作者:吴跃伟 来源:澎湃新闻 发布时间:2021/7/30 20:47:07
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给膜蛋白照相的上海科学家:将抗抑郁药物研发带进全新时代

 

“不想活了。”“上午来开药,下午却自杀了。”遇到这样的抑郁症患者,精神科医生们也常常感到无比惋惜和无奈。

每个人一生中都可能被抑郁症困扰。全球有超过3亿名抑郁症患者。最严重时,抑郁症可引致自杀。但可供选择的快速起效的抗抑郁症药物很少,而且,通常服用数周甚至更长时间才能起效。

如何研发更好的抗抑郁症药物,更重要的是,如何研发具有中国自主知识产权的抗抑郁症原创新药?

最新公布的一个蛋白质分子的高分辨率三维结构,将人类抗抑郁症药物的研发带进全新时代——“原子分辨率层面”的理性设计时代。

来自上海的科学家带来了这些改变。人们第一次看清了快速抗抑郁药物的结合位点和几乎所有细节,并有新的发现。全球相关药物研发企业也将因此受益。

前述研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、神经科学国家重点实验室、上海脑科学与类脑研究中心竺淑佳研究组与科院上海药物研究所罗成研究组合作完成。

这是一个长达15年专注基础科研并聚焦同一个科学问题结出的硕果。

自杀的抑郁症患者

国内数以千万计的抑郁症患者,就诊率不足10%。

“正确就医或坚持服用药物并完成治疗的比例更低。”发生在身边一件事情让竺淑佳觉得必须加快研究进程:一位走过风风雨雨、人生阅历丰富的老人有一天跟儿女们说,自己心情低落、难受。儿女们很孝顺,带她去医院做了很多检查,血检、CT等等,但没有查出来问题。辗转求医的过程中,老人突然自杀了。这结局令人难以接受。“她应该去精神科就诊。”但无论是这样的认识,还是日常体检中人们对大脑功能和精神健康的重视程度,都有待进一步提高。

从抑郁焦虑状态进展到抑郁症后,患者几乎无法自行康复,而需要药物、物理、心理等治疗措施的干预。

“抑郁症是一种常见的精神疾病,人人都有可能受其困扰。如果情绪低落、兴趣丧失、精力缺乏持续2周以上,应及时就医。”这是国家卫健委官网关于防治抑郁症的核心提示之一。

来自世界卫生组织官网的信息称,全球每年有70多万人自杀。最严重时,抑郁症可引致自杀。2017年,全球有超过2.64亿各个年龄的人患有抑郁症。

央视新闻援引世界卫生组织2019年发布的数据称,全球有超过超3.5亿例抑郁症患者,中国泛抑郁人数超过9500万人,每年约有20万人因抑郁症自杀。抑郁症正在成为仅次于癌症的人类第二大杀手。

经济日报2020年援引相关数据报道称,中国抑郁症就诊率仅8.7%。超过90%的抑郁症患者没有得到有效诊断和治疗。而就诊者中,接受药物治疗的患者只占一半,接受规范化治疗的更是少之又少。

目前可供选择的快速有效的抗抑郁药物并不多。大多抗抑郁药物需要服用两三周才能起效。一位坚持服药已经两年的抑郁症患者告诉澎湃新闻,因为工作关系,他去过不同的城市就诊,但医生推荐的都是同一款进口药。服用后的副作用是轻度躁狂。

2019年3月,美国FDA批准了30年来首个新型快速抗抑郁症药物Spravato (esketamine,S-氯胺酮)鼻喷雾剂上市,用于治疗难治性抑郁症患者。它成为一款“明星药物”。

同年12月,其药物申请被欧盟委员会批准。

2020年8月,该药物的补充适应症申请被美国FDA批准,可用于治疗伴有急性自杀意念或行为的重度抑郁症患者。强生旗下杨森制药公司称,这是第一种,也是目前唯一一种已被证明可以在 24 小时内减轻抑郁症状的获批药物。

2021年2月8日,强生旗下杨森制药公司发布信息称,临床研究数据显示,首次给药4 小时后,就能出现效果。欧盟委员会授权该药物被用于治疗重度抑郁症患者。但S-氯胺酮也存在着一定的副作用,比如头晕、嗜睡、头痛、恶心等。超越S-氯胺酮这一药物是很多药企的梦想。

作为“明星药物”,S-氯胺酮在美国、欧洲已上市两年,但尚未在中国上市。

如何研发具有中国自主知识产权、快速起效、副作用更小的新型抗抑郁药物?是大海捞针,还是采取其他策略?

