吗啡和芬太尼均属于合成阿片类药物，在临床上被广泛地用于缓解疼痛。但是他们同时也具有严重的副作用，例如药物成瘾，呼吸抑制等等[1]。“阿片危机”，即指阿片类药物过量使用造成呼吸抑制进而导致死亡，是普遍存在各国的医疗问题[2]。因此，临床上亟需新型具有较少副作用的安全的镇痛药物。
为了筛选和设计无副作用的阿片类药物，首先要弄明白，现有的吗啡和芬太尼是如何引起副作用的。已有研究表明，它们的镇痛和副作用均主要通过激活μ型阿片受体 (μOR) 起效的[3]。
具体来看，μOR作为一种Gi偶联受体，由吗啡激活后启动细胞内信号通路，抑制下游的cAMP产生，进而产生镇痛作用。而呼吸抑制等副作用，是通过该受体介导的β-arrestin信号通路造成的[4]。在过去的几十年里，大量的工作都用来筛选μOR的具有较弱β-arrestin激活能力的激动剂。但是筛选出的药物，临床结果并不理想[5]。
(相关资料图)
因此，进一步弄清楚阿片类产生副作用的机理十分关键。而阿片类受体结构的研究无疑会带来有价值的细节信息。虽然已经有大量针对阿片类受体-配体结合复合物结构的研究，但是至今，仍然没有解出μOR与芬太尼结合的复合体的结构。
近日，中科院上海药物研究所徐华强/庄友文团队、谢欣团队和王明伟团队合作，在《细胞》上发表了重要研究成果。
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他们成功解析出了μOR分别与吗啡，芬太尼及其衍生物R17018、TRV130、PZM21结合复合体的高清冷冻电镜结构。这些结构阐释了吗啡、芬太尼与受体结合的特性，并且帮助研究者找出了激活β-arrestin信号通路的分子层面的决定性因素。他们进一步利用这些研究成果，成功设计了概念性的可激活Gi通路且无β-arrestin激活能力的芬太尼衍生物[6]。
该文章的图形摘要
首先，课题组利用单颗粒冷冻电子显微镜得到人源μOR与上述五种化合物分别结合的电镜结构，分辨率高达2.8至3.3 Å，并建立了μOR从S66到F352位氨基酸的模型。
（上）芬太尼-μOR-Gi同型二聚体复合体的冷冻电镜密度图和分子模型。芬太尼，吗啡，SR17018和PZM21的密度图。（下）μOR-Gi与TRV130结合的结构
课题组解析到的高清结构图，展示了吗啡和芬太尼与μOR的特异互作方式，这也符合吗啡与芬太尼完全不同的化学结构。
进一步研究表明，当芬太尼、吗啡等其它激动剂与μOR结合后，会造成μOR一系列的结构改变，最终为G蛋白结合开放了胞内的腔室部分。
那么，这些μOR的配体是如何偏好性激活β-arrestin信号通路、引发呼吸抑制副作用的呢？
拟肽激动剂DAMGO，可以同时激活μOR的Gi和β-arrestin介导的下游通路。在这里，研究者们以DAMGO为阳性对照，检测发现，吗啡、芬太尼、R17018、TRV13和PZM21均可激活Gi通路从而抑制cAMP的生成。其中，PZM21不激活β-arrestin，TRV130和R17018部分激活β-arrestin，而芬太尼和吗啡强效激活β-arrestin。
随后，通过详细的对比以上这6个复合物的结构，研究人员发现，配体与μOR的第六（TM6）、第七（TM7）跨膜区域的稳定结合是激活β-arrestin的必要条件。当在TM6与TM7引入突变位点后，的确可以减弱β-arrestin的激活。
为进一步探究激动剂造成μOR胞内构变与Gi /β-arrestin激活偏好的关系，研究人员进行了μOR与R17018、TRV13和PZM21互作的分子动力学模拟，并且比较了其他具有招募β-arrestin能力的G蛋白偶联受体，如M2受体的结构。
研究人员发现，当μOR与吗啡和芬太尼结合时，TM6和TM7向跨膜中心移动，造成受体的胞内可与G蛋白结合部分受挤压而减小，而可与β-arrestin的结合面积变大。而R17018、TRV13和PZM21与μOR结合时，TM6和TM7-H8远离TM中心，从而降低β-arrestin的结合能力。
令人欣喜的是，基于这些结论，研究者们成功设计了两个不与TM6/7互作的衍生物EBD1和EBD3。以芬太尼作为参考，两个衍生物对β-arrestin的激活均显著下降，并且保留了相似的激活Gi的能力。
该研究具有非常重要的理论和临床价值。通过解析μOR与芬太尼结合的结构，研究团队揭示了芬太尼特异结合模式，为研究众多的芬太尼衍生物的构效关系提供了合理的模型。不仅如此，他们阐释了μOR招募β-arrestin的结构细节，为将来设计更安全更好的镇痛类药物提供了模板。
参考文献：
1.Manglik A. Molecular Basis of Opioid Action: From Structures to New Leads. Biol Psychiatry. 2020;87(1):6-14.
2.Mattson CL, Tanz LJ, Quinn K, Kariisa M, Patel P, Davis NL. Trends and Geographic Patterns in Drug and Synthetic Opioid Overdose Deaths - United States, 2013-2019. MMWR Morb Mortal Wkly Rep. 2021;70(6):202-207.
3.Matthes HW, Maldonado R, Simonin F, et al. Loss of morphine-induced analgesia, reward effect and withdrawal symptoms in mice lacking the mu-opioid-receptor gene. Nature. 1996;383(6603):819-823.
4.Raehal KM, Walker JK, Bohn LM. Morphine side effects in beta-arrestin 2 knockout mice. J Pharmacol Exp Ther. 2005;314(3):1195-1201.
5.Viscusi ER, Skobieranda F, Soergel DG, Cook E, Burt DA, Singla N. APOLLO-1: a randomized placebo and active-controlled phase III study investigating oliceridine (TRV130), a G protein-biased ligand at the µ-opioid receptor, for management of moderate-to-severe acute pain following bunionectomy. J Pain Res. 2019;12:927-943.
6.Zhuang Y, Wang Y, He B, et al. Molecular recognition of morphine and fentanyl by the human μ-opioid receptor. Cell. 2022;185(23):4361-4375.e4319.
