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【小爱说药】从2021年诺贝尔奖谈TRP靶点药物研发——李英骥

时间:2021-10-13 14:32:59 阅读:731

从2021年诺贝尔奖谈TRP靶点药物研发

今天下午2021年诺贝尔奖公布,有些过于出乎人们的意料,获奖的大热门mRNA技术,GFP等纷纷落马,而颁给了最大的黑马David Julius和Ardem Patapoutian对于温度和触觉受体的研究。因为今年的黑马太过突然,科学自媒体一反往之前的热闹,相反,久被冷落的离子通道科学家圈子,一下子欢呼雀跃起来。这次获奖,已与离子通道研究的上一次获奖,相隔已经18年之久。TRP通道家族作为药物靶点,虽然很多年前就成为热点,但是仍然是非常年轻的成药靶点。凑着这个诺奖的热闹,也把一篇关于TRP通道药物靶点的旧作翻出来,供业内人士参考。

TRP通道家族首次发现于视觉传导受损的突变体黑腹果蝇(Drosophila melanogaster), 该突变体与野生型的光诱导反应不同, 它们对于强光刺激表现出瞬时的而非持续性的反应, Minke等基于电生理的表现型于1975年首次将其命名为TRP(transient receptor potential)。1989年, Montell等克隆并鉴定了果蝇的Dmtrp基因, 发现将其表达于突变体中可以挽救突变体果蝇对光反应的缺陷。这些离子通道形成了一个进化上保守的配体门控离子通道家族,充当物理和化学刺激的传感器。与其他通道不同,这个家族拥有广泛的激活因子(化合物、温度、机械刺激、渗透压、脂质、光、氧化物种和pH值)及其调节(转录、选择性剪接、糖基化,和磷酸化),从而具有不同的生物学作用。它们是非选择性阳离子通道,主要通透钙,也通透钾和钠。钙离子进入细胞后,会引发细胞增殖、细胞死亡、基因转录和神经递质释放等多种作用。

迄今为止,哺乳动物中有六个TRP通道:TRPC、TRPM、TRPV、TRPA、TRPP和基于氨基酸同源性的TRPML(IUPHAR),其中TRPV1-4、TRPA1和TRPM8在伤害感受器中表达最显著,也是研究最广泛的。此外,TRPV1、TRPA1和TRPM3在感觉神经元中形成重要的温度调节系统。



TRP通道家族


TRP通道家族的结构

(1)TRPV1通道

在伤害性传递的描述中,TRPV1是1997年的第一个TRP克隆通道,它是阳离子通道,具有很高的钙通透性[15]。在DRG,TG,结节神经节(NG),膝状神经节(GG)和颈神经节中,伤害感受器的外围和中央末端都发现有TRPV1。TRPV1还调节感觉突触处的疼痛传递。该通道可以被高温(≥43°C),低pH(<6.5)和其他一些外源或内源性化合物(樟脑,大蒜素,毒素,阿南酰胺)激活。其特异性激动剂是辣椒素。

据估计,所有DRG或TG神经元中大约35–50%是TRPV1阳性,包括大量未髓鞘化C纤维和少量稀有髓鞘Aδ纤维。TRPV1表达通常伴随其他一些疼痛介质的表达,例如P物质(SP)或降钙素基因相关肽(CGRP)。

(2)TRPA1通道

最初命名为ANKTM1(具有跨膜结构域蛋白1的锚蛋白样),目前称为瞬时受体电位锚蛋白1(TRPA1),该受体在进化过程中一直保存在不同物种中。它是非选择性阳离子通道,在外周和中枢神经系统中均有表达。TRPA1通常在伤害感受器中与TRPV1共表达,可能被多种化学,热(≤18°C),机械和渗透刺激激活]。

由于不同的刺激可以激活TRPA1,因此每种激活方式都表明该通道在不同的疼痛途径中的作用不同。因此,在化学传感中,TRPA1可以被大量能够引起刺痛感的分子激活。TRPA1激活剂的重要组成部分是活性氧(ROS),它与紫外线一起可以刺激TRPA1。事实上炎症期间通常发现较高水平的ROS 。同样,TRPA1是一种热传感器,因为寒冷可以在体外系统中引起TRPA1电流。但是,与化学激动剂诱导的电流相比,这种刺激作用很小,这意味着在存在TRPA1激动剂的情况下,寒冷会增强TRPA1电流。此外,寒冷会诱导ROS或钙的释放,进而激活TRPA1通道。