超越“偶然”:基础科研驱动的新药研发更高效

研发一个新药,平均要花费十年时间,耗资十亿美金,这几乎是药物研发界的共识。

为什么代价如此巨大?

“因为要对抗盲目,超越‘偶然’,”竺淑佳向澎湃新闻表示,在不知道靶点结构,不知道什么样的化学分子能结合、能起效的情况下,去筛选一款药物,无异于大海捞针,但人们只能不断地去筛、去试,去碰碰运气。这无异于大海捞针,是不得已的无奈之举。这不是基础科研驱动的新药研发之路。

人们对氯胺酮抗抑郁作用的发现,也充满了偶然性。从被发明出来,到开发成为药物,历时50多年。

1962年,氯胺酮在医学临床上被用作麻醉剂,尔后因其被滥用、致幻、成瘾等副作用,被严格管控。直到临床医生意外发现,极低剂量的氯胺酮可快速抗抑郁。

氯胺酮其实有两种手性异构体:S-氯胺酮和R-氯胺酮。药物公司挑选了其中一种。

氯胺酮被发明出来57年后,人们仍不清楚它在人类大脑相关蛋白上的结合位点和诸多细节,难以针对性地改进这一化学分子。

已经开发出其他抗抑郁药物的基础上,人们为什么“拖延”了30多年,才研发出第一个快速抗抑郁药物?

可能一开始就走了弯路。对抗抑郁症,有两种理论:一种是瞄准5-羟色胺,人们想通过提高突触间隙内5-羟色胺的水平,来缓解抑郁症状。大量药企根据这一理论开发了多种药物,但起效慢,副作用明显;现在人们开始关注NMDA受体,希望通过调控其活性,来缓解抑郁症状。

NMDA受体是一种跨膜蛋白,它由四个蛋白质亚基围在一起构成,中间留有一个可以开闭的通道。在各种内部外部的刺激下,钙离子从这个通道里流过,影响着神经元乃至大脑的生理活动。

科学家培育出的学习能力和记忆能力超群的“聪明鼠”也与NMDA受体有关。但NMDA受体功能异常,与一系列神经和精神疾病密切相关,如抑郁症、精神分裂症、帕金森病和阿尔兹海默症等。

以NMDA受体为靶子的S-氯胺酮,因为速效,成了“明星药物”。但它同样存在副作用。未来该怎么有效地改进S-氯胺酮,并延长其疗效?其他化学分子是否也具备同样甚至更好的治疗效果?

人们茫然而不得知。

灯塔在哪儿?

竺淑佳领衔团队最新发表的《自然》论文,通过电镜解析了NMDA受体的高分辨率结构,“看到”并确认了氯胺酮在NMDA受体上的结合位点。

研究团队还进一步实验确认了前述结合位点中的关键氨基酸。这解释了作为药物使用的氯胺酮为什么只结合NMDA受体而非其他蛋白:前述关键氨基酸在人类大脑的其他受体蛋白的相应位置处罕有出现。

此外,研究团队还发现了NMDA受体上多个其他的活性位点。

随着前述论文中靶点结构的解析,抗抑郁症的更多秘诀正在被揭开。基础科研驱动的新药研发更高效。

有没有比氯胺酮更有效、更低毒的抗抑郁药物?如果天然不存在,能不能设计一个或一系列这样的分子?

