Cell:顏寧團隊最新研究!首次破解這兩種藥物聯合使用引起致命副作用的結構基礎

丙型肝炎

丙型肝炎是原發性肝癌(HCC)發生的主要病因之一。每年,全世界範圍內 150 萬人感染丙型肝炎病毒(HCV),有 5800 萬慢性 HCV 感染者,一部分患者死於 HCV 引起的肝硬化和 HCC,丙型肝炎給全球帶來了重大的健康威脅和疾病負擔。

索非布韋(Sofosbuvir 或 Sovaldi,縮寫為 SOF)是一種治療丙型肝炎的有效藥物,其於 2013 年獲得美國食品和藥物管理局(FDA)批准。然而,據報道索非布韋(sofosbuvir)與抗心律失常藥物胺碘酮(amiodarone,AMIO)的藥物聯合使用時,可引起患者致命的心跳減慢,其作用的分子機制不明

2022 年 11 月 22 日,普林斯頓大學顏寧團隊在Cell雜誌發表研究論文Structural basis for the severe adverse interaction of sofosbuvir and amiodarone on L-type Cav channels該研究對胺碘酮或索非布韋單獨處理或索非布韋 /MNI-1(索非布韋類似物)與胺碘酮聯合處理的 Cav1.1 和 Cav1.3 進行了系統的冷凍電鏡結構分析,揭示了丙肝藥物與抗心律失常藥物聯用導致嚴重副作用的結構基礎,為臨床上有效地治療丙型肝炎提供了理論依據

圖 1:來源

圖 1:來源Cell

研究方法與內容

大量臨床治療結果顯示,聯用索非布韋(Sofosbuvir, SOF)與抗心率失常藥物胺碘酮(amiodarone,AMIO)的患者中出現嚴重的心率過緩,甚至導致過死亡病例。

AMIO 是 Ca2+、Na+、K+等多種離子通道的阻斷劑,在人體心肌細胞中,Sofosbuvir 與其類似物 MNI-1 可通過 AMIO 增強鈣處理效果並增加 AMIO 對 L 型 Ca 離子通道(LTCC)的抑制作用,但該過程的分子機制尚不清楚。因此,為有效地提高丙型肝炎病人的治療效果,了解丙肝藥物與抗心律失常藥物聯用導致嚴重副作用的結構基礎是至關重要的。

為了剖析 Cav1.2 和 Cav1.3 通道上索非布韋/MNI-1 和 AMIO 藥物相互作用的分子基礎,研究者開始著手解決補充不同藥物組合時 LTCC 的結構

LTCC,又稱二氫吡啶受體,是電壓門控 Ca 離子通道中 Cav1 亞家族成員。LTCCs 由多種亞基構成,包括核心 α1 亞基、胞外 α2δ 亞基、胞內 β 亞基,某些成員還帶有跨膜的 γ 亞基。從兔子骨骼肌中分離出的多亞基 Cav1.1 複合物,被命名為 rCav1.1,一直是各種抗高血壓藥物(如 DHP 藥物和孔阻滯劑)對 LTCC 調節進行結構分析的代表。

由於 LTCC 成員之間的序列保守性,研究者克服大量的技術障礙,首先收集了用 AMIO 或 AMIO 結合 MNI-1(簡稱 AM)處理的 rCav1.1 的冷凍電鏡資料

為了研究生理上更相關的人類 LTCC 上的藥物相互作用,研究人員通過在 HEK293 細胞中的重組表達目的蛋白,獲得了由 α1、α2δ-1 和 β3 亞基組成的人源 Cav1.3 複合物,收集了與 AMIO、索非布韋,以及 AMIO 和索非布韋共同孵育的 Cav1.3 的高質量冷凍電鏡資料

圖 2:來源

圖 2:來源Cell

研究結果

通過收集冷凍電鏡資料,研究者解析出索非布韋/MNI-1、AMIO 單獨作用,以及索非布韋、AMIO 聯合作用於兔源 Cav1.1 和人源 Cav1.3 的高解析度冷凍電鏡結構,其解析度均在 3.0Å 左右。三個結構中 AMIO 的密度均清晰可見。在 0.1 mM 濃度下,MNI-1 密度不連續;在 1 mM 濃度時,在 PD 結構域的中心空洞中可明確地重建 MNI-1 的密度。

當索非布韋或 MNI-1 單獨存在時,無論是 Cav1.1 還是 Cav1.3 通道,它們都無法與之結合;但當 AMIO 存在時,索非布韋/MNI-1 可以與 AMIO 結合,並佔據 Cav1 通道中心的空腔,從而直接阻斷了通道中的離子穿透路徑,使得 Cav 功能出現異常,表現出心跳減慢

此外,研究者通過結構比較,分析出了 MNI-1 為何與索非布韋發生相互作用,而不會與其他 Cav 抑制劑互作的原因:Cav 抑制劑硝苯地平(nifedipine)與 MNI-1 的距離約 7Å,無法產生直接互作;另一種 Cav 抑制劑維拉帕米(verapamil)則因結合位置的重疊,會與 MNI-1 產生競爭。因此上述兩種抑制劑均無法與 MNI-1 產生協同作用。

最後,研究者通過分子對接模擬其它丙肝病毒抑制劑(如 MK-3682)作用於 hCav1.3AS 的結合模式,並計算結合的自由能,評估了丙肝病毒抑制劑的療效。發現相較於索非布韋,MK-3682 產生的結構差異和結合自由能均高於前者,因此更不易結合 LTCC,說明化合物的立體化學決定了其是否可以與胺碘酮產生藥物相互作用

圖 3:來源

圖 3:來源Cell

結語

本研究首次破解藥物聯合使用的致命副作用機制。研究者通過系統的結構生物學分析發現兩種不相關的藥物——抗丙肝病毒抑制劑索非布韋與抗心律失常藥物胺碘酮,會產生直接的藥物相互作用,協同地作用於鈣離子通道,從而導致心跳過緩的致命危害。

本研究充分地展現了結構生物學對於藥物研發的作用,在藥物設計及聯合用藥策略提供了重要的結構指導,為丙型肝炎的臨床治療做出重要貢獻。

圖 4:來源

圖 4:來源Cell

題圖來源:站酷海洛

參考資料:

X. Yao, S. Gao, et al., Structural basis for the severe adverse of sofosbuvir and amiodarone on L-type Cav channels. Cell (2022). DOI: 10.1016/j.cell.2022.10.024

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