芋螺毒液肽为慢性疼痛治疗带来希望
芋螺会部署复杂的毒液鸡尾酒来麻痹猎物。安东尼·金采访了那些利用这些肽来开发新型疼痛药物的研究人员。
摘要：
- 芋螺毒液中包含大量结构稳固的多肽文库，这些多肽靶向离子通道和受体，是一个丰富但尚未充分开发的潜在疼痛缓解药物来源。
- 目前仅有一种来源于芋螺的药物——齐考诺肽获批，其需通过脊髓给药这一事实凸显了安全有效输送毒液肽的主要挑战。
- 最近的进展——包括稳定的肽设计、GLP-1激发的重要输送突破，以及针对芋螺毒素作用于GPCR、钠通道和炎症通路的新认知——正重新点燃对毒液衍生止痛药的兴趣。
- 研究人员认为，疼痛可能需要多靶点方法，这与天然毒液中的协同作用相一致；肽工程和基因组学的新工具正带来谨慎的乐观情绪，尽管临床转化方面过去曾遭遇挫折。
（本摘要由AI生成并经人类编辑核查）
在澳大利亚东部某热带珊瑚礁底部，藏着一只带斑点粉白色蜗牛。夜间，它会向水中喷射毒液使小鱼迷失方向、行动迟缓，然后用一根空心鱼叉——实际上是一颗系着线的牙齿——刺出，满载神经毒素。令人惊讶的是，这只10-15厘米长的地图芋螺（Conus geographus）所含的毒液足以杀死一个成年人。
这种类似皮下注射针头所释放的，是一种精密的肽类鸡尾酒，靶向离子通道和受体，在鱼类中引发瘫痪。这启发了人们在数十种芋螺物种中发现数以万计的生物活性肽——称为芋螺毒素——为药物发现提供了潜在宝库。“它们的武库中有250种以上的化合物。我会将其描述为集束炸弹，因为它发散开来，尽可能多地击中目标，”波士顿哈佛大学的化学家兼海洋毒液研究者曼德·霍尔福德说。这些毒液成分中大部分仍未被表征。
霍尔福德的实验室和其他团队专注于识别可能具有治疗用途的毒液肽。“从化学角度来看，毒液武库极具吸引力。它是由具有生理活性的化合物的宏大鸡尾酒组成的，”霍尔福德说。“我们发现，杀死你的东西也能治愈你。”然而，到目前为止，这些肽中很少有惠及患者的。
齐考诺肽的突破
一些来自芋螺的毒液肽能阻断鱼的疼痛信号，这大概是防止鱼逃逸所必需的——对一只蜗牛来说至关重要。“它们不只是麻痹鱼。它们攻击猎物的多个靶点，”美国犹他大学的海洋毒液研究者海伦娜·萨法维说。萨法维是一位生物学家，最初在家乡德国冰冷的湖水中爱上了水肺潜水，之后在澳大利亚做了生物化学博士后，并在丹麦工作了一段时间。
现在她在内陆的犹他州实验室研究海洋毒液，而正是在这里，生物学家巴尔托梅·奥利韦拉开创了芋螺毒液研究，并帮助开发了用于慢性疼痛的药物齐考诺肽（Prialt）。这种合成版的芋螺肽会阻断脊髓神经细胞上的N型钙通道。芋螺毒素通常由10到30个氨基酸组成，且往往具有针对受体的精致形状，使其成为有效的配体。Prialt的效力估计是吗啡的1000倍。但与吗啡和其他阿片类药物不同，它不会成瘾。然而，它的缺点在于必须通过特殊泵直接注入脑脊液，且仅限于治疗严重的顽固性疼痛。肽无法穿过血脑屏障，在胃的低pH值下会被分解并被酶消化。输送问题是阻碍其他将海洋毒液药典转化为药物的努力的一个障碍。
