據世界衛生組織統計，全球約有超過3億抑郁症患者，其中約2/3的患者有過自殺意念，約1/4的患者有過自殺行為。自殺同時也是當下年輕人死亡的主要原因之一，并有将近一半發生在抑郁症患者中。目前市售的傳統抗抑郁藥物通常需要長達幾周甚至幾個月後才能起效，并且對三分之一的難治性抑郁症患者沒有改善作用。
近年來，多種緻幻劑在抑郁症治療方面展現了一定的潛能1。從“神奇蘑菇”中提取的一種天然緻幻劑裸蓋菇素（Psilocybin），于2019年被美國FDA授予治療重度抑郁症和藥物抵抗性抑郁症的突破性療法1-3。二期臨床研究結果表明，裸蓋菇素單次用藥一天内即可極大改善抑郁症患者的症狀，且效果可持續三個月以上4。但是，緻幻劑的緻幻副作用極大地限制了它們的臨床研究和廣泛應用。是以全世界的科學家一直緻力于尋找和研發非緻幻且能快速起效的新型抗抑郁藥。
2022年1月28日，來自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雜志發表了題為Structure-based discovery of non-hallucinogenic psychedelic analogs的研究論文。該項工作從解析緻幻劑與其靶點血清素2A受體（5-HT2AR）的複合物結構出發，發現緻幻劑除了先前預測的與5-HT2AR的經典結合模式之外，存在另一種位于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，緻幻劑的第二種結合模式對于5-HT2AR下遊β-arrestin信号的偏好性激活至關重要；進一步實驗結果表明緻幻劑的緻幻效果與G蛋白和β-arrestin兩條下遊信号同時高效率激活密切相關。基于第二種結合模式，研究人員設計并合成了以IHCH-7086和IHCH-7079為代表的一系列5-HT2AR的β-arrestin信号偏好性激動劑；并在動物體内實驗中證明該系列化合物無緻幻作用，但具備與緻幻劑相似的快速抗抑郁效果。
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脂質對血清素2A受體的激活
Psilocybin（裸蓋菇素）在人體内被代謝為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與内源性配體serotonin（血清素），緻幻劑psilocin，緻幻劑LSD（麥角酸二乙基酰胺）以及非緻幻劑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）5,6；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），可占據5-HT2AR獨有的側邊口袋（side-extended pocket，SEP），并與TM5的殘基有一定的極性互相作用。實驗表明monoolein通過G2385.42殘基位置進入OBP，激活5-HT2AR下遊的G蛋白信号并且該信号的激活可以被5-HT2AR的選擇性抑制劑MDL100907所抑制。
圖1 脂質對5-HT2AR的激活
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serotonin和psilocin在血清素2A受體中的第二種結合模式
研究人員認為serotonin和psilocin在5-HT2AR中的兩種不同的結合形式（OBP和EBP），可能對受體功能産生不同的影響。實驗發現單獨monoolein無法激活5-HT2AR下遊的β-arrestin信号，但在serotonin存在的情況下可劑量依賴性地激活β-arrestin信号。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信号。結果表明serotonin和psilocin的第二種結合模式對其β-arrestin信号的激活至關重要。
圖2 脂質存在下serotonin和psilocin結合在EBP中
對5-HT2AR-LSD和5-HT2AR-lisuride結構的比對表明，LSD中的兩個乙基均接觸EBP中的殘基Y3707.43，而lisuride隻有一個乙基與其互相作用。實驗發現5-HT2AR -Y3707.43W突變體能顯著提高lisuride的β-arrestin信号，而對于G蛋白信号影響不大。然而由于Y3707.43直接與LSD的兩個乙基互相作用，Y3707.43W突變體同時降低了LSD介導的G蛋白信号和β-arrestin信号。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緻其與TM7的互相作用不同，進而影響了下遊的β-arrestin信号。
圖3 Y3707.43對lisuride和LSD激活5-HT2AR下遊信号的影響
