2025年11月12日，合肥綜合性國家科學中心大健康研究院曹燦和王春玉研究團隊，與中國科學技術大學生命科學與醫學部薛天課題組以及天津醫科大學陳賀課題組合作，在Cell雜志發表題為“Pathway-Selective 5-HT1AR Agonist as a Rapid Antidepressant Strategy”的研究文章。該研究提出一種基于5?HT1A受體信號通路選擇性的快速抗抑郁新策略，并據此理性設計出候選化合物TMU4142。TMU4142在抑郁小鼠模型中展現出顯著的快速抗抑郁樣效果。該策略直擊臨床上選擇性血清素再攝取抑制劑（SSRIs）類抗抑郁藥物普遍存在的起效緩慢難題，為新一代快速抗抑郁藥物的研發提供了嶄新的思路和可行路徑。

抑郁癥已成為全球最主要的精神健康負擔之一，影響超過3億人，并呈持續上升趨勢。抑郁癥的發病原因復雜，目前科研界的主流觀點之一是抑郁癥的發生與大腦中一種名為5-羥色胺（5-HT）的神經遞質水平降低有關。相應地，針對該理論開發的選擇性5-羥色胺再攝取抑制劑（SSRIs）可以阻斷5-HT轉運蛋白對神經突觸間隙5-HT的回收，進而增加突觸間隙中的5-HT濃度來達到抗抑郁效果。與之前的其它抗抑郁藥物相比，SSRI類抗抑郁藥物相對安全，副作用往往較少。自上市以來，SSRI類藥物迅速成為最為流行的抗抑郁藥物。抗抑郁藥物的五朵金花（氟西汀、帕羅西汀、舍曲林、西酞普蘭和氟伏沙明）全都是SSRI類抗抑郁藥物。但SSRI類藥物通常起效較慢，需要2-4周的持續服藥將中縫核突觸前膜的5-HT1A受體脫敏之后，才能發揮一定的抗抑郁作用。而在這期間，由于5-HT1A自受體介導的負反饋調控，大腦中的5-HT水平會下降，抑郁癥患者的癥狀反而可能會加重，在開始用藥后幾周內抑郁癥患者甚至可能會出現自殺風險。這種風險在兒童、青少年和年輕成人（≤24歲）中更加明顯。因此，多數主流的抗抑郁藥物都有FDA的自殺風險警告。

與中縫背核的5-HT1A自受體負反饋抑制所引起的抗抑郁效果延遲相反，位于海馬體和前額葉皮層的5-HT1A異源受體（5-HT1A heteroreceptor）的激活可以產生強效的抗抑郁效果。雖然是同一個蛋白，但由于5-HT1A自受體和5-HT1A異源受體分布的腦區、調控的神經環路及神經遞質不同，在抑郁癥的治療中發揮著截然不同的作用。因此，如果能夠設計出一個可以選擇性激活5-HT1A異源受體的5-HT1AR激動劑，則有可能擺脫中縫背核5-HT1A自受體在抑郁癥治療中的負反饋作用，進而發揮出快速抗抑郁的效果。但一個關鍵的問題是，5-HT1A自受體和5-HT1A異源受體只是分布在不同腦區的同樣蛋白，它們具有相同的蛋白序列和三維結構，理論上沒有任何小分子藥物可以差異性的結合這兩種受體。在過去的幾十年中，針對該方向的諸多努力都以失敗而告終。

在過去的研究中，人們逐漸發現5-HT1A受體在不同的腦區可以偶聯不同的Gi/o蛋白亞型來發揮功能。在中縫背核區域，5-HT1A自受體主要偶聯Gi3蛋白。而在海馬體和前額葉皮層，5-HT1A異源受體則主要偶聯GoA蛋白（大腦中表達最高的G蛋白亞型）。基于這一機制，若能設計一種GoA選擇性的信號偏好性激動劑，在維持對GoA蛋白激活能力的同時，弱化其對Gi3蛋白的激活，即有望實現對5-HT1A異源受體的功能選擇性激活，從而提高藥物的抗抑郁療效并縮短起效時間。