TRPA1在神经性疼痛中的作用

1)TRPA1对于神经损伤和化疗诱发的神经性疼痛至关重要

许多由神经损伤引起的神经性疼痛模型的特征是机械性和冷性超敏反应,这表明TRPA1具有相关作用,因为它是机械/感冷伤害感受器的关键转导通道。实际上,在神经性疼痛的动物模型中观察到TRPA1阻滞剂或基因消融可减少伤害性变化。神经性疼痛的另一种标准模型是由化疗药物引起的模型,该化学药物可能产生强烈的寒冷和机械性痛觉过敏和/或异常性疼痛。与神经损伤模型相似,在一些化疗引起的神经性疼痛模型,TRPA1的阻滞可以缓解疼痛。奥沙利铂通常用于通过TRPA1引起实验性神经性疼痛,而不是通过TRPV1。

2)TRPA1在神经性疼痛中上调

神经性疼痛的神经病变和化疗模型显示,伤害感受器的外周和中央末端以及中央感觉途径中的TRPA1 mRNA和蛋白上调。重要的是,TRPA1的上调可伴随小鼠背根和三叉神经节,颈脊髓和延髓中TRPV1,α-CGRP,SP的表达增加和促炎性细胞因子的释放。一些研究评估了TRPA1上调的重要性,这些研究表明,阻断TRPA1上调可减轻疼痛,例如,microRNA 449a通过降低小鼠中TRPA1的表达改善神经性疼痛症状。值得注意的是,某些神经性疼痛模型会上调TRPA1,但不会上调TRPV1。TRPA1的重要生理作用是促进α-CGRP和SP的胞吐作用,使其作为血管舒张和神经炎症的诱发剂,如在三叉神经病变中所见,其中阻断TRPA1显示α-CGRP,SP甚至TRPV1的水平降低基因表达。

3)氧化应激是神经性疼痛中TRPA1调节的主要整合者。

氧化性(ROS)和氮反应性自由基(RNS)是神经性疼痛发展的关键因素。通过删除TRPA1或阻断TRPA1受体,可以缓解小鼠神经损伤模型中的疼痛症状。通过注射抗氧化剂(α-硫辛酸)或载脂蛋白(一种NOX抑制剂)也可以减轻疼痛,证明氧化应激通过TRPA1的作用在神经性疼痛中起关键作用。通过敲除或阻断TRPA1和TRPV4或使用还原剂谷胱甘肽可以减轻紫杉醇引起的疼痛,同时降低α-CGRP和SP的分泌。此外,通过增加TRPA1对ROS的反应性,可产生奥沙利铂诱导的冷敏感性。这种机制是由脯氨酰羟化酶抑制作用产生的,脯氨酸的作用降低了ROS对TRPA1通道作用的敏感性。最近的研究发现,在奥沙利铂诱导的神经性疼痛模型中,microRNA 155介导了ROS产生的TRPA1上调。除主要的感觉神经元外,在其他细胞类型中也发现了氧化应激激活TRPA1。体内实验表明,在杏仁核中央核中注射TRPA1拮抗剂或抗氧化剂可阻止大鼠神经损伤模型中产生的疼痛。在疼痛模型中,巨噬细胞和单核细胞释放H2O2和其他氧化应激副产物可激活TRPA1。因此,抗氧化剂分子被提议作为治疗神经性疼痛的疼痛症状的候选药物,例如对氨基脲敏感的胺氧化酶(SSAO),TRPA1和TRPV1的阻滞剂。

2. TRPV1和TRPA1调节剂的开发现状

(1)TRPV1拮抗剂的研究情况:

许多有价值的,适用于各种临床疾病的TRPV1拮抗剂,都进行到了针对不同适应症的临床试验的各个阶段,简要总结如下:


