基于分子对接技术解析地佐辛与阿片受体相互作用

俞欣欣 张 磊 范 皓

地佐辛（Dezocine）是一种已广泛应用于术后镇痛的苯吗喃类合成镇痛药[1]。镇痛药主要通过结合阿片受体（Opioid receptor）而发挥镇痛效应。阿片受体主要有μ、κ 和σ 三种亚型，σ 受体为内源性配体结合受体，因此不作为镇痛药的作用靶点。传统的吗啡类镇痛药主要通过激动μ 受体发挥镇痛效应，然而其强成瘾性也正是来源于对μ 受体的激动作用，这限制了吗啡类镇痛药的广泛临床应用[2]。与吗啡类镇痛药不同的是，地佐辛一方面激动κ 受体发挥镇痛效应，另一方面能够拮抗μ 受体从而不产生戒断症状，因此地佐辛已广泛应用于术后麻醉。此外，另一种苯吗喃类合成镇痛药喷他佐辛也是一种κ 受体激动剂，μ 受体拮抗剂，也用于麻醉术后镇痛[3]。分析镇痛药与阿片受体的相互作用，对于镇痛药作用机制研究、新型镇痛药物的设计以及指导临床用药有显著意义。本文基于分子对接技术研究地佐辛与μ 受体和κ 受体的相互作用，从结构上分析地佐辛与喷他佐辛两种镇痛药物对于κ 受体激动性能的比较及μ 受体拮抗性能比较。

1 材料与方法

1.1 初始结构的构建与获得 μ 阿片受体（蛋白数据库代码Protein Data Bank，PDB：4DKL）和κ 阿片受体（PDB 代码：4DJH）的晶体结构来源于PDB（http://www.rcsb.org/）数据库[4]，使用分子结构模拟（https://www.3dsbiovia.com/products/collaborative-science/biovia-discovery-studio）（Discovery Studio 4.5）分别删除上述阿片受体晶体结构中的配体分子、结晶水分子和其他离子。地佐辛的三维分子结构通过Discovery Studio 4.5 构建。

1.2 分子对接 我们使用拉马克遗传算法，通过分子对接（Autodock 4.2）程序包（http://autodock.scripps.edu/author/morris）将地佐辛分别与μ 阿片受体和κ阿片受体进行分子对接[5]。在此分子对接过程中，受体分子通过添加极性氢原子和科尔曼（Kollman）电荷优化结构，地佐辛分子则通过添加加斯泰格尔-马尔西利（Gasteiger-Marsili）电荷优化[6-7]。Autodock 程序生成的格点盒子大小设为40A×40A×40A，间隔为0.375A，格点盒子的中心已知配体的结合位点[4]。运行Autodock 程序执行分子对接，最后从对接得到的结合构象中选取最大簇且结合体系能量最低的构象为最优结合构象，用于之后的相互作用分析。

1.3 相互作用分析 我们采用三维分子模拟软件Pymol（https://pymol.org/2/）构建了结合构象中距离地佐辛分子5A 以内的氨基酸残基所构成的结合口袋，同时复合物的表面模型也由Pymol 构建[8]。运用Discovery Studio 4.5 解析了结合构象中地佐辛分子与阿片受体之间的非键相互作用，同时计算了构成结合口袋的各个氨基酸残基与地佐辛分子的距离。最优的前10 种构象的结合能以及抑制常数由Autodock 4.2 计算导出。

2 结果

经过分子对接技术将地佐辛分子分别与μ 受体和κ 受体对接之后，地佐辛分子与这两种阿片受体的最优结合口袋（见插页图1）。对于μ 受体，地佐辛分子位于由Q124、D147、Y148、N150、M151、V236、W293、I296、H297、V300、I322、G325、Y326 组成的活性对接口袋之中；对于κ 受体，地佐辛分子则位于由D138、Y139、M142、K227、V230、F231、W287、I290、H291、I292、I294、L295、Y312、I316 组成的活性对接口袋之中。其中，μ 受体和κ 受体都与地佐辛分子的氨基基团形成氢键，但同时地佐辛分子苯环上的羟基基团能与κ 受体结合口袋中的H291 残基形成氢键。

2.1 地佐辛分子与μ 受体的相互作用 计算机模拟结果表明，μ 受体中的Asp147、Met151、Trp293、Ile296、Tyr326 是地佐辛结合μ 受体并发挥药理效应的关键位点。地佐辛分子结构中的苯环和9 位的氨基基团是与μ 受体结合的关键片段，结合口袋中的平坦区域能够供地佐辛分子中的苯环适应形成基于大π 键的非键相互作用，而其氨基基团则与口袋形成氢键相互作用，这也提示在对地佐辛分子进行结构改造以提升其性能时，芳环结构一般需要保留，同时9 位的碱性氨基基团也需要保留。

