疼痛是继心脑血管疾病、肿瘤之后的第三大健康问题，然而由于现有镇痛药存在局限性，导致临床对于疼痛治疗的缓解率不足20%，因此亟需开发出新型镇痛药物来满足临床需要。芋螺毒素是由海洋软体动物芋螺的毒腺所分泌的一系列富含二硫键的生物活性肽，能够特异性地靶向细胞膜上的不同离子通道受体，从而具有重要的药用潜力。目前已有十几种芋螺毒素被表征具有镇痛作用。于日磊课题组致力于镇痛芋螺毒素的研究，对其进行合理的结构优化，以获得具有潜在成药性的先导化合物。2024年取得了显著研究进展，在Journal of Medicinal Chemistry杂志 (中科院1区TOP，IF=6.8)发表文章3篇。
靶向α9α10 nAChR的芋螺毒素一直是镇痛领域研究的重点，在本篇文章中，于日磊课题组选择两条同源性较高、以α9α10 nAChR为靶点的芋螺毒素GeXXVIIA以及GeXIVA进行结构的优化改造，基于两者的序列截短和二硫键删减，成功设计了一个芋螺毒素类似物，命名为GeX-2。GeX-2序列全长仅含有18个氨基酸，且不包含二硫键，在合成成本上实现了大幅度优化。虽然结构简单，但GeX-2在α9α10 nAChR以及GABABR双镇痛靶点上都具有良好的活性，为其强效持久的镇痛作用提供了强大的理论支撑。随后，结合定点突变实验和计算机模拟实验，证明了GeX-2在α9α10 nAChR上的最高亲和力位点为α10(+)α10(−)，同时我们也在GABABR上表征了一个未报道过的位点-位于GABABR2亚基的顶部区域。该研究为GeX-2的分子作用机制提供了重要的见解，证明了其作为新型非阿片类镇痛剂的潜力。医药学院博士研究生李晓、卧龙岗大学的Han-shen Tae博士和陈棽博士为该研究成果并列第一作者，David J. Adams教授、于日磊教授为通讯作者。文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jmedchem.3c00979。
图1. 新型海洋来源镇痛芋螺毒素类似物Gex-2设计及作用机制总结
然而，GeX-2这种直链肽血浆稳定性通常较差，限制了其成药转化。于日磊课题组尝试将脂肪酸链/聚乙二醇链偶联至GeX-2的N端以期提高其稳定性。然而，N端的偶联导致了多肽对GABABR的活性丧失。研究者通过结合模式探究阐明了N端偶联导致多肽活性丧失的原因，并采取甲基封端的方式验证了推论的准确性。相关成果以“N-terminal capping of the αO-conotoxin analogue GeX-2 improves the serum stability and selectivity towards the human α9α10 nicotinic acetylcholine receptor”为题发表在Journal of Medicinal Chemistry上。医药学院博士研究生李晓为该研究成果第一作者，医药学院硕士研究生周升露、卧龙岗大学的Han-shen Tae博士为该文章共同作者，David J. Adams教授、于日磊教授为通讯作者。文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jmedchem.4c01758。
图2. GeX-2 N端偶联FA/PEG的稳定性/活性变化及引发活性变化的分子机制
于日磊课题组于2022年在Journal of Medicinal Chemistry发表了题为“Mechanism of Action and Structure–Activity Relationship of α-Conotoxin Mr1.1 at the Human α9α10 Nicotinic Acetylcholine Receptor”的文章，定义了α-芋螺毒素Mr1.1的新靶点—α9α10 nAChR，并设计合成了其更高活性的类似物Mr1.1[S4Dap]，Mr1.1[S4Dap]在大鼠CCI模型上表现出良好的镇痛效果。
基于这一发现，于日磊课题组继续对Mr1.1[S4Dap]进行后续研究，针对多肽普遍存在的血浆稳定性差的缺点，采用不同的化学修饰策略如二硫键替换、骨架环化、侧链环化等来进一优化其稳定性，最终发现类似物Mr1.1[S4Dap, C16Pen]具有显著提高的活性以及稳定性，可以通过静脉注射的方式发挥镇痛效果。相关成果以“Development of an Intravenously Stable Disulfide-Rich Peptide for the Treatment of Chemotherapy-Induced Neuropathic Pain”发表在Journal of Medicinal Chemistry上，将于近日见刊。医药学院已毕业硕士研究生李天苗为文章第一作者，卧龙岗大学的Han-shen Tae博士和陈棽博士为该研究成果并列第一作者，于日磊教授为通讯作者。文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jmedchem.4c00974。
图3. Mr1.1[S4Dap]的结构优化。（A）Mr1.1[S4Dap]的化学修饰策略；（B）Mr1.1[S4Dap]类似物稳定性测试；（B）Mr1.1[S4Dap, C16Pen]在乙酰胆碱受体上的活性与选择性测试；（D）[S4Dap, C16Pen]对化疗药物诱导的冷痛的镇痛活性。
以上研究由国家自然基金优秀青年基金、面上项目、国家实验室重点研发计划、中国海洋大学人才培育项目等多个项目资助。
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