尼古丁的药物转化研究进展

李宏源，王昆淼，夭建华，刘志华，朱海洲，王晓辉

（1.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南省烟草化学重点实验室，云南 昆明 650202；2.中国科学院长春应用化学研究所化学生物学实验室，吉林 长春 130022）

吸烟过程中会产生大量的化学物质，其中大部分化学物质会对生命健康产生危害。尼古丁（1）是造成吸烟成瘾的主要物质。尼古丁于1828年从烟草中被分离，其结构于1893年被德国化学家Adolf Pinner和Richard Wolffenstein确定，其全合成于1904年由德国化学家Amé Pictet和A. Rotschy首次报道。需要指出的是，尼古丁具有良好的血脑屏障透过能力，吸入后10 ～20 s就能进入大脑；其代谢消除的半衰期为1～2 h[1]。尼古丁的主要活性代谢成瘾产物可替宁（2）在体内消除的半衰期为18～20 h[2]，因此，尼古丁的某些精神活性作用可能通过其长效代谢产物可替宁介导。

近年来精神活性物质的药物转化研究方兴未艾。例如，麦角酸酰二乙胺（lysergic acid diethylamide，LSD）和氯胺酮（俗称K粉）对抑郁症治疗有非常好的效果[3-4]；二亚甲基双氧安非他明（3，4-methylenedioxy-N-methylamphetamine，MDMA，“ 摇 头 丸” 的 主 要成分）被用于治疗创伤后综合征（post-traumatic stress disorder，PTSD）[5]；美国FDA批准了大麻提取物大麻二酚（cannabidiol，CBD，商品名：Epidiolex）治疗难治性儿童癫痫，同时Epidiolex也可用于治疗结节性硬化症和兰诺克斯综合征[6-8]；四氢大麻酚（dronabinol，THC，商品名：Marinol）可缓解艾滋病患者接受化疗后产生的极度恶心感和急剧消瘦症状[9]。本文将综述烟草中成瘾精神活性物质尼古丁的神经化学生物学研究及其作为精神活性物质在近年的转化应用研究进展。

1 尼古丁成瘾的研究

尼古丁是导致吸烟成瘾的精神活性物质，其令人产生一定的愉悦感，并通过减轻压力和焦虑的方式使人成瘾。吸烟者可以通过尼古丁调节自身的兴奋程度，戒烟则会引起易怒、烦躁、郁闷及坐立不安等行为[10]。

研究表明：尼古丁在哺乳动物中的作用受体为烟碱样乙酰胆碱受体（nicotinic acetylcholine receptors，nAChRs），该受体是一类配体门控的离子通道蛋白，每个受体由5个亚基组成跨膜结构域[11]。哺乳动物大脑中 nAChRs存在 9种 α亚基（α2 ～ α10）和 3种 β亚基（β2 ～ β4）；在神经细胞中，该受体可以由相同的α7、α8、α9或α10亚基构成同源五聚体，也可由不同的 α2 ～ α6、β2 ～ β4 中的单体亚基组合构成异源五聚体。表达最多的α4β2亚型nAChRs是尼古丁主要依赖的受体。每个亚基的N端连接亲水的胞外配体结合域。人类α4β2亚型nAChRs于2016年10月由美国德州大学西南医学中心的Hibbs课题组解析[12]。该结构由2个α4亚基和 3 个 β2亚基按 α-β-β-α-β的顺序组成异源五聚体；与该受体一同解析出的还有分别位于2个α-β亚基界面的尼古丁和位于离子通道内的钠离子（见图1）。据此推断，nAChRs的胞外配体结合域在识别尼古丁后，被尼古丁激活导致跨膜域的离子通道打开，引起阳离子内流，从而将信号由膜外传递至膜内。

图 1 尼古丁结合的人类α4β2烟碱样乙酰胆碱受体结构（PDB: 5KXI）Figure 1 The structure of nicotine bound human α4β2 nicotinic acetylcholine receptor (PDB: 5KXI)

在吸烟过程中，尼古丁首先会随着烟雾进入到肺部，随后快速通过肺静脉的血液循环进入心脏，然后通过动脉血液循环直达大脑，结合和激活nAChRs，从而在中脑边缘区、纹状体及前额皮层处促进多巴胺的释放。这是尼古丁成瘾的神经生物学环路机制。

在长期吸烟的过程中，尼古丁会结合α4β2受体并导致受体的脱敏化，从而使人感到焦虑和不安，这种生理的波动促使人们通过吸烟摄取更多的尼古丁激活奖赏机制以摆脱这种不利的状态[13]。进一步研究表明：这种负面状态的产生是由于尼古丁受体的脱敏化导致促肾上腺皮质激素释放因子（corticotropin-releasing factor，CRF）的释放所致。CRF增加促使自身与受体CRF1结合，从而激活CRF-CRF1受体系统并产生焦虑不安的生理状态[14]。

