海南产芋螺毒素在疼痛与成瘾治疗中的应用前景

摘要

芋螺毒素(conotoxin,conopeptide,CTX)是热带海洋软体动物芋螺分泌的一类用于麻醉猎物的神经毒素肽,是当今国际生物药物研究的热点,被誉为海洋药物宝库,已跃居动物神经毒素研究的首位。其结构新颖,多样性高,活性强,选择性高,能区分各种离子通道的不同亚型,广泛应用于神经药理学的研究、及作为诊断试剂与治疗药物。不同芋螺种类的毒素互不相同,且同一种类不同个体之间的毒素成份及其活性也差异很大,特别是对神经系统疾病有非常重要的研究与诊断治疗作用。在我国,芋螺是海南特有的药用海洋生物资源,其毒素具有特异结合动物体内各种离子通道受体的特殊功能,在镇痛和戒烟戒毒,以及治疗帕金森症、精神病等重大疾病方面具有极好的应用前景。芋螺毒素大多是由7～50个氨基酸残基组成的、富含半胱氨酸(Cys)的神经肽毒素。芋螺毒素按其前体蛋白的内质网信号肽序列的相似性,以及半胱氨酸模式,分为不同的基因家族,至今,所有已知的芋螺毒素可分为17个超家族,分别为A,C,D,S,M,I1,I2,I3,J,L,O1,O2,O3,P,T,V,Y。按其受体靶位可分为α,ω,μ,δ等多种药理学家族。每个超家族根据受体靶类型,又可分为α,αA,κA(A-超家族),ω,δ,κ,μO(O-超家族),μ,ψ,κM(M-超家族)等家族(亚型)。其中的α-家族类芋螺毒素(α*-CTX)特异阻断哺乳动物的烟碱乙酰胆碱受体(nAChRs)。nAChRs是动物界普遍存在的具有重要生理作用和临床研究意义的离子通道型受体,其介导众多中枢和外周神经系统的生理功能,包括学习、记忆、应答、镇痛和运动控制等。nAChRs激活多巴胺、去甲肾上腺素、五羟色胺、γ-氨基丁酸等多种神经递质的释放。已证实nAChRs是筛选诊断和治疗一大类重要疾病药物的关键靶点,这些疾病包括成瘾、疼痛、癌症、智障、帕金森症、精神病、抑郁、重症肌无力等疑难杂症。至今对于上述疾病还没有对症治疗的药物。常用的非选择性的nAChRs激动剂如烟碱,虽然可以缓解上述神经疾病的症状,但它们对心脏和胃肠道产生强烈的副作用,且有成瘾性。因此,开发针对nAChRs各种亚型具有高选择性的配体药物是治疗上述疾病的关键所在。研究表明,α9α10 nAChR是治疗神经痛、癌症化疗、乳腺癌、肺癌、伤口愈合等的新靶点;阻断脊髓神经上的α3β2nAChR,通过抑制C-纤维释放谷氨酸进行疼痛信号的传递,可产生镇痛效应。α9α10 nAChR阻断剂具有治疗神经痛和加速受伤神经恢复的功能。角化细胞上的α9α10 nAChR在伤口愈合的病理生理学过程中起着很重要的作用。α9nAChR亚基在乳腺癌组织中过表达。α9亚基变体影响支气管细胞的转化与增殖,该亚基在乳腺癌与肺癌的治疗中具有非常重要的意义。表达在多巴胺能神经元上的α6β2*-nAChRs能被内源乙酰胆碱(Ach)或外源烟碱(尼古丁)及其类似物激活,也就是说,α6β2*-nAChRs的激活在中枢神经系统的胆碱能信息传递通路中起着至关重要的作用,包括运动行为以及药物成瘾的调节。阻断含有α6β2*的nAChRs可有效防止烟瘾、可卡因和吗啡毒瘾的发作,显著抑制吸烟和吸毒的欲望,预示α-芋螺毒素在戒烟、戒毒新药的研发领域具有巨大的潜力。能治疗成瘾的α-芋螺毒素的预期经济和社会效益无可限量。已证实α6/α3β2β3 nAChR是烟碱和其他药物,如可卡因和吗啡等成瘾治疗的新靶点。另外,阻断α3β4 nAChRs可有效减少鸦片与其他刺激物的自身给药欲望和行为。α3β4 nAChR基因敲除的小鼠明显减少烟瘾的发作。因此,α6/α3β2β3与α3β4 nAChRs阻断剂在戒烟戒毒新药的研发领域具有非常重要的价值。我们从海南产芋螺中研究发现了5个特异阻断nAChRs的新颖芋螺毒素及其突变体,分别是αB-CTX VxⅩⅩⅢA,αO-CTX GeⅩⅣA,3个α-CTXs LvⅠA,Txd4和TxIC突变体。其中,αB-CTX VxⅩⅩⅢA来自菖蒲芋螺(Conus vexil-lum),是我们首次发现的一个新超家族芋螺毒素,其半胱氨酸模式和信号肽、以及前肽的组成区域均与以往发现的芋螺毒素完全不同,我们将之定名为B-超家族芋螺毒素,第23种(ⅩⅩⅢ)半胱氨酸模式(4个Cys)的第一个毒素肽。含有40个氨基酸的αB-CTX VxⅩⅩⅢA的前体肽只含有信号肽和成熟肽,而没有其他已知超家族普遍含有的前肽区部分。我们成功合成了αB-CTX VxⅩⅩⅢA的3种可能的异构体,经活性检测发现,αB-CTX VxⅩⅩⅢA是α9α10 nAChR的特异阻断剂。来自将军芋螺(C.generalis)的新芋螺毒素αO-CTX GeⅪⅤA,与O-超家族芋螺毒素前体蛋白信号肽具有很高的同源性,αO-CTX GeⅪⅤA前体由信号肽、前肽和成熟肽3部分组成,推导的含有28个氨基酸的成熟肽含有与J-超家族芋螺毒素相同的半胱氨酸模式。高浓度的αO-CTX GeⅪⅤA既是nAChRs的阻断剂,也是NMDA受体〔N-methyl-D-aspar-tic acid receptor(NMDAR)〕的阻断剂,低浓度的αO-CTX GeⅪⅤA对α9α10 nAChR具有很好的选择性和最强的生物活性,其半阻断剂量(IC50)仅为4.6 nmol·L-1。系统研究了αO-CTX GeⅪⅤA对18个α9α10 nAChR与配体结合界面的关键氨基酸突变型的阻断活性,以及确定结合部位的竞争性试验。3个新的α-芋螺毒素(α-CTX)属于A-超家族芋螺毒素成员,分别是来自疣缟芋螺(Conus lividus)的LvIA,来自织锦芋螺(C.textile)的Txd4与TxIC突变体。它们对相应的nAChRs亚型具有极好的选择性和很强的生物活性。α-CTXLvIA特异阻断α3β4 nAChR,其半阻断剂量(IC50)为12.5nmol·L-1;α-CTX Txd4特异阻断α6/α3β2β3 nAChR,其半阻断剂量(IC50)为28 nmol·L-1;α-CTX TxIC突变体特异阻断α3β2 nAChR,其半阻断剂量为14.5 nmol·L-1。这些新的海南产α-家族类芋螺毒素的作用靶点清楚,活性强,选择性高,是开发镇痛和戒烟戒毒等新药的原创先导药物,蕴涵着巨大的经济价值和社会效益。