竺淑佳和合作者们正基于前述结构和位点信息,做这样的设计和测试。

竺淑佳解释说,虽然氯胺酮的多个衍生物已被相关公司申请专利保护,但根据结合位点的结构,我们可以尝试设计更多更匹配化学小分子;同时,目前还在NMDA受体蛋白上发现了多个其他的活性位点,有望研发新的调控策略。

此外,目前被解析的NMDA受体只是人类大脑中最主要的两种亚型,还有很多种亚型等待解析。

更有趣的是,不同亚型似乎对应着不同脑区,它们的表达丰度存在差异。大脑似乎对它们有偏好。能否开发针对不同脑区的精准治疗方案?这给人们提供了巨大的想象空间。

著名结构生物学家、中国科学院院士张明杰对前述最新成果进行评论称,竺淑佳团队的这一突破性的工作有着极其重要的科学意义和临床价值。通过这些结构信息来设计新的化合物,让这些化合物能够达到更有选择性,更有效地抑制NMDA受体的活性,而同时能降低药物类似成瘾等的副作用。

张明杰表示,除了极大地推进我们对NMDA受体工作机制的科学认知,竺淑佳实验室近年来一系列的研究也提示我们,也许可以通过多靶点来调控NMDA受体,进而取得具有更佳临床表现的治疗抑郁的药物组合。

也就是说,或许可以探索一个抗抑郁症的“鸡尾酒疗法”。

针对前述突破性成果,浙江大学医药学部主任段树民院发表评论称,竺淑佳团队及其合作者利用冷冻电镜技术解析了氯胺酮结合NMDA受体的结构,并利用分子动力学模拟找到了多个结合位点,这些重要发现对发展新的快速高效、低副作用的抗抑郁药将具有重要的指导意义。

突破瓶颈,给膜蛋白打一束光

竺淑佳和团队成员给NMDA受体膜蛋白拍了很多“照片”,直到看清它的结构细节和运作机制。

“全世界目前大概只有三个实验室能制备出这样的蛋白。”竺淑佳说,“这个领域竞争很激烈,大家都知道NMDA受体很重要,都想要知道的它的结构。”

为什么她的实验室率先取得突破?

竺淑佳认为,这可能跟长期积累有关。从2006年到2021年,15年里,她一直围绕NMDA受体开展研究工作,从最初的小鼠表型,到该受体分子的功能,到其分子结构和机制,研究越来越深入,焦点始终没变——NMDA受体的功能、结构、分子机制。“这个分子,我计划研究一辈子。”

“NMDA受体的分子很大,是膜蛋白,很动态,结晶的方法解析不了,所以只能用冷冻电镜的方法。”在她的讲述里,冷冻电镜方法像是站在一个人身旁,从前后左右、上上下下等各个角度,向这个人打一束光,然后拍下影子,最终根据这些影子,还原出这个人的容貌。实验难度巨大,但在理论和实践层面,都已验证其可行性。

在实际的实验操作中,研究人员不可能站在这个“人”的所有角度来打一束光。一个替代的解决方案是,只从一个角度打光,但拍一群“人”的影子,但要求这群“人”长得一模一样。

他们拍的“人”实际上是NMDA受体——四个蛋白亚基围成一个大通道的巨大蛋白。而难度在于制备出这样的完整的、稳定的、均一的蛋白。

竺淑佳说,冷冻电镜实验的后半程几乎可以自动化,但实验开始的蛋白制备环节却是绕不过去的难题。她和实验室成员花了两年时间终于突破了这一瓶颈。

团队成员、论文第一作者张友谊告诉澎湃新闻,冷冻电镜对蛋白样品制备的要求比较高,特别是这种需要看到小分子结构的研究。之前也用其他条件解析过结构,但是都没能看清小分子的电子云密度图在哪儿。“我们花了2年的时间在摸索蛋白制样的条件,不断的试错和优化,最终确定了一个比较好的条件。也很幸运,最后在解析的结构中看到了小分子的电子云密度图。”