综上，在尼古丁成瘾的过程中，尼古丁激活nAChRs，释放多巴胺，导致奖赏和成瘾；另一方面尼古丁的长时间结合和激活导致nAChRs的脱敏化及CRF-CRF1受体系统的形成，从而进一步增强机体对尼古丁的依赖（见图2）。

2 尼古丁转化研究

随着对尼古丁的神经系统调控作用研究的不断深入，近年来研究发现尼古丁虽然对健康不利，但其具有巨大的药物转化应用潜力。例如针对炎症、疼痛及神经退行性疾病等的流行病学数据统计表明，吸烟者的患病率明显低于非吸烟者[15-16]。

2.1 尼古丁与炎症

炎症是一种重要的基础生理过程，除了具有保护生命个体作用外，还是许多疾病的主要诱因。引起炎症的因素有很多，如细菌、病毒等生物性因子；高温、低温等物理性因子及多种化学性因子等。某些因子如细菌可以引起败血症或脓血症等危及生命的急性炎症反应。此外，慢性炎症反应也会给生命健康带来严重危害。

在炎症进程中存在多种调控机制，其中调节外周系统炎症反应的副交感神经系统被称为“胆碱能抗炎通路”，是机体调节自身先天免疫反应抑制系统炎症的主要机制之一。该通路的作用机制如下：当炎症产生时，下丘脑收集的炎症信号通过迷走神经传出外周系统，通过释放神经递质乙酰胆碱作用于细胞表面的α7受体进而抑制炎症反应[17]。

图 2 尼古丁成瘾的分子机制Figure 2 The molecular mechanism of nicotine addiction

尼古丁作为乙酰胆碱类似物，能够抑制多种外源刺激诱发的炎症。在炎症过程中，尼古丁可通过结合α7受体对炎症反应进行干预[18]。它与免疫细胞的α7受体结合后通过激活下游信号级联反应，可以抑制 Toll样受体（Toll-like receptors，TLRs）诱导的核转录因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）活性，从而抑制炎性因子的表达[17]。研究表明：通过加入外源的尼古丁释放乙酰胆碱的方式刺激α7受体时，脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）诱导的巨噬细胞释放肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的量将显著降低[17]。同时，在小胶质细胞中，α7受体通路可以通过抑制p38-促分裂素原活化蛋白激酶（p38-mitogen activated protein kinases, p38-MAPK）和P44的磷酸化进而降低TNF-α的水平[18]。这些结果都表明α7受体是尼古丁发挥抗炎作用的重要蛋白受体分子（见图3）。

溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）是一种病因尚不明确的结肠和直肠慢性非特异性炎症性疾病，严重影响了人们的身体健康。然而，研究发现UC患者中，吸烟者的患病比例却非常低[19]。研究显示：UC发病机制中伴随着α7受体等胆碱能抗炎通路的激活，而尼古丁恰好可以通过激活α7受体的抗炎作用对该疾病具有一定的治疗及预防作用[20]。此外，尼古丁治疗UC的作用还体现在其可以通过增加结肠黏液屏障的生成及减少结肠血流量发挥作用[21]。骨性关节炎（osteoarthritis，OA）是另一种病因机制尚不清楚的炎症性疾病。炎性细胞因子在OA的发生、发展中具有重要的作用，吸烟人群中OA发生率较低的原因同样是基于尼古丁的抗炎作用[22-23]；此外，在细菌引起的败血症或脓血症急性炎症中，由于细菌入侵了血液循环导致巨噬细胞等免疫细胞的过度激活，产生了大量的炎性细胞因子并造成了自身组织及器官的损伤，在这一过程中，尼古丁通过抑制巨噬细胞的活性进而能减轻败血症的不良作用[24-25]。

综上，尼古丁的抗炎作用对于治疗炎症性相关疾病具有潜在的临床意义，为开发尼古丁类似物的抗炎药物奠定了基础。

图 3 尼古丁抑制炎症的分子机制Figure 3 The molecular mechanism of anti-inflammatory effects of nicotine

