基于分子對接技術(shù)解析地佐辛與阿片受體相互作用

俞欣欣 張 磊 范 皓

地佐辛（Dezocine）是一種已廣泛應(yīng)用于術(shù)后鎮(zhèn)痛的苯嗎喃類合成鎮(zhèn)痛藥[1]。鎮(zhèn)痛藥主要通過結(jié)合阿片受體（Opioid receptor）而發(fā)揮鎮(zhèn)痛效應(yīng)。阿片受體主要有μ、κ 和σ 三種亞型，σ 受體為內(nèi)源性配體結(jié)合受體，因此不作為鎮(zhèn)痛藥的作用靶點(diǎn)。傳統(tǒng)的嗎啡類鎮(zhèn)痛藥主要通過激動μ 受體發(fā)揮鎮(zhèn)痛效應(yīng)，然而其強(qiáng)成癮性也正是來源于對μ 受體的激動作用，這限制了嗎啡類鎮(zhèn)痛藥的廣泛臨床應(yīng)用[2]。與嗎啡類鎮(zhèn)痛藥不同的是，地佐辛一方面激動κ 受體發(fā)揮鎮(zhèn)痛效應(yīng)，另一方面能夠拮抗μ 受體從而不產(chǎn)生戒斷癥狀，因此地佐辛已廣泛應(yīng)用于術(shù)后麻醉。此外，另一種苯嗎喃類合成鎮(zhèn)痛藥噴他佐辛也是一種κ 受體激動劑，μ 受體拮抗劑，也用于麻醉術(shù)后鎮(zhèn)痛[3]。分析鎮(zhèn)痛藥與阿片受體的相互作用，對于鎮(zhèn)痛藥作用機(jī)制研究、新型鎮(zhèn)痛藥物的設(shè)計(jì)以及指導(dǎo)臨床用藥有顯著意義。本文基于分子對接技術(shù)研究地佐辛與μ 受體和κ 受體的相互作用，從結(jié)構(gòu)上分析地佐辛與噴他佐辛兩種鎮(zhèn)痛藥物對于κ 受體激動性能的比較及μ 受體拮抗性能比較。

1 材料與方法

1.1 初始結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與獲得 μ 阿片受體（蛋白數(shù)據(jù)庫代碼Protein Data Bank，PDB：4DKL）和κ 阿片受體（PDB 代碼：4DJH）的晶體結(jié)構(gòu)來源于PDB（http://www.rcsb.org/）數(shù)據(jù)庫[4]，使用分子結(jié)構(gòu)模擬（https://www.3dsbiovia.com/products/collaborative-science/biovia-discovery-studio）（Discovery Studio 4.5）分別刪除上述阿片受體晶體結(jié)構(gòu)中的配體分子、結(jié)晶水分子和其他離子。地佐辛的三維分子結(jié)構(gòu)通過Discovery Studio 4.5 構(gòu)建。

1.2 分子對接 我們使用拉馬克遺傳算法，通過分子對接（Autodock 4.2）程序包（http://autodock.scripps.edu/author/morris）將地佐辛分別與μ 阿片受體和κ阿片受體進(jìn)行分子對接[5]。在此分子對接過程中，受體分子通過添加極性氫原子和科爾曼（Kollman）電荷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，地佐辛分子則通過添加加斯泰格爾-馬爾西利（Gasteiger-Marsili）電荷優(yōu)化[6-7]。Autodock 程序生成的格點(diǎn)盒子大小設(shè)為40A×40A×40A，間隔為0.375A，格點(diǎn)盒子的中心已知配體的結(jié)合位點(diǎn)[4]。運(yùn)行Autodock 程序執(zhí)行分子對接，最后從對接得到的結(jié)合構(gòu)象中選取最大簇且結(jié)合體系能量最低的構(gòu)象為最優(yōu)結(jié)合構(gòu)象，用于之后的相互作用分析。

1.3 相互作用分析 我們采用三維分子模擬軟件Pymol（https://pymol.org/2/）構(gòu)建了結(jié)合構(gòu)象中距離地佐辛分子5A 以內(nèi)的氨基酸殘基所構(gòu)成的結(jié)合口袋，同時(shí)復(fù)合物的表面模型也由Pymol 構(gòu)建[8]。運(yùn)用Discovery Studio 4.5 解析了結(jié)合構(gòu)象中地佐辛分子與阿片受體之間的非鍵相互作用，同時(shí)計(jì)算了構(gòu)成結(jié)合口袋的各個(gè)氨基酸殘基與地佐辛分子的距離。最優(yōu)的前10 種構(gòu)象的結(jié)合能以及抑制常數(shù)由Autodock 4.2 計(jì)算導(dǎo)出。