1) ABT-102进行了炎症、组织损伤和缺血等相关的疼痛的临床研究(I期,ClinicalTrials.gov:NCT 00854659)。重复给药耐受性良好,短期给药后健康志愿者的平均核心体温升高0.6℃。到第7天,所有剂量试验的体温升高不再显著。ABT-102增加了皮肤和口腔的热痛阈值,并且在7天的治疗后,对有害的热觉感知缺乏并未减弱。对三个I期试验的进一步药代动力学/药效学分析显示,在0.6-0.8°C范围内体温升高,在治疗后2-3天内逐渐减弱。

2)AZD1386进入了临床II期,用于潜在的慢性疼痛(I期试验完成,ClinicalTrials.gov网站标识符:NCT 00736658),神经病理疼痛和骨关节炎(II期完成,ClinicalTrials.gov:NCT 00976534,NCT 00878501),牙痛和食道疼痛(II期完成,ClinicalTrials.gov:NCT01019928,NCT00672646)。在患有牙痛的受试者的II期试验中,AZD1386对减少第三磨牙拔除后的疼痛有效,146该药物对骨关节炎或胃食管反流患者的疼痛没有显著的减轻。因此,AZD1386的II期临床试验因缺乏镇痛效果而终止。

3)SB705498在异位性皮炎的不同临床研究中进行了研究(I期,ClinicalTrials.gov:NCT 01673529),非过敏性和过敏性鼻炎(II期完成,ClinicalTrials.gov:NCT01424514,NCT01424397,急性偏头痛(II期完成,ClinicalTrials.gov:NCT00269022),慢性咳嗽(II期完成,ClinicalTrials.gov:NCT01476098),拔牙后牙痛(II期完成,ClinicalTrials.gov:NCT00281684)和直肠疼痛(II期完成,ClinicalTrials.gov网站标识符:NCT 00461682)。SB705498在人类初步研究中没有引起任何严重的不良反应。遗憾的是,关于特应性皮炎一期研究的结果显示,与安慰剂相比,SB705498乳膏对皮炎引起的瘙痒没有临床意义,而其他临床研究的结果迄今仍未公布。

4)AMG517进入了一项Ib期牙痛(拔牙)研究,但由于在人体志愿者中引起了严重的体温升高(高达40.2°C)而被中止。

5)GRC-6211进行的骨关节炎疼痛II期试验,由于未披露的原因被中止。

6)MK-2295已经开发用于潜在的疼痛治疗,并且咳嗽。在第二阶段,该药物显著提高了人类的热痛阈值,但诱发了体温升高。此外,还进行了一项关于评价MK-2295牙痛治疗术后的安全性和有效性的试验(II期完成,ClinicalTrials.gov:NCT00387140)。

7)PHE377完成了一项旨在治疗糖尿病疼痛和疱疹后神经痛的I期试验,但结果尚未公开,现在已经被撤回(adisinsight.springer.com)。

8)JTS-653已被研究用于治疗带状疱疹后神经痛(II期已完成)和膀胱过度活动性疼痛(II期已停止)。

9)XEND0501(化学结构未披露)治疗慢性咳嗽和慢性阻塞性肺病(II期已完成,ClinicalTrials.gov:NCT 022233699,NCT 022233686)。TRPV1拮抗剂耐受性良好,在最高试验剂量下仅诱发轻度高温(0.74°C)。2019年,Pila Pharma完成了在立陶宛(PO)的2型糖尿病(辅助治疗)的II期临床试验(EudraCT2018-001880-22)。

10)PAC-14028在成功完成临床前研究后,完成了局部治疗皮肤瘙痒、酒渣鼻和特应性皮炎的II期临床试验 (ClinicalTrials.gov::NCT 02052531、NCT 02052999、NCT 02583022)。最近,一项新的临床试验,目前正在招募参与者,已报告用于治疗儿童特应性皮炎(ClinicalTrials.gov:NCT 02748993)。2019年发布了PAC-14028膏剂的临床IIb实验结果,显示达到了安全性和有效性的指标。

11)DWP-05195目前正处于作为口服给药的疱疹后神经痛治疗的临床二期(ClinicalTrials.gov:NCT 01557010)。还没有研究结果被披露。

