1A受體脫敏之后，才能發(fā)揮一定的抗抑郁作用。而在這期間，由于5-HT1A自受體介導(dǎo)的負(fù)反饋調(diào)控，大腦中的5-HT水平會下降，抑郁癥患者的癥狀反而可能會加重，在開始用藥后幾周內(nèi)抑郁癥患者甚至可能會出現(xiàn)自殺風(fēng)險。這種風(fēng)險在兒童、青少年和年輕成人（≤24歲）中更加明顯。因此，多數(shù)主流的抗抑郁藥物都有FDA的自殺風(fēng)險警告。
與中縫背核的5-HT1A自受體負(fù)反饋抑制所引起的抗抑郁效果延遲相反，位于海馬體和前額葉皮層的5-HT1A異源受體（5-HT1A heteroreceptor）的激活可以產(chǎn)生強效的抗抑郁效果。雖然是同一個蛋白，但由于5-HT1A自受體和5-HT1A異源受體分布的腦區(qū)、調(diào)控的神經(jīng)環(huán)路及神經(jīng)遞質(zhì)不同，在抑郁癥的治療中發(fā)揮著截然不同的作用。因此，如果能夠設(shè)計出一個可以選擇性激活5-HT1A異源受體的5-HT1AR激動劑，則有可能擺脫中縫背核5-HT1A自受體在抑郁癥治療中的負(fù)反饋作用，進而發(fā)揮出快速抗抑郁的效果。但一個關(guān)鍵的問題是，5-HT1A自受體和5-HT1A異源受體只是分布在不同腦區(qū)的同樣蛋白，它們具有相同的蛋白序列和三維結(jié)構(gòu)，理論上沒有任何小分子藥物可以差異性的結(jié)合這兩種受體。在過去的幾十年中，針對該方向的諸多努力都以失敗而告終。
在過去的研究中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)5-HT1A受體在不同的腦區(qū)可以偶聯(lián)不同的Gi/o蛋白亞型來發(fā)揮功能。在中縫背核區(qū)域，5-HT1A自受體主要偶聯(lián)Gi3蛋白。而在海馬體和前額葉皮層，5-HT1A異源受體則主要偶聯(lián)GoA蛋白（大腦中表達最高的G蛋白亞型）。基于這一機制，若能設(shè)計一種GoA選擇性的信號偏好性激動劑，在維持對GoA蛋白激活能力的同時，弱化其對Gi3蛋白的激活，即有望實現(xiàn)對5-HT1A異源受體的功能選擇性激活，從而提高藥物的抗抑郁療效并縮短起效時間。
此外，5-HT1A自受體所在的中縫背核區(qū)域有著大腦中濃度最高的內(nèi)源性5-HT，而在海馬體和前額葉皮層中，內(nèi)源性的5-HT濃度是非常低的。藥理學(xué)研究表明，部分激動劑在高內(nèi)源性激動劑區(qū)域可表現(xiàn)為拮抗作用，而在低濃度區(qū)域則可表現(xiàn)為激動作用。因此，若能設(shè)計出效能（efficacy）較低的部分激動劑，同樣有望避免激活中縫背核中的5-HT1A自受體，進而選擇性地激活海馬體和前額葉皮層中的5-HT1A異源受體，實現(xiàn)快速且顯著的抗抑郁效果。
綜上所述，具有GoA選擇性且為部分激動劑特征的5-HT1A受體激動劑，理論上可實現(xiàn)5-HT1AR的腦區(qū)差異性激活，從而誘導(dǎo)出強效快速的抗抑郁效果。
為了篩選具有理想信號特性的激動劑，研究團隊采用基于BRET2技術(shù)的G蛋白解離實驗，系統(tǒng)性地分析了七種5-HT1A受體激動劑在不同Gi/o蛋白亞型上的信號傳導(dǎo)譜。結(jié)果顯示，包括抗抑郁藥物吉哌隆（gepirone）、維拉唑酮（vilazodone）以及抗焦慮藥物丁螺環(huán)酮（buspirone）在內(nèi)的多種已上市藥物，均能強效激活5-HT1A受體耦聯(lián)的多個Gi/o蛋白亞型。具體而言，buspirone、gepirone和vilazodone等傳統(tǒng)5-HT1AR配體在GoA亞型上表現(xiàn)為完全激動劑，同時對Gi3亞型也具有顯著的激活作用。這種較強的Gi3活性提示它們可能高效激活中縫背核中的自受體，從而導(dǎo)致其在臨床治療中出現(xiàn)起效延遲的現(xiàn)象。在所有測試的化合物中，吲哚洛爾（pindolol）呈現(xiàn)出獨特的信號特征——它在GoA亞型上僅表現(xiàn)為部分激動劑，而對Gi3亞型的激活作用幾乎可以忽略，正符合我們所期望的5-HT1AR激動劑信號特征。值得注意的是，既往研究發(fā)現(xiàn)，pindolol作為SSRI類藥物的輔助用藥（add-on drug）可增強其抗抑郁療效，這一現(xiàn)象可能與其較弱的Gi3激活能力密切相關(guān)。然而，pindolol本身是一種β-腎上腺素受體阻滯劑，對5-HT1A受體的選擇性較低；同時其作為部分激動劑的效能有限，難以單藥發(fā)揮理想的抗抑郁作用，因此僅在臨床研究中僅被用作SSRI類藥物的輔助治療。