然而，毒液爱好者看到了前方的曙光，这份光亮由GLP-1药物点燃——这些受蜥蜴毒液启发而开发的多肽注射剂已发展为数十亿美元的产业。蜥蜴体内的天然化合物容易被代谢，因此研究者付出了巨大努力来改善GLP-1类似物在糖尿病和肥胖治疗中的持久性。开发者替换了被酶靶向的氨基酸，并附加了非天然氨基酸（如2-氨基异丁酸）。但许多芋螺毒素在结构上已经十分稳固，拥有半胱氨酸氨基酸之间的共价键。通常至少有一个二硫键穿过另外两个，形成一种热稳定和化学稳定的结状结构。
这种构型正引起关注。“人们对开发富含二硫键的环肽库作为命中发现的起点越来越感兴趣，”格拉斯哥大学的肽化学家安德鲁·贾米森说。天然毒液还有其他妙招。用于治疗内分泌肿瘤和肢端肥大症的激素生长抑素的合成版本——奥曲肽——被设计为包含D-苯丙氨酸，这是天然L-苯丙氨酸的镜像。然而，萨法维实验室在芋螺毒液中发现了一种靶向生长抑素的肽，看起来极为相似，具有最小化的模体和在自然界极不寻常的D型氨基酸。
药物开发者可以从一种经过进化而稳固的毒液肽入手，尽管通常仍需进行修饰，注射可能仍是最有效的输送途径。然而，最近数百万人在每周自我注射GLP-1药物的例子颠覆了某些假设。“长期以来，人们认为注射永远不会被接受。但在疼痛领域，患者告诉我们，他们愿意做任何事来获得缓解，”澳大利亚昆士兰大学的疼痛与毒液研究者伊琳娜·维特尔说。
有许多疼痛性慢性疾病（如糖尿病神经病变和带状疱疹神经痛）几乎没有有效的治疗选择。“三叉神经痛是一种典型的神经病理性疼痛，被称为‘自杀疾病’，因为它非常痛苦且不可预测，”美国伊利诺伊州西北大学的疼痛医生兼研究员史蒂文·科恩说。如果能为这些可怕的病症开发出有效的新疗法，这些患者不太可能拒绝缓解疼痛的注射。
靶向烟碱受体治疗神经病理性疼痛
在犹他大学，疼痛研究者迈克尔·麦金托什在本科时提纯了最终导致齐考诺肽的Conus magnus肽，从此对海洋毒液产生了兴趣。最近，他专注于可在外周递送的毒液化合物，特别是与烟碱乙酰胆碱受体相互作用的小型α-芋螺毒素（12-20个氨基酸）。这些跨膜门控在配体解锁时允许阳离子进入细胞。来自致命地图芋螺的一种肽（α-芋螺毒素GI）靶向神经肌肉连接处的受体特定亚基，引发肌肉麻痹。
麦金托什专注于一种来自猎虫芋螺的α-芋螺毒素，它与免疫细胞上广泛存在的一种烟碱受体亚型结合。这似乎调节与神经病理性疼痛相关的炎症。在哺乳动物细胞中，该毒素阻断免疫细胞上的受体，并改变促炎细胞因子的释放。麦金托什认为，这种作用可能间接防止慢性疼痛。
许多化疗药物对神经有毒性，接受治疗的患者最终可能出现神经损伤，导致麻木或疼痛，这种状况可能持续数月、数年或永久。糖尿病患者的高血糖也会损伤神经。如果观察神经损伤的炎症反应，会发现巨噬细胞和T细胞的积聚，麦金托什解释说，“当我们给予这种以芋螺化合物为来源的肽时，这些细胞会减少。”他认为，这种肽产生镇痛效果并非通过急性阻断受体，而是通过改变病理生理学，使神经不再以异常方式产生慢性疼痛信号。他设想给接受化疗的患者每周注射一次，使神经损伤和神经病变永远不会发生。目前他们正在小鼠身上测试安全性和有效性。
许多芋螺毒素靶向钠通道。“如果没有毒液化合物，我们对神经回路几乎一无所知，”霍尔福德说。来自大理石芋螺的Mu-芋螺毒素可阻断Nav1.8通道，并在近二十年前的动物研究中被报道能缓解慢性疼痛。它被研究作为潜在止痛药物，但至今没有直接源自海洋毒液肽的获批药物靶向钠通道。