2.2 尼古丁与疼痛

疼痛是机体内部的一种伤害性感受，也是人体的防御性保护机制。长期剧烈的疼痛会给人们带来身体和心理上的折磨，也会引发各种临床疾病。

疼痛的发生与炎性反应之间存在密切的关联。神经病理性疼痛由躯体感觉神经系统的损伤或疾病直接导致，属于一种慢性疼痛。病理条件下，如炎性反应、病毒或细菌感染时，小胶质细胞会被快速激活，细胞内的钙离子浓度升高，激活p38-MAPK和NF-κB，从而调节多种炎性因子的合成和释放[26-27]，并参与炎症及持续疼痛状态的发生。在上述过程中，乙酰胆碱受体发挥了重要的作用。研究表明有多种乙酰胆碱受体亚型参与了疼痛的发生，其中包括α4β2、α7及α5受体[28-29]。目前，存在大量关于乙酰胆碱受体激动剂对于镇痛作用的研究[28]。例如，地棘蛙素（3）是一种非选择性乙酰胆碱受体激动剂，其可以激活多种乙酰胆碱受体亚型和神经肌肉受体。在小鼠的疼痛模型中，地棘蛙素的镇痛作用与作用于阿片受体的传统镇痛剂吗啡相当[30-31]。但是，该激动剂的受体非选择性不可避免地造成了多种副作用，故而限制了其临床应用[32]。尽管如此，这些受体依然是目前研发治疗疼痛的药物靶点，如地棘蛙素类似物ABT-594（4）也是α4β2受体的完全激动剂，其可以参与nAChRs介导的多种神经递质的释放发挥较强的镇痛作用[33-34]。此外，胆碱作为α7受体的激动剂，在啮齿目动物疼痛模型中具有良好的镇痛作用[35]。以上证据证实了乙酰胆碱类受体在疼痛的发生和治疗过程中发挥了十分重要的作用。尼古丁可以通过结合乙酰胆碱类受体发挥抗炎作用，其可以通过作用于小胶质细胞上的α7受体抑制p38-MAPK信号通路进而对炎症反应进行干预[18]。早期研究中，人们发现利用显微注射的方式将尼古丁注入脑干的不同区域可以产生镇痛作用[36]。最新研究表明，尼古丁主要通过作用于α4β2和α5受体发挥镇痛作用[29,37]。此外，尼古丁还可以通过α7受体抑制mTORC1信号通路进而减轻对疼痛敏感作用[14]。综上，尼古丁可以通过结合乙酰胆碱受体进而减缓疼痛。因此，利用尼古丁开发新的治疗疼痛药物具有可行性，难点在于需实现尼古丁的可控精准给药，从而避免其成瘾的副作用。

2.3 尼古丁与神经退行性疾病

神经退行性疾病是一类蛋白错误折叠的脑部疾病。蛋白错误折叠聚集体[如β-淀粉样蛋白（β-amyloid peptide，Aβ）聚集体、α-突触核蛋白（α-synuclein）聚集体]作为危险相关分子模式（damage associated molecular patterns，DAMPs），被中枢神经系统的免疫细胞（如小胶质细胞）的天然免疫模式识别受体（如TLRs）识别，导致天然免疫通路活化，产生炎症因子。神经炎症环境会诱导神经元死亡，死亡的神经元会释放细胞内容物，其中的DAMPs进一步活化中枢神经系统的免疫细胞，产生更多的炎症因子，从而形成一种恶性循环，促进神经元的死亡和神经退行性疾病的进展。因此，阻断神经炎症是治疗神经退行性疾病的可行策略。同时，神经退行性疾病的一个重要特征是神经递质缺乏及神经信号传递失常。尼古丁的结构与神经递质乙酰胆碱非常相似，能在神经免疫调节中模仿乙酰胆碱的作用，具有抑制炎症的作用[38]。同时由于尼古丁具有良好的血脑屏障透过能力，因此其很可能对神经退行性疾病的发展有抑制作用。这与流行病学调查发现吻合：吸烟人群中神经退行性疾病的发生比例远低于不吸烟的人群[39-40]。

2.3.1 尼古丁与阿尔茨海默病阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是一种以记忆力和认知能力下降为主要特征的神经退行性疾病。AD主要的病理特征表现为细胞内Tau蛋白的积累及细胞外淀粉样肽的聚集[41]。普遍认为Aβ的积累在加速AD进展中具有重要的作用。在AD患者的大脑中发现了Aβ的积累及小胶质细胞的活化，这是造成神经元的死亡原因[42]。

nAChRs与AD的发展进程有着重要的联系。在疾病的早期阶段会存在nAChRs减少的现象，主要是α4β2和α7受体减少，最终导致神经元的死亡[43]。在AD患者的大脑中，nAChRs的数目明显变少，丁酰胆碱酯酶（BuChE）活性升高，乙酰胆碱也减少[44]。BuChE和乙酰胆碱酯酶（AChE）可以通过抑制神经递质的传递终止乙酰胆碱的信号通路，进而使乙酰胆碱失活，这些发现是BuChE和AChE成为治疗AD的药物靶点的重要依据[45]。目前治疗AD的药物主要是针对AChE的抑制剂，如rivastigmine（5）、galantamine（6）和donepezil（7）[46-47]，但这类药物对AD症状改善效果有限。与AChE抑制剂不同的是，尼古丁结合和活化nAChRs，通过抑制神经炎症，从而对抗AD进程，保护神经元[48]和改善AD患者的认知水平[49]。研究发现，nAChRs拮抗剂可阻遏尼古丁对Aβ诱导的神经损害的保护作用[50]，这进一步表明nAChRs参与AD的发展。

