杨帆课题组Advanced Science发文计算设计靶向TRPM8通道的激活模式特异性环肽抑制剂

来源 :基础医学系    发布时间 :2021-10-22    浏览次数 :447
 

癌症是困扰人类的一大健康问题。对抗癌症最普遍的方法是放化疗。然而,放化疗本身产生的副作用让患者生活质量严重下降,例如奥沙利铂引起的冷超敏等神经病理性疼痛,且目前没有针对此症状的有效防治手段。TRPM8离子通道是人体内的低温与疼痛感受器,TRPM8和其它温度感受TRP通道的发现者获得了2021年诺贝尔生理学或医学奖。因此,如何开发精准靶向TRPM8离子通道的调控分子,用以降低铂类化疗药物诱发的神经病理性疼痛,这是值得深入探究的一个科学问题。

20211017日,来自千亿体育生物物理学系的杨帆团队、浙江大学脑科学与脑医学学院徐贞仲团队以及东北林业大学的杨仕隆团队在Advanced Science杂志上发表研究论文“Rational design of a modality-specific inhibitor of TRPM8 channel against oxaliplatin-induced cold allodynia”,通过运用基于TRPM8结构的热点中心计算设计策略,获得了环肽抑制剂DeC-1.2。该环肽特异地抑制TRPM8的配体激活,从而在不影响动物体温的前提下,实现对奥沙利铂引起的冷超敏疼痛的有效镇痛。

铂类化疗药物是癌症化疗常用的药物。然而,使用铂类化疗药物难免会产生副作用。例如,奥沙利铂(Oxaliplatin)通常用作结肠直肠癌和胃癌等许多癌症治疗的一线化疗药物。服用奥沙利铂的患者中高达89%会出现急性神经毒性,通常表现为患者在正常凉爽的环境温度中反而感到极度寒冷且手臂和腿等部位疼痛难忍。这种神经病理性症状被定义为奥沙利铂化疗诱导的冷痛觉敏化反应。目前没有针对此症状的有效防治手段。

TRPM8通道与奥沙利铂诱导的冷痛觉敏化等神经病理性过程有关。TRPM8是一类表达在伤害性刺激感受神经元上的非选择性阳离子通道。该通道在低于28 ℃的温度环境下被激活,因此它是哺乳动物的冷感受器。此外,作为多模态受体,TRPM8也能被多种物理刺激或化学配体激活,比如薄荷醇和Icilin 以及跨膜去极化等。在奥沙利铂诱导的冷痛觉敏化小鼠模型中,伤害性背根神经节(DRG)神经元中TRPM8通道的表达水平显著升高。更重要的是,在TRPM8敲除鼠中,奥沙利铂的使用没有使其出现冷痛觉敏化反应。因此,TRPM8离子通道是治疗奥沙利铂诱导的冷痛觉敏化反应的有效药物靶点。

那么,TRPM8通道的抑制剂会不会是治疗奥沙利铂诱导的冷痛觉敏化反应的有效药物候选呢?前人的研究显示,单纯抑制TRPM8时也许可以缓解冷痛觉敏化反应,但是会引起体温下降、温度感应异常等副作用。由于TRPM8是多模态受体,大多数泛模式抑制剂会不加以区分地抑制TRPM8的多种激活模式,因此,它们往往会使患者基础体温下降或者使其冷感觉出现絮乱,这也是目前已知的小分子化合物在临床试验中屡屡遭败的重要原因。为了突破此类泛模式抑制剂的短板,一种策略是开发抑制TRPM8的配体激活而不影响其冷激活的激活模式特异性抑制剂。

随着结构生物学领域的飞速发展,部分物种的TRPM8通道蛋白高分辨率三维冷冻电镜结构已解析。这让作者有机会基于靶点蛋白质的结构进行调控分子的理性设计。理性设计方法耗时较短,经济成本低且成功率也比传统筛选方法有所提高。作者在本研究中基于TRPM8的高分辨率三维冷冻电镜结构,运用热点中心策略理性设计获得了一系列多肽类调控分子。经化学合成获得以上设计类多肽分子后,作者团队开展了从体外、离体以及体内不同层次的功能验证实验。通过几轮设计优化和功能验证后,作者团队获得了一条环状短肽DeC-1.2DeC-1.2在体外电生理验证中能够高效抑制TRPM8的配体(薄荷醇)激活而不影响其冷激活。HEK细胞和小鼠DRG神经元的体外钙成像以及Icilin诱导的小鼠湿狗样颤抖行为实验等方法进一步验证了DeC-1.2的高效靶向性。同时,作者团队运用单通道电生理等方法,验证了DeC-1.2的激活模式特异性以及亚基选择性。最后,DeC-1.2在奥沙利铂诱导的冷痛觉敏化模型鼠中显著减弱了模型鼠的冷痛,且DeC-1.2并没有影响小鼠的基础体温。

千亿体育生物物理学系博士研究生阿尔孜古丽·艾尔肯、浙江大学脑科学与脑医学学院博士后谢亚凯以及东北林业大学的董文琪博士研究生为该论文的共同第一作者,千亿体育生物物理学系杨帆研究员、浙江大学脑科学与脑医学学院徐贞仲研究员以及东北林业大学杨仕隆教授为该论文的共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金委、国家林业和草原局的资助。