早期多種研究表明緻幻劑對5-HT2AR的親和力與其精神活性密切相關7,8。動物行為模型不能精确地捕捉到由緻幻劑在人類中産生的知覺、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）與人類産生緻幻劑誘導産生的幻覺密切相關9。研究人員進一步通過搭建的基于磁信号檢測小鼠HTR的模型中驗證了5-HT2AR-Y3707.43W點突變小鼠可以成功抹去LSD的HTR效應，同時保留了LSD的抗抑郁效果。結果表明緻幻劑的精神活性作用需要5-HT2AR介導高效率的信号轉導，且緻幻劑的緻幻效果和抗抑郁效果可通過改變5-HT2AR激動劑的藥理學活性而分離。
圖4 5-HT2AR-Y3707.43W小鼠對LSD的緻幻和抗抑郁效果的影響
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以結構為導向合成β-arrestin信号偏好性化合物
通過上述資料，研究人員推測靶向EBP可以增強5-HT2AR介導的β-arrestin信号，有利于設計出β-arrestin信号偏好性配體。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10,11，并且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準許上市的lumateperone（盧美哌隆，5-HT2AR的抑制劑）12；并解析了其與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。研究人員基于結構設計并合成了頭部基團：IHCH-7113。進一步資料表明，IHCH-7113具有微弱的β-arrestin信号偏好性且在5-HT2AR兩條下遊信号通路中均具有較高的激活效率，可誘導小鼠産生HTR。
圖5 IHCH-7113的結構設計思路、激活信号和緻幻效果
進一步通過以結構為導向的化合實體性設計，研究人員在IHCH-7113的基礎上引入甲氧基苯基合成了IHCH-7086及其系列衍生物；使其相對lumateperone的氟苯基避開5-HT2AR的PIF結構域（決定了lumateperone的抑制劑效果）；同時按照設計，該系列化合物将以結合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中的結合模式的确如研究人員所設想，且IHCH-7086表現出明顯的β-arrestin信号偏好性。
圖 6 IHCH-7086的激活信号和與5-HT2AR結合的複合物結構
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5-HT2AR介導的下遊信号在緻幻和抗抑郁行為中的效果
研究人員進一步通過基于磁信号檢測小鼠HTR的模型中檢測了IHCH-7086，IHCH-7079（IHCH-7086類似物）的緻幻效果，結果表明具有明顯的β-arrestin信号偏好性的IHCH-7086和IHCH-7079在注射高劑量（10 mg/kg）的情況下也不會誘導小鼠産生HTR。
随後研究人員在不同方法建構的小鼠抑郁樣模型中驗證了IHCH-7086和IHCH-7079的抗抑郁效果，實驗結果表明IHCH-7079和IHCH-7086與先前已報道的LSD所具有的抗抑郁效果類似，能夠明顯改善小鼠的抑郁樣行為，并且5-HT2AR的選擇性抑制劑MDL100907能抑制它們的改善作用。
圖7 IHCH-7086和IHCH-7079的緻幻和抗抑郁效果
該項工作對于psilocybin這一類緻幻劑的研究，不僅深入闡明緻幻的分子機制，同時有助于了解緻幻劑緩解抑郁症的藥理機制，為新型速效、長效抗抑郁藥物的研發提供理論指導。需要指出的是，化合物并不等同于藥品，該研究團隊的科研人員正在進行系統的化合物成藥性驗證以及先導化合物的持續優化工作，争取早日使其成為造福患者的藥品。緻幻劑的“改邪歸正”之路依舊“路漫漫其修遠兮”，研究人員将會繼續“吾将上下而求索”。
分子細胞卓越中心汪勝研究組博士研究所學生曹冬梅、助理研究員餘競、上海科技大學程建軍組助理研究員王歡、蘇州大學羅智璞教授和分子細胞卓越中心李勁松研究組博士研究所學生劉芯宇為該論文的共同第一作者，分子細胞卓越中心汪勝研究員和上海科技大學iHuman研究所程建軍研究員為該論文的共同通訊作者。同時該項工作也得到了分子細胞卓越中心李勁松院士和公安部第三研究所林何博士的協助。該項研究工作得到了科技部重點研發項目、中國科學院戰略先導項目、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資助。該項研究工作同時得到了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大力支援。
汪勝研究團隊合影
參考文獻：
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來源：中國科學院分子細胞科學卓越創新中心