接下來，研究團隊著手研究以下3個問題：1，為什么pindolol激活5-HT1A受體GoA信號的能力比激活Gi3信號強？2，和傳統(tǒng)的5-HT1AR小分子激動劑相比，為什么僅有pindolol對5-HT1AR展現(xiàn)出較弱的激活能力？3，pindolol作為β-腎上腺素受體阻滯劑，在結(jié)合5-HT1AR的同時也對β-腎上腺素受體具有較高的親和力，我們能否設(shè)計出對5-HT1A親和力更高的pindolol衍生物來增加其對5-HT1AR的選擇性？
為了回答第一個問題，研究團隊首先解析了小分子配體結(jié)合狀態(tài)下的5-HT1AR–GoA復(fù)合物以及5-HT1AR–Gi3復(fù)合物結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)比對結(jié)果顯示，由于GoA蛋白中α4–β6環(huán)（α4–β6 loop）較為短小，5-HT1AR在結(jié)合GoA時，其跨膜螺旋TM6無需發(fā)生大幅度構(gòu)象變化即可完成激活，從而使受體更易進入活化狀態(tài)。除此之外，GoA的α5螺旋N端存在一個N330–H322氫鍵，可有效穩(wěn)定α5螺旋在受體結(jié)合構(gòu)象中，從而進一步促進其與5-HT1AR的結(jié)合。而在Gi3中，對應(yīng)的N330位置被一個帶正電的賴氨酸（K330）取代，該正電位點會與H322產(chǎn)生靜電排斥，削弱α5螺旋的穩(wěn)定性，進而降低Gi3與5-HT1AR的結(jié)合效率。將Gi3上對應(yīng)的區(qū)域換成GoA的氨基酸序列，則pindolol激活Gi3突變體的能力會加強。相反地，將GoA上對應(yīng)的區(qū)域換成Gi3的氨基酸序列，則pindolol激活GoA突變體的能力會減弱。令人意外的是，傳統(tǒng)上認(rèn)為負(fù)責(zé)G蛋白選擇性的α5螺旋C末端對Gi/o蛋白亞型的選擇性卻沒有顯著影響。
為了回答第二個問題，研究人員解析了(S)-pindolol與5-HT1AR的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析顯示，(S)-pindolol以一種獨特的方式結(jié)合在5-HT1A受體中。其中，(S)-pindolol的脂肪鏈上的質(zhì)子化N原子可以與TM7的N386形成獨特的極性相互作用，而在其它5-HT1AR強效激動劑中，質(zhì)子化的N原子與N386的距離相對很遠(yuǎn)，難以形成有效的相互作用。此外，不同于內(nèi)源性激動劑5-HT，(S)-pindolol的吲哚環(huán)翻轉(zhuǎn)180度與5-HT1AR結(jié)合，吲哚環(huán)上的N原子與S199形成了一個獨特的近距離相互作用。 (S)-propranolol與S199的接觸增加，則會導(dǎo)致ligand的efficacy下降，形成更弱的partial agonist。相反，將(S)-pindolol上的五元環(huán)去掉以減少配體與S199的接觸，則會導(dǎo)致ligand的efficacy上升，形成更強的partial agonist。這些研究表明，(S)-pindolol與N386和S199所形成的2個獨特的極性相互作用是導(dǎo)致其產(chǎn)生partial agonist活性的主要原因。
針對第三個問題，研究人員以(S)-pindolol為分子骨架，基于結(jié)構(gòu)信息設(shè)計并合成了一系列(S)-pindolol衍生化合物，經(jīng)過多輪的篩選和優(yōu)化，最終獲得了化合物TMU4142。該化合物對5-HT1A受體GoA通路的激活能力與內(nèi)源性激動劑5-HT相當(dāng)，而對Gi3通路的激活能力顯著減弱，實現(xiàn)了GoA偏向性的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。與(S)-pindolol相比，TMU4142對5-HT1AR的激活能力提升約15倍，而對β-腎上腺素受體的激活能力下降12–20倍。同時，TMU4142對其他12種5-羥色胺受體和5種多巴胺受體均無激動活性，展現(xiàn)出優(yōu)異的受體選擇性。值得注意的是，TMU4142在5-HT1A受體中的結(jié)合模式與以往已知的5-HT1AR激動劑顯著不同。其分子頭部插入了一個稱為EBP3（extended binding pocket 3）的高度特異性結(jié)合口袋中。該結(jié)合口袋的關(guān)鍵氨基酸殘基在5-HT1AR中高度保守，這也解釋了TMU4142為何能夠在眾多五羥色胺受體中表現(xiàn)出極高的選擇性。