此外，研究发现尼古丁能促使nAChRs在大脑中和人工培养的细胞中的表达增高[51]，并且这种作用具有时间依赖性。通过尼古丁刺激人神经母细胞瘤细胞系SH-SY5Y或小鼠的BC3H-1细胞系，可以观察到nAChRs表达上调[52]，该过程由环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophophate，cAMP）和蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）所介导[53]。尼古丁长期的刺激会增加α4β2受体的表达，α4β2受体拮抗剂可消除尼古丁的神经元保护作用[48]。因此，尼古丁可能通过上调AD患者中nAChRs表达和激活nAChRs进而缓解Aβ造成的神经炎症毒性从而达到预防和治疗AD的作用。

2.3.2 尼古丁与帕金森病帕金森（Parkinson's disease，PD）是一种与年龄有关的神经退行性疾病。其特点是神经细胞内出现路易小体（Lewy bodies）蛋白聚集体；α-突触核蛋白是路易小体的主要聚集蛋白。PD发病过程中，中脑黑质多巴胺能神经元变性死亡，由此而引起纹状体多巴胺含量显著性减少而致病，导致震颤、强直、运动迟缓，甚至痴呆[54]。需要指出的是，目前尚无治愈这种疾病的方法，只能通过相应的药物缓解疾病的症状。

遗传相关分析发现，PD发病年龄与尼古丁依赖的易感性基因CHRNA5的多态性存在显著的交互作用[55]。流行病学研究发现，吸烟人群的PD发生率低于不吸烟的人群，吸烟使PD的患病风险降低了40% ～ 50%[56]。同时，在烟雾暴露环境下的从未吸烟的人群中，患PD的概率也显著降低[57-59]。此外，吸烟和患PD的概率不仅呈现剂量依赖关系，还存在一定的时间依赖关系[59]。烟龄越长且戒烟时年龄越大的个体，患PD的风险越低；在吸烟与PD患病风险指数中，与吸烟量的多少相比，吸烟时间的长短对降低患PD的风险更加重要[60]。同时，嚼烟和鼻烟等无烟烟草的使用也会降低患PD的风险[61]。这些研究都说明了尼古丁具有预防及治疗PD的转化应用潜力。

纹状体中烟碱或胆碱系统与多巴胺神经递质能系统密切关联，这是尼古丁治疗PD的生物基础[62]。尼古丁通过nAChRs，调节多巴胺能系统介导的纹状体活动[63]。尼古丁可以有效地保护由四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）引起的纹状体损伤，并改善PD模型动物的运动功能[64]。左旋多巴可以减轻PD轻度患者的症状，给接受左旋多巴注射后的PD模型大鼠使用尼古丁依然可以减少大鼠的50%以上的运动障碍[65]。这些结果支持尼古丁具有改善PD症状的潜力。除了模拟乙酰胆碱的神经免疫调节作用，尼古丁也可能通过改变肠道微生物组成，降低肠道炎症反应，减少肠神经的α-突触核蛋白的错误折叠聚集体，降低其向中枢神经系统的扩散，从而减少罹患PD的风险[66]。

3 结语

尽管尼古丁是烟草成瘾的罪魁祸首，但是尼古丁对中枢神经系统具有广泛的作用，如增强记忆力，调节神经递质和神经营养因子的释放进而抑制神经细胞凋亡。此外，尼古丁还可以通过调控中枢神经系统和外周系统中的炎症通路来影响许多病理过程，而且尼古丁对细菌和病毒引起的炎症有显著的抑制作用。在中枢神经系统中，尼古丁能够干扰AD和PD的发生和发展。尽管流行病学研究及大量的研究表明，尼古丁对于神经退行性疾病具有良好的治疗或预防作用，但是尼古丁究竟如何调节神经炎症通路和干扰神经退行性疾病的进展并不完全清楚。除了传统的尼古丁乙酰胆碱受体，笔者推测尼古丁作为异源物很可能被天然免疫模式识别受体直接识别从而直接参与调控炎症。深入了解尼古丁的免疫调节机制有利于发挥其有益的治疗或预防作用，同时避免其局限性，如成瘾及心血管疾病等副作用，这将为其潜在的临床转化应用提供重要的理论依据，因而具有重要意义。