2 結(jié)果

經(jīng)過分子對接技術(shù)將地佐辛分子分別與μ 受體和κ 受體對接之后，地佐辛分子與這兩種阿片受體的最優(yōu)結(jié)合口袋（見插頁圖1）。對于μ 受體，地佐辛分子位于由Q124、D147、Y148、N150、M151、V236、W293、I296、H297、V300、I322、G325、Y326 組成的活性對接口袋之中；對于κ 受體，地佐辛分子則位于由D138、Y139、M142、K227、V230、F231、W287、I290、H291、I292、I294、L295、Y312、I316 組成的活性對接口袋之中。其中，μ 受體和κ 受體都與地佐辛分子的氨基基團(tuán)形成氫鍵，但同時(shí)地佐辛分子苯環(huán)上的羥基基團(tuán)能與κ 受體結(jié)合口袋中的H291 殘基形成氫鍵。

2.1 地佐辛分子與μ 受體的相互作用 計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明，μ 受體中的Asp147、Met151、Trp293、Ile296、Tyr326 是地佐辛結(jié)合μ 受體并發(fā)揮藥理效應(yīng)的關(guān)鍵位點(diǎn)。地佐辛分子結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)和9 位的氨基基團(tuán)是與μ 受體結(jié)合的關(guān)鍵片段，結(jié)合口袋中的平坦區(qū)域能夠供地佐辛分子中的苯環(huán)適應(yīng)形成基于大π 鍵的非鍵相互作用，而其氨基基團(tuán)則與口袋形成氫鍵相互作用，這也提示在對地佐辛分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造以提升其性能時(shí)，芳環(huán)結(jié)構(gòu)一般需要保留，同時(shí)9 位的堿性氨基基團(tuán)也需要保留。

2.2 地佐辛分子與κ 受體的相互作用 κ 受體中的D138、M142、K227、V230、I290、H291 和I294 是地佐辛結(jié)合κ 受體的關(guān)鍵殘基。此外，與μ 受體相同的是，地佐辛與κ 受體的結(jié)合中，其芳環(huán)結(jié)構(gòu)和9 位的氨基基團(tuán)發(fā)揮重要作用，可以認(rèn)為地佐辛分子中的芳環(huán)結(jié)構(gòu)和堿性氨基基團(tuán)是其藥效團(tuán)。但與μ 受體不同的是，地佐辛結(jié)合κ 受體時(shí)，其2 位的羥基與κ受體形成了2 對氫鍵，提示羥基基團(tuán)可能對κ 受體具有特異性。

2.3 地佐辛和噴他佐辛與阿片受體相互作用的比較插頁圖2 為地佐辛和噴他佐辛分別與κ 受體的結(jié)合能，兩者的結(jié)合能都為負(fù)值，表明這兩種鎮(zhèn)痛藥與κ 受體的結(jié)合是一個(gè)熱力學(xué)自發(fā)的過程。地佐辛與κ受體的結(jié)合能顯著大于噴他佐辛與κ 受體的結(jié)合能，這從能量角度上說明地佐辛對κ 受體的激動作用應(yīng)該強(qiáng)于噴他佐辛的激動作用，表明地佐辛的鎮(zhèn)痛效果強(qiáng)于噴他佐辛。接下來我們模擬了這兩種鎮(zhèn)痛藥與μ 受體的結(jié)合，結(jié)果表明地佐辛與μ 受體的結(jié)合能也顯著大于噴他佐辛與μ 受體的結(jié)合能；地佐辛對μ 受體的抑制常數(shù)（Ki）小于噴他佐辛對μ 受體的Ki，這說明了地佐辛對μ 受體的拮抗作用更強(qiáng)，見插頁圖3。