鑒于TMU4142突出的藥理特性，研究人員進一步評估了其在強迫游泳實驗（forced swimming test, FST）和懸尾實驗（tail suspension test, TST）中的抗抑郁效果。結(jié)果顯示，1.5 mg/kg劑量的TMU4142即可完全逆轉(zhuǎn)小鼠的抑郁樣行為。相比之下，傳統(tǒng)5-HT1AR激動劑gepirone和buspirone在相同實驗中均未顯示抗抑郁作用。新奇食物抑制實驗（novelty-suppressed feeding, NSF）進一步表明，TMU4142在給藥1小時后即可產(chǎn)生顯著的抗抑郁效果；而經(jīng)典抗抑郁藥氟西汀在相同實驗中需經(jīng)兩周給藥方能起效。這些結(jié)果表明，TMU4142在動物模型中的起效時間要遠(yuǎn)快于目前流行的抗抑郁藥物氟西汀，展現(xiàn)出快速且顯著的抗抑郁作用。
最后，研究團隊利用光纖記錄技術(shù)實時監(jiān)測了小鼠中縫背核（DRN）區(qū)域的5-HT濃度及5-HT能神經(jīng)元活性變化。結(jié)果顯示，在產(chǎn)生抗抑郁效果的劑量下（1.5 mg/kg），TMU4142并不會引起DRN中5-HT濃度下降；相反，傳統(tǒng)5-HT1AR激動劑F-13714和buspirone則可迅速降低該區(qū)域5-HT水平。神經(jīng)元活性監(jiān)測結(jié)果與5-HT濃度變化趨勢一致，說明TMU4142在治療劑量下并不會激活DRN中5-HT1A自受體的負(fù)反饋調(diào)節(jié)機制。
綜上，本研究通過系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)藥理學(xué)分析，基于結(jié)構(gòu)信息成功開發(fā)出一種具有GoA信號通路選擇性且Gi3活性較弱的5-HT1AR激動劑。該類化合物展現(xiàn)出顯著區(qū)別于現(xiàn)有5-HT1AR激動劑的獨特藥理學(xué)特征，能夠選擇性激活5-HT1A異源受體，同時避免中縫背核5-HT1A自受體的反饋抑制，為抑郁癥治療提供了一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型藥物開發(fā)策略。
圖、基于GoA信號通路選擇性5-HT1A受體部分激動劑的快速抗抑郁策略。
合肥綜合性國家科學(xué)中心大健康研究院、免疫應(yīng)答與免疫治療全國重點實驗室副研究員王春玉為該論文的第一作者兼通訊作者、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部博士研究生張楠、邵雨潔以及天津醫(yī)科大學(xué)研究生李濤為本文的共同第一作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、免疫應(yīng)答與免疫治療全國重點實驗室、合肥綜合性國家科學(xué)中心大健康研究院曹燦教授為最后通訊作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部薛天教授、史逸銘副研究員以及天津醫(yī)科大學(xué)陳賀教授為共同通訊作者。團隊成員張夢娜、高夢、王雨萌和梁亞琪等也為該項研究做出了重要的貢獻。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)冷凍電鏡中心高永翔博士為冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集提供了支持和幫助。
原文free access鏈接：https://authors.elsevier.com/a/1m5XWL7PXuGZi
在線鏈接：https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)01194-8
（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部）
本文鏈接：http://www.albanygandhi.com/news-3-4571.html曹燦/薛天/陳賀團隊開發(fā)出可以擺脫中縫背核負(fù)反饋抑制的快速抗抑郁藥物
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