Cell | 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

撰文 | 望夜

2022年11月22日,Cell線上發表題為Structural basis for the severe adverse of sofosbuvir and amiodarone on L-type Cavchannels的研究論文,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。

索非布韋

索非布韋(Sofosbuvir,SOF)是一款治療丙型肝炎病毒感染的特效藥,2013年獲FDA批准上市,作用靶點是丙肝病毒的RNA聚合酶NS5B蛋白。隨著在臨床上的使用,聯用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【1】。AMIO是Ca2+、Na+、K+等多種離子通道的阻斷劑。研究顯示,在人體心肌細胞中,SOF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Ca2+離子通道(LTCC)的抑制作用【2】,但該過程的分子機制尚不清楚。

LTCC,又稱二氫吡啶受體,是電壓門控Ca2+離子通道中Cav1亞家族成員【3】。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。α1亞基決定Cav的分類,包含4段重複區,每個重複含6個跨膜區段(S1-S6)。其中,S1-S4區段組成電壓感知結構域(VSD),可響應膜電勢變化發生變構;四個S5和S6區段共同構成中心通道結構域(PD),負責Ca2+選擇性通過。

Cav1現有4個成員,其中Cav1.2和Cav1.3與SOF/MNI-1和AMIO的藥物相互作用(DDI)相關【4】,而Cav1.1一直作為LTCC結構研究的代表【5】。因此,作者選取Cav1.1和Cav1.3,解析出藥物與兩種LTCC共6個冷凍電鏡結構以解釋DDI的結構基礎。

來看具體研究結果:

作者首先在體外細胞系HEK293中檢測MNI-1單獨使用及與AMIO或另兩種LTCC抑制劑聯用時的藥效學,發現僅當與AMIO同時使用時產生顯著增強的協同作用。隨後分析MNI-1對不同抑制劑的影響,發現僅AMIO與MNI-1的抑制存在增強效果,且符合協同作用。受此啟發,作者決定通過冷凍電鏡研究AMIO、MNI與LTCC的作用機制。

於是解析出兔源Cav1.1與AMIO(rCav1.1A)、AMIO和0.1mM MNI-1(rCav1.1a.m.0.1)、AMIO和1mM MNI-1(rCav1.1AM)三個複合物結構,解析度分別為2.8Å、2.8Å、3.0Å。三個結構中AMIO的密度均清晰可見。在0.1mM濃度下,MNI-1密度不連續;在1mM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。

AMIO結合位置與二氫吡啶類化合物(如硝苯地平nifedipine)相同,位於由S5III、S6III、 S6IV組成的III-IV開窗處。AMIO結合rCav1.1與硝苯地平結合rCav1.1的結構十分類似,但兩類化合物的配位模式差異明顯,前者主要與疏水氨基酸結合,後者的結合主要通過極性相互作用。

而MNI-1與AMIO同時結合rCav1.1符合孔道阻斷劑的作用模式。MNI-1正好位於選擇性過濾器的下方,由S6II延伸到S6IV,穿越中心腔體並與所有四個S6螺旋接觸。MNI-1易溶於水,濃度可達約3mM,但其結合於Cav內高度疏水的區域,這種化學上的不一致可能恰巧解釋了AMIO不存在時MNI-1無法結合PD的原因。結構分析顯示AMIO可與MNI-1直接接觸——AMIO的叔胺與MNI-1的磷酸基團間形成極性相互作用,促進其適應LTCC的PD。

此外,作者還通過結構比較,分析出MNI-1無法與其他Cav抑制劑互作的原因:硝苯地平與MNI-1的距離約7Å,無法產生直接互作;另一種抑制劑維拉帕米(verapamil)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。

接下來的問題是兩種藥物在人源LTCC中如何作用?為此作者解析出重組人源Cav1.3與AMIO(hCav1.3A)、SOF(hCav1.3F)、AMIO和SOF(hCav1.3AS)的複合物冷凍電鏡結構,解析度3.1Å-3.3Å。但hCav1.3F中未能發現SOF的密度,儘管其濃度已達到1.4mM;另兩個結構中均可觀察到藥物的密度。三個hCav1.3結構整體上與rCav1.1十分相似,將四氫呋喃上的炔基替換為氟(SOF)不會改變與LTCC的結合模式。兩種化合物在rCav1.1和hCav1.3中的配位幾乎相同,即叔胺和磷酸基團的相互作用。因此,六個Cav複合物結構共同說明一種全新的藥效學DDI機制——通過藥物間直接的特定物理相互作用,這就是AMIO與SOF/MNI-1共同作用於LTCC的分子機制。

最後,作者還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。發現相較於SOF,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AMIO產生DDI。

總之,研究人員通過系統的結構生物學分析發現一種直接的物理相互作用,使兩種不相關的藥物(抗病毒抑制劑與抗心律失常藥物)產生直接DDI,協同地作用於鈣離子通道,產生潛在的致命危害。

原文連結

原文連結:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.10.024

製版人:十一

參考文獻

1. Back, D.J. & Burger, D.M. (2015). Interaction between amiodarone and sofosbuvir-based treatment for hepatitis C virus infection: potential mechanism and lessons to be learned.Gastroenterology149, 1315–1317.

2. Lagrutta, A., et al. (2017). Cardiac drug-drug interaction between HCV-NS5B pronucleotide inhibitors and amiodarone is determined by their specific diastereochemistry.Sci. Rep.7, 44820.

3. Dolphin, A.C. (2006). A short history of voltage-gated calcium channels.Br. J. Pharmacol.147, S56–S62.

4. Lagrutta, A., et al. (2016). Interaction between amiodarone and hepatitis-C virus nucleotide inhibitors in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes and HEK-293 Cav1.2 over-expressing cells.Toxicol.Appl. Pharmacol.308, 66–76.

5. Gao, S. & Yan, N. (2021). Structural Basis of the Modulation of the VoltageGated Calcium Ion Channel Ca(v)1.1 by Dihydropyridine Compounds.Angewandte Chemie-International Edition60, 3131–3137.

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