此(ci)外(wai)，5-HT1A自受體(ti)所在的(de)中縫背核(he)區(qu)域(yu)有(you)著大(da)腦中濃度最高(gao)的(de)內源(yuan)(yuan)性(xing)(xing)5-HT，而(er)在海馬體(ti)和前(qian)額葉皮層(ceng)中，內源(yuan)(yuan)性(xing)(xing)的(de)5-HT濃度是非常低的(de)。藥理學(xue)研究表明(ming)，部(bu)分(fen)激(ji)(ji)(ji)動(dong)劑(ji)在高(gao)內源(yuan)(yuan)性(xing)(xing)激(ji)(ji)(ji)動(dong)劑(ji)區(qu)域(yu)可表現為拮抗作用，而(er)在低濃度區(qu)域(yu)則可表現為激(ji)(ji)(ji)動(dong)作用。因(yin)此(ci)，若能設計(ji)出效(xiao)(xiao)能（efficacy）較低的(de)部(bu)分(fen)激(ji)(ji)(ji)動(dong)劑(ji)，同樣有(you)望避免激(ji)(ji)(ji)活中縫背核(he)中的(de)5-HT1A自受體(ti)，進而(er)選(xuan)擇性(xing)(xing)地激(ji)(ji)(ji)活海馬體(ti)和前(qian)額葉皮層(ceng)中的(de)5-HT1A異源(yuan)(yuan)受體(ti)，實現快速且顯著的(de)抗抑(yi)郁效(xiao)(xiao)果。

為了篩選具有理想信號特性的激動劑，研究團隊采用基于BRET2技術的G蛋白解離實驗，系統性地分析了七種5-HT1A受體激動劑在不同Gi/o蛋白亞型上的信號傳導譜。結果顯示，包括抗抑郁藥物吉哌隆（gepirone）、維拉唑酮（vilazodone）以及抗焦慮藥物丁螺環酮（buspirone）在內的多種已上市藥物，均能強效激活5-HT1A受體耦聯的多個Gi/o蛋白亞型。具體而言，buspirone、gepirone和vilazodone等傳統5-HT1AR配體在GoA亞型上表現為完全激動劑，同時對Gi3亞型也具有顯著的激活作用。這種較強的Gi3活性提示它們可能高效激活中縫背核中的自受體，從而導致其在臨床治療中出現起效延遲的現象。在所有測試的化合物中，吲哚洛爾（pindolol）呈現出獨特的信號特征——它在GoA亞型上僅表現為部分激動劑，而對Gi3亞型的激活作用幾乎可以忽略，正符合我們所期望的5-HT1AR激動劑信號特征。值得注意的是，既往研究發現，pindolol作為SSRI類藥物的輔助用藥（add-on drug）可增強其抗抑郁療效，這一現象可能與其較弱的Gi3激活能力密切相關。然而，pindolol本身是一種β-腎上腺素受體阻滯劑，對5-HT1A受體的選擇性較低；同時其作為部分激動劑的效能有限，難以單藥發揮理想的抗抑郁作用，因此僅在臨床研究中僅被用作SSRI類藥物的輔助治療。

接下來，研究團(tuan)隊著手研究以下3個問(wen)題：1，為什么pindolol激(ji)活5-HT1A受體GoA信號的(de)能力(li)比(bi)激(ji)活Gi3信號強？2，和(he)傳統的(de)5-HT1AR小(xiao)分子激(ji)動(dong)劑相比(bi)，為什么僅(jin)有(you)pindolol對(dui)5-HT1AR展現出較弱的(de)激(ji)活能力(li)？3，pindolol作為β-腎上腺素(su)受體阻滯劑，在(zai)結(jie)合5-HT1AR的(de)同時也對(dui)β-腎上腺素(su)受體具有(you)較高的(de)親(qin)和(he)力(li)，我(wo)們(men)能否設計出對(dui)5-HT1A親(qin)和(he)力(li)更高的(de)pindolol衍生(sheng)物(wu)來增加其對(dui)5-HT1AR的(de)選(xuan)擇性？

為了回答第一個問題，研究團隊首先解析了小分子配體結合狀態下的5-HT1AR–GoA復合物以及5-HT1AR–Gi3復合物結構。結構比對結果顯示，由于GoA蛋白中α4–β6環（α4–β6 loop）較為短小，5-HT1AR在結合GoA時，其跨膜螺旋TM6無需發生大幅度構象變化即可完成激活，從而使受體更易進入活化狀態。除此之外，GoA的α5螺旋N端存在一個N330–H322氫鍵，可有效穩定α5螺旋在受體結合構象中，從而進一步促進其與5-HT1AR的結合。而在Gi3中，對應的N330位置被一個帶正電的賴氨酸（K330）取代，該正電位點會與H322產生靜電排斥，削弱α5螺旋的穩定性，進而降低Gi3與5-HT1AR的結合效率。將Gi3上對應的區域換成GoA的氨基酸序列，則pindolol激活Gi3突變體的能力會加強。相反地，將GoA上對應的區域換成Gi3的氨基酸序列，則pindolol激活GoA突變體的能力會減弱。令人意外的是，傳統上認為負責G蛋白選擇性的α5螺旋C末端對Gi/o蛋白亞型的選擇性卻沒有顯著影響。