在试验中碰到的困难不只这一个。

论文评审的最后阶段,一位审稿人提出,应该用同位素标记的氯胺酮来做结合实验。

但全世界都没有这样的试剂。

除了与主编沟通外,竺淑佳提出了替代性实验方案:用同位素标记的另一种竞争性抑制剂作为替代品,与氯胺酮竞争结合NMDA受体,最终通过计算放射性的残留量的变化,来验证氯胺酮的结合。

两位研究生临时放弃了“五一”假期的休假,完成了前述实验。这让竺淑佳印象深刻。

她说,做科研不是朝九晚五的事,需要更多投入。

在写前述两篇论文时,她把咿呀学语的孩子放在母亲家里三个月,请母亲帮忙带孩子,自己专心写完了论文。“我知道,全世界都在做这个分子的结构,美国的实验室也在做。我们得把握住知识自主权。”

但她不希望研究生每个周末都在实验室。与此相比,更需要的是高效率。

竺淑佳2021年被评选为科院脑智卓越中心优秀党支部书记、上海市科技系统优秀党员科院上海分院优秀党员,她还很热衷于科普教育。

她说,当一个人有了一定的知识储备,并决定走科研之路时,重要的是,得找到自己感兴趣的那个科学问题。它是你遇到很多挫折、遇到很多困难时,仍然不会放弃的原因。

15年前的交集:遇到研究一生的课题和学术自由探索的港湾

15年前,“误打误撞”走上科研之路时,竺淑佳没想到一下子就碰上可以研究一辈子的科学问题。

15年后,硕果在上海结出。

2021年6月和7月,在短短两个月的时间里,竺淑佳带领的团队先后在国际学术期刊《神经元》(Neuron)和《自然》上发表重要研究论文,解析了NMDA受体高分辨率结构,发现多个重要的结合位点。

2006年,竺淑佳入学华东师范大学,攻读硕士研究生学位。在这里她接受了最初的神经生物学训练。她研究的课题与人类大脑学习与记忆的分子开关——NMDA受体有关。

硕士研究毕业后,竺淑佳前往法国巴黎高等师范学院攻读神经生物学博士学位,继续研究NMDA受体的功能;她的博士论文得到法国最高论文等级评定“Très honorable”;2013-2014年,继续在法国巴黎高师从事博士后研究;2014-2016年,为了全方位研究NMDA受体,“补结构生物学的短板”,她前往美国Vollum研究所从事博士后研究工作。

2016年,她回国,加入中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所),担任研究组组长、研究员、博士生导师。

做的是结构生物学研究,为什么选择了神经科学研究所?

竺淑佳解释说,无论是抑郁症,还是NMDA受体的功能和机制研究,归根结底,都属于神经生物学研究领域。结构生物学只是她实验室研究NMDA受体的诸多方法之一。在解析分子结构后,无论是动物行为学实验,还是电生理实验,还是神经环路相关研究,这都是神经科学研究所擅长的,在这里,她能找到很多合适的合作团队。

“更重要的是,这里是一个学术自由探索的港湾。”竺淑佳说,在蒲慕明院士长期的倡导下,神经科学研究所成功营造了一种这样的氛围。虽然研究人员面临的国际考核评审的压力很大,但平常,他们很少受到干扰。她有足够的时间专心做科研,和学生们交流,她很喜欢这样的环境。

蒲慕明院士告诉澎湃新闻,“我们看重的是一个优秀的科学家对神经科学的根本问题感兴趣。神经科学研究采用的研究方法是多学科交叉的。她认为,她在神经科学研究所会得到好的环境来研究NMDA受体的结构、功能和生物学意义。我认为她的选择是对的。”

竺淑佳团队成员宋楠说,三个月前,在刚得知论文被接收那一刻,竺淑佳跟实验室的成员说了一番话:她很开心,论文终于能发表了;但她又非常难过,因为一位认识的人得了抑郁症要自杀……我们的研究方向就跟抑郁症相关,但我们还没真正帮到这些患者。“研究不是为了发表一篇两篇论文,而是解决科学问题,帮助更多人。”

对细节的洞察有望孵化出更多创新。

 
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