现代社会压力大，生活节奏快，很多人因为工作及家庭的各种琐事，身心承受着沉重的负担，久而久之，其身体会出现不明原由的疼痛以及特殊的病理性疼痛。人们对于非成瘾性的止痛药保健需求日益增长，也是科学家们在药物开发设计领域中亟需解决的难题。其中，不会显示出令人精神成瘾的效果、具有一定缓解疼痛效果的大麻二酚（CBD）正在崭露头角，吸引着科学家们的目光。
2023 年 6 月 17 日，普林斯顿大学/深圳医学科学院颜宁及哈佛医学院 Bruce P. Bean 共同通讯在 Nature Communications 杂志发表研究论文 Cannabidiol inhibits Nav channels through two distinct binding sites，该研究展示了大麻二酚（CBD）在亚微摩尔浓度下以状态依赖的方式与 Nav1.7 通道相互作用。电生理实验表明，CBD 与失活状态的 Nav1.7 通道结合，解离常数约为 50 nM，CBD 与 Nav1.7 通道结合的低温电子显微镜结构显示了两个不同的结合位点，该结合位点的鉴定能够助力设计出与 CBD 本身相比、具有更好性能的化合物，为疼痛药物的设计和开发提供了新思路！
图片来源：Nature Communications
值得一提的是，这是颜宁团队本月第二篇关于疼痛治疗的重磅研究。6 月 3 日，颜宁团队与清华大学潘孝敬团队合作在 Nature Communications 杂志发表研究论文 Structural mapping of Nav1.7 antagonists。
Nav 通道是众所周知的天然毒素和临床应用药物靶点。该研究解析了用具有代表性化学骨架的药物（布比卡因、拉考沙胺、卡马西平、长春西汀、左旋哈氏豆属酸、维索三嗪等）和先导化合物处理过的人类Nav1.7 的高分辨率冷冻电镜结构，其分辨率高达 2.6～3.2Å。
同时将已知的配体结合位点映射到 Nav 通道的解析结构上，首次提出了一个字母编码的命名系统来描述 Nav1.7 三维空间中的可成药位点，为精准设计和开发靶向 Nav 通道的药物提供了重要基础。
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这一系列研究相互呼应、相得益彰。
颜宁教授本人也在论文上线后发表了微博，称「这两篇文章中任何一个结构都是 AI 无能为力的」。
图片来源：微博截图
研究背景
大麻二酚（CBD）是大麻中一种主要的非精神活性植物大麻素，高浓度的 CBD 可以与多种蛋白质相互作用，对治疗几种儿童癫痫有疗效，目前已获 FDA 批准，在一些动物实验和小型临床试验中，CBD 被证明可以缓解疼痛，但哪些靶点与临床作用密切相关尚不清楚。
此外，CBD 在临床上常被用于治疗其他药物无法控制的癫痫，但它仍存在着相当大的局限性，包括引起嗜睡、呕吐、腹泻和肝脏异常。这些不良影响可能反映了 CBD 结合特异性不够，因此可能影响了一些不太参与其有益作用过程的蛋白位点。
Nav1.7 是由 SCN9A 基因编码，主要定位于背根神经节神经元，被认为是疼痛治疗的重要靶点。因此，了解 CBD 在 Nav 通道上的结合位点，将有助于基于结构生物学、开发和设计针对钠通道的特异性更好的药物！
研究内容与结果
为了回答上述问题，解决大麻二酚药物的局限性，使其最大程度的扬长避短，本研究着眼于 CBD 和 Nav1.7 通道展开了深入探索。
CBD 的作用之一是抑制电压门控钠（Nav）通道，CBD 与 Nav 通道的相互作用是状态依赖性的，与通道的关闭失活状态相比，与通道的关闭静息状态结合的亲和力更高。为了研究 CBD 结合的结构基础，在裂解细胞、纯化蛋白时便加入 CBD，进而获得了 CBD 与人类 Nav1.7 通道结合的分辨率 2.8Å、低温电子显微镜结构。
研究结果显示，与 Nav1.7 通道结合的 CBD 的冷冻电镜结构揭示了两个不同的结合位点，一个位于上孔附近的 IV-I 孔中，另一个结合位点直接靠近重复序列 III 和 IV 之间的短连接体上的 Ile/Phe/Met (IFM) 基序的失活「楔形」位置，介导快速失活。
与产生失活状态的直接稳定一致，该结合位点的突变残基大大减少了 CBD 的状态依赖性结合，也就是说该结合位点的识别可以设计出比 CBD 本身性能更好的化合物。换而言之，CBD 结合位点上的残基大大降低了 CBD 的状态依赖性抑制，表明 CBD 结合稳定失活的机制非常直接。
图片来源：Nature Communications
本研究还分析了 Nav1.7 在 CBD 结合到 I-位点时的构象变化，结果显示 CBD-1 与 I 位点的结合可能不需要通过开窗移动，因为 I 位点位于孔结构域的外部，因此可以直接从脂质双分子层获得。识别 Nav1.7 通道中 CBD 的两个结合位点，有助于完善 CBD 在细胞外溶液、脂质双分子层和通道之间的运动模型。
此外，CBD 与 Nav1.7 的重复序列 IV 和 I 所包围的「开窗结合」区域，周围的环境是高度疏水的，显示为疏水表面，单点突变 V383A 和 F387A 均降低了 Nav1.7 对 CBD 的敏感性。总之，一系列生化实验，表明所有的单一和双突变的 CBD-1 结合位点大大降低 Nav1.7 的敏感性和可用性的转变，I-位点对 CBD 的快速灭活状态的稳定做出了重要贡献。
令人注意的是，CBD 的作用虽然非常有效，但也非常缓慢，需要几分钟才能接近稳定状态突变。
图片来源：Nature Communications
目前，非成瘾性止痛药在医药研究领域有着广阔的应用前景和需求，然而，由于类似离子通道缺乏精确的结构，相关靶向离子通道药物的合理设计一直是科学家们孜孜不倦探索的难题。望科学家们早日攻克疼痛难题，还人们以健康舒适生活！
本文转载自“丁香学术”
参考文献：
[1]Huang J, Fan X, Jin X, et al. Cannabidiol inhibits Nav channels through two distinct binding sites. Nat Commun. 2023;14(1):3613. Published 2023 Jun 17. doi:10.1038/s41467-023-39307-6
[2]Wu Q, Huang J, Fan X, et al. Structural mapping of Nav1.7 antagonists. Nat Commun. 2023;14(1):3224. Published 2023 Jun 3. doi:10.1038/s41467-023-38942-3