12)JNJ-39439335(Mavatrep)完成了一期临床试验,以评估热烧烤实验模型引起的自相矛盾疼痛的缓解情况(ClinicalTrials.gov:NCT 01006304)和治疗骨关节炎患者慢性膝关节疼痛的疗效(ClinicalTrials.gov:NCT 00933582和NCT 01343303)。因此,JNJ-39439335进入了治疗疼痛的II期临床试验。

13)296syl-1001(化学结构未公开)已经在与干眼症相关的眼部疼痛的II期临床试验中进行了研究(ClinicalTrials.gov:NCT 02455999)。没有研究结果被披露。

14)NEO-6860(化学结构未披露)目前正在进行治疗骨关节炎疼痛的II期研究(NCT 02337543和NCT 02712957)。

总的来说,尽管TRPV1化合物的开发已被证明是非常具有挑战性的,拥有数千项专利和配体,但缺乏显著的临床进展。特别是,由于过热和灼伤等一系列不良反应,所研制的拮抗剂均未能进入Ⅲ期。现在,研究和开发新的TRPV1拮抗剂的核心工作是寻找没有这种不良反应的新分子。为了提高TRPV1拮抗剂的临床应用水平,有可能采取一些策略。比如在皮肤和呼吸道疾病中使用主题霜和气雾剂,从而消除系统性副作用。

(2)TRPA1拮抗剂的研究情况:

钌红,庆大霉素,阿米洛利和钆是文献中最早报道的TRPA1通道拮抗剂,这些非特异性通道阻滞剂已被更具选择性的TRPA1拮抗剂所取代。黄嘌呤衍生物HC-030031(1)是Hydra Biosciences最早通过高通量筛选发现的选择性TRPA1拮抗剂,作为工具药广泛用作研究TRPA1介导体外和体内药理学的工具 [46,48,96]。在表达hTRPA1的HEK细胞中,HC-030031抑制AITC和福尔马林介导的Ca2 +电流,hTRPA1的IC50值分别为6.2和5.3μM。HC-030031还被证实在许多哺乳动物(例如大鼠和小鼠)TRPA1同源细胞系中具有微摩尔亲和力,并且对其他几个人TRP通道具有选择性(IC50> 10μM)。HC-030031的药代动力学(PK)相对较差,具有较高的清除率(27 mL / min / kg),低暴露(12 mg / kg剂量后的Cmax为355ng / mL)和半衰期短(T1 / 2= 32分钟)。

在2012年,Cubist Pharmaceuticals和Hydra Biosciences宣布了与TRPA1拮抗剂CB-625进行的联合I期临床试验。此后,由于PK原因,CB-625试验终止。尽管尚未公开CB-625的结构,但Hydra / Cubist公开了要求一系列黄嘌呤衍生的TRPA1拮抗剂的专利,这些拮抗剂可能用于治疗慢性或炎性疼痛和呼吸系统疾病。Hydra自己也独立开发了TRPA1阻断剂 HX-100用于治疗慢性疼痛和哮喘。2017年,Hydra又发表了一系列的TRPA1阻断剂,2018年Lily宣布购买了Hydra的全部TRPA1项目以推动临床研究。

2009年,Glenmark Pharmaceuticals公开了其首批TRPA1拮抗剂系列。与Hydra化合物相似的药效基团,某些分子的纳摩尔体外TRPA1抑制能力,但该化学类别的一个普遍问题是水溶性差。2012年,Glenmark选择了GRC 17536作为的TRPA1拮抗剂进行临床开发。GRC 17536是高效的(hTRPA1 IC50 <10 nM),具有选择性(是其他TRP通道的1000倍),并且是口服可生物利用的TRPA1拮抗剂。GRC 17536在炎症性和神经性疼痛的临床前模型以及呼吸系统疾病模型中均具有体内功效。 2014年9月,Glenmark宣布已在IIa期疼痛性糖尿病周围神经病概念验证研究中取得了积极的成果,在亚组中至重度糖尿病性神经病性疼痛患者中具有统计学意义和临床相关反应。GCR 17536目前被FDA暂停临床使用,官方材料预计在2019年下半年恢复临床临床试验。