一个挑战在于钠通道遍布全身。“它们仍然有趣，但也有些令人沮丧，”维特尔说。“我们认为它们可能对有效镇痛很重要。不幸的是，孔道高度保守，”这使得特异性靶向特定通道并最小化副作用变得棘手。河豚毒素因阻断多种钠通道、干扰全身神经信号而致命。
G蛋白偶联受体：下一个前沿
还有其他许多可成药的靶点。萨法维在犹他州的实验室研究靶向G蛋白偶联受体的毒液肽。GPCR是一个巨大的膜蛋白家族，传递来自细胞外的信号。它们是药物的主要靶点，可能占所有已批准药物的36%。“GPCR很容易成药，但我认为我们已经摘完了所有低垂的果实，”肽化学家贾米森说。“芋螺毒素可能是通往那些困难靶点的有趣途径，”尤其是紧凑的环肽。他形容它们处于小分子（通常选择性不高）和较大的生物制剂（如抗体，生产成本更高）之间的“金发姑娘区”。肽也足够小，不会引起免疫细胞的过多注意。
萨法维课题组研究了生活在菲律宾沿海深达250米处的Asprella芋螺。他们观察到，一个物种用毒液刺鱼后撤退，随后再次攻击同一条鱼。课题组假设这种策略使芋螺避免附着在危险的猎物上。随后他们发现了一组多样化的肽，它们模拟生长抑素激素，作用于生长抑素受体4（SSTR4，一种GPCR）。“它很可能在鱼身上抑制疼痛，”萨法维解释道。“鱼待在原地，甚至不知道被注入了一堆毒液。”该课题组报告称，这些激素模拟物的化学多样性使其成为治疗疼痛、癌症和内分泌失调的合适先导化合物。
人体内存在五种不同的生长抑素受体。只有SSTR4与疼痛信号相关，这引起了研究兴趣，但人体激素不具备选择性。“两个局限在于，生长抑素会激活所有五种受体，并且它很快被体内的蛋白酶分解，”萨法维说。然而，芋螺肽只作用于SSTR4，且具有最小化的结构，含有二硫键和一个D型氨基酸（如前所述）。
制药公司已测试了用于神经病理性疼痛和炎性疼痛的SSTR4激动剂，礼来公司将其小分子CNTX-0290推进至针对糖尿病神经病变的晚期2期临床试验。但今年该药被从公司管线中剔除。“它看起来很有希望，但随后他们停止了开发，也许是因为副作用，但我们确实不知道原因，”萨法维说。最近，萨法维与美国和丹麦的同事报告了受芋螺毒液启发的SSTR4激动剂，它们能缓解小鼠的术后疼痛和神经病理性疼痛，突显了其作为外周疼痛药物先导的潜力。
她还在研究一种深海芋螺毒液肽，它能激活人类神经降压素受体（也是一种GPCR）。“我们不知道它是否在鱼身上抑制疼痛，”萨法维说。“如果你将这种毒素中枢给药给人类、狗或啮齿动物，你会得到非常有效的疼痛抑制。”制药公司对这种受体在疼痛方面的兴趣一直存在。杜克大学的一个课题组报告了一种旨在靶向脑内神经降压素受体1并开启与疼痛缓解相关信号的小分子。
超越芋螺
在纽约长大的霍尔福德喜欢参观中央公园旁的自然历史博物馆。“我想成为一名博物馆科学家，但他们通常不雇佣化学家，”她说。霍尔福德开始研究旋螺科（terebrids），这是一群钻入沙子并以海洋蠕虫为食的螺丝形蜗牛。它们难以采集，获取其毒液“异常困难”，霍尔福德回忆道，而且它们与芋螺在结构上不同。