圖1 地佐辛分子分別與μ 受體（A）和κ 受體（B）對接形成復(fù)合物的結(jié)合口袋

圖2 地佐辛和噴他佐辛分別與κ 受體相互作用的10 種最佳構(gòu)想的結(jié)合能比較

圖3 地佐辛和噴他佐辛分別與μ 受體相互作用強(qiáng)弱的比較

3 討論

為了研究地佐辛分子與μ 受體的相互作用，我們解析了地佐辛分子與μ 受體之間的精細(xì)相互作用模式。地佐辛分子與μ 受體的結(jié)合主要依賴于非鍵相互作用，主要包括氫鍵和疏水力。結(jié)合口袋氨基酸殘基與地佐辛分子的距離分析表明D147、M151、I296 和Y326 這4 個(gè)殘基與地佐辛分子的空間距離是最近的，這也提示了這4 個(gè)氨基酸殘基可能是地佐辛結(jié)合μ 受體發(fā)揮藥理效應(yīng)的關(guān)鍵位點(diǎn)。地佐辛是κ 受體的激動劑，κ 受體激動劑成癮性低，副反應(yīng)小，是設(shè)計(jì)合成的非成癮性鎮(zhèn)痛藥的靶點(diǎn)。因此，研究地佐辛與κ 受體的精細(xì)相互作用模式對于基于地佐辛的鎮(zhèn)痛藥改造或是新型鎮(zhèn)痛藥的設(shè)計(jì)有重要的意義。地佐辛結(jié)合在κ 受體的空腔中，兩者之間的相互作用依賴于地佐辛活性基團(tuán)與活性結(jié)合口袋殘基之間的非鍵相互作用，主要包括氫鍵和疏水相互作用。距離分析表明D138 和H291 這兩個(gè)氨基酸殘基在空間上與地佐辛分子的距離最為接近，提示這兩個(gè)殘基可能在地佐辛分子與κ 受體的結(jié)合中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。活性口袋的其他殘基則與地佐辛分子產(chǎn)生了弱的分子間范德華相互作用。

地佐辛和噴他佐辛為苯嗎喃類合成鎮(zhèn)痛藥，目前這兩個(gè)藥都廣泛應(yīng)用于術(shù)后鎮(zhèn)痛[9-10]。傳統(tǒng)的嗎啡類鎮(zhèn)痛藥作用于μ 受體，發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用，然而嗎啡類鎮(zhèn)痛藥的成癮性也正是來自于其μ 受體的激動作用。而激動κ 受體，成癮性低，鎮(zhèn)痛效果也比較優(yōu)良。地佐辛和噴他佐辛都屬于κ 受體激動劑和μ 受體拮抗劑，因此在臨床中都表現(xiàn)出了低成癮性和優(yōu)良的鎮(zhèn)痛效果[10]。

地佐辛以其優(yōu)良的鎮(zhèn)痛效應(yīng)和極低的戒斷癥狀而廣泛應(yīng)用于術(shù)后鎮(zhèn)痛[10]。鎮(zhèn)痛藥的鎮(zhèn)痛效果主要來自于對κ 受體的激動作用或μ 受體的激動作用，然而傳統(tǒng)嗎啡類的鎮(zhèn)痛藥的成癮性也來自于μ 受體的激動作用。因此研究臨床用鎮(zhèn)痛藥與阿片受體的相互作用對臨床用藥指導(dǎo)和新型鎮(zhèn)痛藥的設(shè)計(jì)有參考意義[11]。本文基于分子對接技術(shù)，深入解析了地佐辛與μ 受體和κ 受體的相互作用，結(jié)果表明，地佐辛分子中的芳環(huán)結(jié)構(gòu)和9 位的堿性氨基是藥效團(tuán)，在結(jié)構(gòu)改造中應(yīng)保留。此外，基于分子對接技術(shù)預(yù)測指導(dǎo)臨床用藥的研究仍然未見報(bào)道。此外，本研究還將臨床廣泛應(yīng)用的噴他佐辛與地佐辛做了對比。結(jié)果表明，地佐辛與κ 受體的結(jié)合能力強(qiáng)于噴他佐辛與κ受體的結(jié)合能力，提示地佐辛對κ 受體有更強(qiáng)的激動作用，進(jìn)一步表明地佐辛的鎮(zhèn)痛效果應(yīng)該優(yōu)于噴他佐辛。μ 受體的相互作用模擬研究表明地佐辛對μ 受體的拮抗作用也顯著強(qiáng)于噴他佐辛，提示地佐辛的成癮性弱于噴他佐辛。

4 結(jié)論

地佐辛的鎮(zhèn)痛效果強(qiáng)于噴他佐辛，且成癮性低，更加安全有效，適合疼痛劇烈的患者。