Science：以结构为导向改造致幻剂以治疗抑郁症

目前市售的传统抗抑郁药物通常需要几周甚至几个月后才能起效，并且对三分之一的难治性抑郁症患者无改善作用。

近年来，多种致幻剂在抑郁症治疗方面展现了潜能。从“神奇蘑菇”中提取的天然致幻剂裸盖菇素（Psilocybin），于2019年被美国FDA授予作为重度抑郁症和药物抵抗性抑郁症的突破性疗法。二期临床研究结果表明，裸盖菇素单次用药一天内即可极大改善抑郁症患者症状，且效果可持续三个月以上。但是，致幻剂的致幻副作用限制了其临床研究和应用。因此，科学家长期致力于寻找和研发非致幻且能快速起效的新型抗抑郁药。

中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）汪胜研究组与上海科技大学iHuman研究所程建军研究组合作在Science上，发表了题为Structure-based discovery of non-hallucinogenic psychedelic analogs的研究论文。该工作从解析致幻剂与其靶点血清素2A受体（5-HT2AR）的复合物结构出发，发现致幻剂除了先前预测的与5-HT2AR的经典结合模式之外，存在另一种位于经典结合模式上方的、受脂质调控的结合模式。研究人员发现在脂质分子存在下，致幻剂的第二种结合模式对于5-HT2AR下游β-arrestin信号的偏好性激活十分重要；进一步实验结果表明，致幻剂的致幻效果与G蛋白和β-arrestin两条下游信号同时高效率激活密切相关。基于第二种结合模式，研究人员设计并合成了以IHCH-7086和IHCH-7079为代表的一系列5-HT2AR的β-arrestin信号偏好性激动剂；在动物体内实验中证明该系列化合物无致幻作用，但具备与致幻剂相似的快速抗抑郁效果。

Psilocybin（裸盖菇素）在人体内被代谢为psilocin（脱磷酸裸盖菇素），后者与5-HT2AR结合发挥作用。汪胜研究组首先解析了5-HT2AR与内源性配体serotonin（血清素）、致幻剂psilocin、致幻剂LSD（麦角酸二乙基酰胺），以及非致幻剂lisuride（麦角乙脲，帕金森病药物）等四种复合物的晶体结构。LSD和lisuride的麦角灵骨架的结合位置与实验室前期解析的其他麦角灵药物类似，均结合在正位结合位点（orthosteric binding pocket，OBP）；与之前预测的正位结合位点不同，serotonin和psilocin受脂质调控结合在OBP上方的延伸性口袋（Extended binding pocket，EBP）。进一步实验结果表明该脂质为monoolein（甘油单油酸酯），可占据5-HT2AR独有的侧边口袋（side-extended pocket，SEP），并与TM5的残基有一定极性相互作用。实验表明monoolein通过G2385.42残基位置进入OBP，激活5-HT2AR下游的G蛋白信号并且该信号的激活可以被5-HT2AR的选择性抑制剂MDL100907所抑制。

研究人员认为serotonin和psilocin在5-HT2AR中的两种不同结合形式（OBP和EBP），可能对受体功能产生不同影响。实验发现单独monoolein无法激活5-HT2AR下游的β-arrestin信号，但在serotonin存在的情况下可剂量依赖性地激活β-arrestin信号。相比之下，LSD存在的情况下，未能深入OBP的monoolein则不能激活β-arrestin信号。结果表明serotonin和psilocin的第二种结合模式对其β-arrestin信号的激活十分重要。

5-HT2AR-LSD和5-HT2AR-lisuride的结构比对表明，LSD中两个乙基均接触EBP中的残基Y3707.43，而lisuride只有一个乙基与其相互作用。实验发现5-HT2AR-Y3707.43W突变体能显着提高lisuride的β-arrestin信号，而对于G蛋白信号影响不大。然而由于Y3707.43直接与LSD的两个乙基相互作用，Y3707.43W突变体同时降低了LSD介导的G蛋白信号和β-arrestin信号。结果表明虽然LSD和lisuride在OBP中结合模式相似，但在EBP中结合模式的不同导致其与TM7的相互作用不同，从而影响了下游的β-arrestin信号。

早期研究表明，致幻剂对5-HT2AR的亲和力与其精神活性密切相关。动物行为模型不能精确捕捉到由致幻剂在人类中产生的知觉、认知和情绪的扰动。然而，研究表明，小鼠头部抽搐反应（Head twitch response，简称HTR）与人类产生致幻剂诱导产生的幻觉密切相关。研究人员进一步通过搭建的基于磁信号检测小鼠HTR的模型中验证了5-HT2AR-Y3707.43W点突变小鼠可以成功抹去LSD的HTR效应，同时保留了LSD的抗抑郁效果。结果表明致幻剂的精神活性作用需要5-HT2AR介导高效率的信号转导，且致幻剂的致幻效果和抗抑郁效果可通过改变5-HT2AR激动剂的药理学活性而分离。

通过上述数据，研究人员推测靶向EBP可以增强5-HT2AR介导的β-arrestin信号，有利于设计出β-arrestin信号偏好性配体。实验室前期的研究结果表明抗精神病药物的头部基团均与其GPCR靶向受体的EBP相结合，并且5-HT2AR是非典型抗精神病药物的重要靶点之一。通过分析市售的几十种抗精神病药物，研究人员锁定了2019年FDA批准上市的lumateperone（卢美哌隆，5-HT2AR的抑制剂），并解析了其与5-HT2AR的复合物晶体结构，发现lumateperone头部基团的四环骨架结合在5-HT2AR的EBP。研究人员基于结构设计并合成了头部基团IHCH-7113。进一步数据表明，IHCH-7113具有微弱的β-arrestin信号偏好性且在5-HT2AR两条下游信号通路中均具有较高的激活效率，可诱导小鼠产生HTR。

研究人员进一步通过基于磁信号检测小鼠HTR的模型中检测了IHCH-7086，IHCH-7079（IHCH-7086类似物）的致幻效果，结果表明具有明显的β-arrestin信号偏好性的IHCH-7086和IHCH-7079在注射高剂量（10 mg/kg）的情况下不会诱导小鼠产生HTR。随后，研究人员在不同方法构建的小鼠抑郁样模型中验证了IHCH-7086和IHCH-7079的抗抑郁效果，实验结果表明IHCH-7079和IHCH-7086与先前已报道的LSD所具有的抗抑郁效果类似，能够明显改善小鼠的抑郁样行为，并且5-HT2AR的选择性抑制剂MDL100907能抑制其改善作用。

进一步通过以结构为导向的化合物理性设计，研究人员在IHCH-7113的基础上引入甲氧基苯基合成了IHCH-7086及其系列衍生物；使其相对lumateperone的氟苯基避开5-HT2AR的PIF结构域（决定了lumateperone的抑制剂效果）；按照设计，该系列化合物将以结合EBP为主（β-arrestin偏好），同时避开结合OBP的脂质结合口袋（G 蛋白偏好）。通过解析IHCH-7086和5-HT2AR的复合物晶体结构，IHCH-7086在5-HT2AR中的结合模式的确如研究人员所设想，且IHCH-7086表现出明显的β-arrestin信号偏好性。(生物谷Bioon.com）