近年来,雅培,阿斯利康,扬森,罗氏,Genentech,默克,猎户座,辉瑞等已公开了涵盖多种化学型的TRPA1拮抗剂。比如,Janssen公开了一系列含磺酰胺的TRPA1拮抗剂[103,121]。2014年,Roche公开了TRPA1拮抗剂系列的磺酰胺类药物。2016年,Hoffmann-La Roche和Genentech申请了一系列1-(杂)芳基磺酰基-(吡咯烷或哌啶)2-羧酰胺衍生物及其作为TRPA1拮抗剂的用途。Genentech的研究人员最近还描述了一系列作为TRPA1拮抗剂的α-芳基吡咯烷磺酰胺,其中从高通量筛选活动中鉴定出命中化合物。化合物对TRPA1(hTRPA1IC50=110nM)具有活性,但具有亲脂性,在人和大鼠肝微粒体中的转化率很高。

Orion公司最近公开了一系列含炔烃的化合物。2015年,Orion宣布TRPA1拮抗剂ODM108已进入神经性疼痛的I期临床试验。然而,由于复杂的PK结果,在2016年II期临床试验完成第二部分后中止了试验。

尽管多年来在整个制药行业进行了大量的TRPA1的研究,但只有GRC 17536进入了II期临床试验的终点。TRPA1计划进展中的一个关键问题是高效的口服生物利用物质。即使是GRC 17536,虽然对TRPA1有效,但它亲脂性强,难溶,需要相对较高的临床剂量(250 mg bid),对临床研究造成一些困难。人类和临床前物种(尤其是啮齿动物)之间在TRPA1药理学上的差异已得到广泛描述。由于需要使用啮齿动物来研究功效,这可能会阻碍药物发现过程。

尽管TRPV1一直是开发治疗疼痛的新药物的主要TRP渠道,但越来越多的证据表明TRPA1由于其在众多组织中的表达及其在关键性疾病中的关键作用而成为介导和调节疼痛状况的潜在重要参与者。已证明TRPA1在疼痛的建立和维持中与TRPV1协同工作,并且作为大量分子的伤害传感器本身也很重要。此外,内源性介质和氧化应激代谢物对TRPA1的致敏作用使该通道成为许多疾病研究中的焦点,而不仅仅是在疼痛领域。结果,TRPA1的药理抑制似乎是治疗某些疼痛疾病的有趣策略。TRPA1计划进展中的一个关键问题是鉴定高质量的口服生物利用化学物质。此外,许多化合物在TRPA1活性上显示出与物种有关的显着差异,从而降低了临床前研究在预测临床疗效方面的实用性。Cheng和Julius实验室最近的TRPA1电子显微镜结构确定了在TRPA1配体存在的情况下全长人TRPA1至4 A˚分辨率的结,这项开创性的科学为在TRPA1领域内实现基于结构的设计铺平了道路,这可以增强药用化学家设计下一代TRPA1配体的能力。关于TRPA1及其治疗潜力,仍然有很多知识:例如,它是否是寒冷温度的传感器,门控机制的确切性质以及TRPA1慢性调节的安全性尚待充分了解。相比TRPV1而言,TRPA1也许是一个更有前途的治疗靶标。

主要参考文献:

1. TRPA1 Antagonists for Pain Relief , Pharmaceuticals 2018, 11(4), 117; doi.org/10.3390/ph11040

2. Is TRPA1 Burning Down TRPV1 as Druggable Target for the Treatment of Chronic Pain? Int J Mol Sci. 2019 Jun; 20(12): 2906.

3. TRPA1 as a drug target—promise and challenges Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol. 2015; 388(4): 451–463.

4. Medicinal Chemistry, Pharmacology, and Clinical Implications of TRPV1 Receptor Antagonists 2017 Jul;37(4):936-983. doi: 10.1002/med.21427

5. Targeting TRP Channels for Pain Relief Eur J Pharmacol. 2013 Sep 15;716(1-3):61-76. doi: 10.1016/j.ejphar.2013.03.003. Epub 2013 Mar 14.

6. Targeting Pain-evoking Transient Receptor Potential Channels for the Treatment of Pain. Curr Neuropharmacol. 2013 Dec; 11(6): 652–663.

7. TRPV1: A Target for Rational Drug Design Pharmaceuticals 2016,

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