2.2 地佐辛分子与κ 受体的相互作用 κ 受体中的D138、M142、K227、V230、I290、H291 和I294 是地佐辛结合κ 受体的关键残基。此外，与μ 受体相同的是，地佐辛与κ 受体的结合中，其芳环结构和9 位的氨基基团发挥重要作用，可以认为地佐辛分子中的芳环结构和碱性氨基基团是其药效团。但与μ 受体不同的是，地佐辛结合κ 受体时，其2 位的羟基与κ受体形成了2 对氢键，提示羟基基团可能对κ 受体具有特异性。

2.3 地佐辛和喷他佐辛与阿片受体相互作用的比较插页图2 为地佐辛和喷他佐辛分别与κ 受体的结合能，两者的结合能都为负值，表明这两种镇痛药与κ 受体的结合是一个热力学自发的过程。地佐辛与κ受体的结合能显著大于喷他佐辛与κ 受体的结合能，这从能量角度上说明地佐辛对κ 受体的激动作用应该强于喷他佐辛的激动作用，表明地佐辛的镇痛效果强于喷他佐辛。接下来我们模拟了这两种镇痛药与μ 受体的结合，结果表明地佐辛与μ 受体的结合能也显著大于喷他佐辛与μ 受体的结合能；地佐辛对μ 受体的抑制常数（Ki）小于喷他佐辛对μ 受体的Ki，这说明了地佐辛对μ 受体的拮抗作用更强，见插页图3。

图1 地佐辛分子分别与μ 受体（A）和κ 受体（B）对接形成复合物的结合口袋

图2 地佐辛和喷他佐辛分别与κ 受体相互作用的10 种最佳构想的结合能比较

图3 地佐辛和喷他佐辛分别与μ 受体相互作用强弱的比较

3 讨论

为了研究地佐辛分子与μ 受体的相互作用，我们解析了地佐辛分子与μ 受体之间的精细相互作用模式。地佐辛分子与μ 受体的结合主要依赖于非键相互作用，主要包括氢键和疏水力。结合口袋氨基酸残基与地佐辛分子的距离分析表明D147、M151、I296 和Y326 这4 个残基与地佐辛分子的空间距离是最近的，这也提示了这4 个氨基酸残基可能是地佐辛结合μ 受体发挥药理效应的关键位点。地佐辛是κ 受体的激动剂，κ 受体激动剂成瘾性低，副反应小，是设计合成的非成瘾性镇痛药的靶点。因此，研究地佐辛与κ 受体的精细相互作用模式对于基于地佐辛的镇痛药改造或是新型镇痛药的设计有重要的意义。地佐辛结合在κ 受体的空腔中，两者之间的相互作用依赖于地佐辛活性基团与活性结合口袋残基之间的非键相互作用，主要包括氢键和疏水相互作用。距离分析表明D138 和H291 这两个氨基酸残基在空间上与地佐辛分子的距离最为接近，提示这两个残基可能在地佐辛分子与κ 受体的结合中发挥着关键的作用。活性口袋的其他残基则与地佐辛分子产生了弱的分子间范德华相互作用。

地佐辛和喷他佐辛为苯吗喃类合成镇痛药，目前这两个药都广泛应用于术后镇痛[9-10]。传统的吗啡类镇痛药作用于μ 受体，发挥镇痛作用，然而吗啡类镇痛药的成瘾性也正是来自于其μ 受体的激动作用。而激动κ 受体，成瘾性低，镇痛效果也比较优良。地佐辛和喷他佐辛都属于κ 受体激动剂和μ 受体拮抗剂，因此在临床中都表现出了低成瘾性和优良的镇痛效果[10]。

地佐辛以其优良的镇痛效应和极低的戒断症状而广泛应用于术后镇痛[10]。镇痛药的镇痛效果主要来自于对κ 受体的激动作用或μ 受体的激动作用，然而传统吗啡类的镇痛药的成瘾性也来自于μ 受体的激动作用。因此研究临床用镇痛药与阿片受体的相互作用对临床用药指导和新型镇痛药的设计有参考意义[11]。本文基于分子对接技术，深入解析了地佐辛与μ 受体和κ 受体的相互作用，结果表明，地佐辛分子中的芳环结构和9 位的碱性氨基是药效团，在结构改造中应保留。此外，基于分子对接技术预测指导临床用药的研究仍然未见报道。此外，本研究还将临床广泛应用的喷他佐辛与地佐辛做了对比。结果表明，地佐辛与κ 受体的结合能力强于喷他佐辛与κ受体的结合能力，提示地佐辛对κ 受体有更强的激动作用，进一步表明地佐辛的镇痛效果应该优于喷他佐辛。μ 受体的相互作用模拟研究表明地佐辛对μ 受体的拮抗作用也显著强于喷他佐辛，提示地佐辛的成瘾性弱于喷他佐辛。

4 结论

地佐辛的镇痛效果强于喷他佐辛，且成瘾性低，更加安全有效，适合疼痛剧烈的患者。