霍尔福德已将重点转向头足类动物，专注于墨鱼、章鱼和鱿鱼物种，她可以从附近的一个海洋实验室订购胚胎。例如，章鱼在其喙后的唾液腺中制造毒液。一些人怀疑，它们以及蜗牛可以为防御或捕食目的而改变毒液配方。研究人员表示，这是一个被严重忽视的群体。据澳大利亚昆士兰大学的布莱恩·弗莱称，它们很可能产生具有重大潜力的新型化合物，可作为药物设计和开发的起点。
一个优势在于头足类动物的基因组已经发表。霍尔福德的实验室可以利用Crispr基因编辑敲除主要肽毒液基因，观察武器库其余部分的变化。AlphaFold现在允许根据毒液肽序列进行结构预测。“我们有了结构，这更加强大，因为结构决定功能，”霍尔福德说。她的实验室甚至已经能够表征一些来自旋螺的未解化合物的结构，她很快会报告这些结果。
研究单个毒液肽是有意义的，因为多个未知肽一起会复杂化我们对因果关系的理解。然而，海洋毒液是作为一组靶向多个靶点的生物活性化合物的组合体出现的。“我们认为这是一种协同效应，”麦金托什说。“与其生产10倍的毒素，不如制造两种不同的毒素，作用于回路上的两个不同位点。”这提出了一个可能性：毒液肽有朝一日可能以组合方式被研究甚至开发，这对于像慢性疼痛这样复杂和多方面的问题可能尤其有用。联合用药现在已成为治疗癌症等疾病的标准。
“我们仅仅触及了自然化学多样性财富的表面，”维特尔说。冲击和调节一个靶点已被证明对疼痛不太有效，也许因为疼痛对我们的生存至关重要。“系统中存在如此多的冗余，以至于你很少能阻断一个靶点并完全关闭疼痛传递，”维特尔说。“我们正在接受这样的想法：也许我们必须同时处理多个靶点，然后才能有效调节病理状态。”进化有数千万年的时间来精细调整毒液，找到如何以及何时同时拉动多个杠杆。模仿这一点是疼痛治疗中的一个新兴想法。“导致疼痛的途径几乎有无穷多种，”弗莱指出。“同时也有同样多样化的毒液毒素来激活或阻断这些途径。”
乐观情绪之前曾起起落落。2018和2019年左右曾有过一次对毒液肽的大力推动，但贾米森指出，在将其推向患者方面显然存在问题。“这可能说明我们对这些分子如何与受体相互作用以及如何产生药理学作用缺乏了解。”疼痛本身对药物开发者来说是一个困难的领域。肿瘤标志物或组织扫描可以揭示实验性癌症药物的疗效，但疼痛没有经过验证的生物标志物。动物对治疗反应的预测性不强。安慰剂效应也是疼痛缓解中一个更棘手的混杂因素，人们体验相同疼痛的方式也不同。“我曾听到业界的决策者告诉我，你必须疯了才会投资，”Waxman说道，“但我还是力劝他们投资疼痛疗法。值得注意的是，有些公司确实投资了。”
尽管如此，天时地利或许正在汇聚。GLP-1的成功故事意味着“肽领域正在进行一场巨大的复兴”，萨法维说。这可能会支撑对疼痛药物的巨大未满足需求。此外，还有在推导肽结构和遗传工具方面新兴的能力。而且，天然肽是潜力的深水库，其中一些在毒液中天然地协同作用。“我们仅仅触及了自然界提供的化学多样性财富的表面，”维特尔说。每个人都知道推进到临床一直很艰难。“海洋毒液非常棒，但成功的故事并不多，”萨法维说，“我们需要更多成功的故事。”
安东尼·金是常驻爱尔兰都柏林的一名科学作家。
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