為了回答第二個問題，研究人員解析了(S)-pindolol與5-HT1AR的復合物結構。結構分析顯示，(S)-pindolol以一種獨特的方式結合在5-HT1A受體中。其中，(S)-pindolol的脂肪鏈上的質子化N原子可以與TM7的N386形成獨特的極性相互作用，而在其它5-HT1AR強效激動劑中，質子化的N原子與N386的距離相對很遠，難以形成有效的相互作用。此外，不同于內源性激動劑5-HT，(S)-pindolol的吲哚環翻轉180度與5-HT1AR結合，吲哚環上的N原子與S199形成了一個獨特的近距離相互作用。 (S)-propranolol與S199的接觸增加，則會導致ligand的efficacy下降，形成更弱的partial agonist。相反，將(S)-pindolol上的五元環去掉以減少配體與S199的接觸，則會導致ligand的efficacy上升，形成更強的partial agonist。這些研究表明，(S)-pindolol與N386和S199所形成的2個獨特的極性相互作用是導致其產生partial agonist活性的主要原因。

針對第三個問題，研究人員以(S)-pindolol為分子骨架，基于結構信息設計并合成了一系列(S)-pindolol衍生化合物，經過多輪的篩選和優化，最終獲得了化合物TMU4142。該化合物對5-HT1A受體GoA通路的激活能力與內源性激動劑5-HT相當，而對Gi3通路的激活能力顯著減弱，實現了GoA偏向性的信號轉導。與(S)-pindolol相比，TMU4142對5-HT1AR的激活能力提升約15倍，而對β-腎上腺素受體的激活能力下降12–20倍。同時，TMU4142對其他12種5-羥色胺受體和5種多巴胺受體均無激動活性，展現出優異的受體選擇性。值得注意的是，TMU4142在5-HT1A受體中的結合模式與以往已知的5-HT1AR激動劑顯著不同。其分子頭部插入了一個稱為EBP3（extended binding pocket 3）的高度特異性結合口袋中。該結合口袋的關鍵氨基酸殘基在5-HT1AR中高度保守，這也解釋了TMU4142為何能夠在眾多五羥色胺受體中表現出極高的選擇性。

鑒于TMU4142突出的藥理特性，研究人員進一步評估了其在強迫游泳實驗（forced swimming test, FST）和懸尾實驗（tail suspension test, TST）中的抗抑郁效果。結果顯示，1.5 mg/kg劑量的TMU4142即可完全逆轉小鼠的抑郁樣行為。相比之下，傳統5-HT1AR激動劑gepirone和buspirone在相同實驗中均未顯示抗抑郁作用。新奇食物抑制實驗（novelty-suppressed feeding, NSF）進一步表明，TMU4142在給藥1小時后即可產生顯著的抗抑郁效果；而經典抗抑郁藥氟西汀在相同實驗中需經兩周給藥方能起效。這些結果表明，TMU4142在動物模型中的起效時間要遠快于目前流行的抗抑郁藥物氟西汀，展現出快速且顯著的抗抑郁作用。

最后，研究團隊利用光纖記錄技術實時監測了小鼠中縫背核（DRN）區域的5-HT濃度及5-HT能神經元活性變化。結果顯示，在產生抗抑郁效果的劑量下（1.5 mg/kg），TMU4142并不會引起DRN中5-HT濃度下降；相反，傳統5-HT1AR激動劑F-13714和buspirone則可迅速降低該區域5-HT水平。神經元活性監測結果與5-HT濃度變化趨勢一致，說明TMU4142在治療劑量下并不會激活DRN中5-HT1A自受體的負反饋調節機制。

綜上，本研究(jiu)通(tong)過(guo)系統的結(jie)構藥(yao)理(li)學(xue)分(fen)析，基于(yu)結(jie)構信息(xi)成功開發出一(yi)種具有GoA信號通(tong)路選(xuan)擇性(xing)且Gi3活性(xing)較弱的5-HT1AR激動劑。該(gai)類化(hua)合物(wu)展現出顯著(zhu)區別(bie)于(yu)現有5-HT1AR激動劑的獨特藥(yao)理(li)學(xue)特征(zheng)，能夠選(xuan)擇性(xing)激活5-HT1A異(yi)源受體(ti)(ti)，同(tong)時(shi)避(bi)免中縫背核5-HT1A自受體(ti)(ti)的反饋抑制，為抑郁癥(zheng)治療提(ti)供了一(yi)種具有廣闊應用(yong)前景的新型藥(yao)物(wu)開發策略。（大健康研究(jiu)院）