财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 抗抑郁药、器官移植和二甲双胍 | 巡山报告

抗抑郁药、器官移植和二甲双胍 | 巡山报告

导  读

一些致幻剂可以在几十分钟内,快速改善精神疾病的症状,但危险也是很明显,会使人产生强烈的幻觉,影响人的正常行为。那么,有没有可能取其精华,去其糟粕,开发出快速抗抑郁又不会致幻的药物?未来的器官移植会是什么样的?神药二甲双胍这么厉害,我们对它的作用机制了解多少?

本期生命科学·巡山报告,“智识前沿学者”、浙江大学教授王立铭为你讲解以上问题。
 

撰文 | 王立铭

 

你好,我是王立铭。2022年3月6日,第37期《巡山报告》又和你见面了。 在刚刚过去的这个月里,生命科学领域有这么几个重要进展,我认为你值得关注。  

1、基于蛋白质结构改造抗抑郁药

第一个话题和抑郁症药物开发有关。 你肯定听说过抑郁症。这种可能会严重影响情绪的精神疾病,影响了全世界大约2.8亿人 [1]。抑郁症患者当中,有很多你耳熟能详的名人:林肯、丘吉尔、海明威、川端康成、戴安娜王妃、柏杨,三毛、张国荣……其中有些人还因此自杀离世。据世界卫生组织,每年全世界都有超过80万人死于自杀 [1]。 和人类很多疾病不同的是,抑郁症这种没有明显器质性病变的精神疾病,长期被人类所忽视、误解,甚至污名化。这严重影响了抑郁症患者的诊断和有效治疗。

直到今天,全世界仍然有超过一半的患者没有接受过有效的治疗,在中国,这个比例甚至不到20%。而对于那些在积极寻求治疗的患者来说,仍然有巨大的障碍在等待他们:人类至今发明的抑郁症治疗手段,实在是太有限了!传统的治疗方案无非是心理治疗和药物治疗——而抑郁症药物的进展,在过去半个世纪里只能说差强人意。 目前在市场上广泛使用的抗抑郁药物,大多数都是通过影响人脑中一种叫做5-羟色胺,或者血清素(Serotonin)的神经信号分子起作用的,比如百优解(Prozac)、左洛复(Zoloft)、喜普妙(Celexa)和来士普(Lexapro)。但这一类针对血清素的抗抑郁药有一个让人很挠头的问题。这些药物很 “挑” 患者,一个患者经常需要反复尝试不同的药才能找到一个相对而言效果好且副作用少的。

更重要的是,这些药物起作用很缓慢,往往需要一两个月才能看到效果,大大限制了它们的应用范围,比如无法应用于那些病情特别危急,特别是有强烈自杀倾向的患者。 我们在2019年4月份的《巡山报告》里,系统讨论过抑郁症药物的现状和未来开发方向。近年来一个特别值得关注的方向,是几种传统意义上有致幻作用的毒品,比如人工合成的氯胺酮(“K粉”,Ketamine)[2],MDMA(“摇头丸”,亚甲二氧甲基苯丙胺)[3],LSD(麦角酸二乙基酰胺)[4],以及提取自迷幻蘑菇的裸盖菇素(psilocybin)[5],都被发现能够在几十分钟内,快速改善精神疾病的症状,并且对于那部分使用血清素类药物无效的严重抑郁症患者也有效。

目前在不少欧美国家,这些致幻剂已经被非正式地用于抑郁症治疗。[6] 但问题也是显而易见的。这些致幻剂被监管机构定义为毒品,纳入强管制,对私自生产、销售和使用追究刑事责任,不是没有道理的。它们会显著改变人的思维、情感和知觉,产生强烈的幻觉,影响人的正常行为。 那么有没有可能保留精华、舍弃糟粕,选择性地保留它快速抗抑郁的功能,摒弃产生异常精神反应的作用,从而获得更好的新一代抗抑郁药呢?这个问题听起来顺理成章,但也始终存在很大的争议,比如很多人认为,从神经生物学的角度,这些药物的抗抑郁作用和致幻作用是无法分割的一体两面。 

2022年1月28日,来自中国科学院生物化学和细胞生物学研究所和上海科技大学的科学家们在《科学》杂志发表了一篇论文,通过结构生物学的方法,解释了致幻类毒品产生致幻效果的具体机制,并根据这些信息设计出了保留抗抑郁作用,但没有致幻作用的小分子药物。[7] 这项工作的出发点是非常直接的。人们已经知道,这类致幻剂在大脑中的作用靶点是血清素的一个特殊的受体蛋白质(5HT2AR),它是人脑中10多个血清素受体的一个成员。

因此,研究者们首先纯化了5HT2AR这个蛋白质,分别加入血清素分子、LSD分子、脱磷酸裸盖菇素(psilocin),以及另一种能够结合5HT2AR但不会致幻的药物分子麦角乙脲(lisuride)。然后通过X射线晶体学的方法,解析了血清素受体蛋白和四种不同药物结合的三维立体结构,从而可以仔细观察这些药物到底是如何结合血清素受体的。 

我们跳过技术细节,大致可以看到这样的结果:血清素受体蛋白内部有两个“口袋”结构,分别叫做OBP和EBP,可以容纳和结合小分子药物。当这两个口袋被结合之后,血清素受体就会被激活,在神经细胞内启动一系列的生物化学反应。OBP的结合的激活作用较强,对应的是G蛋白(G protein)通路;EBP的结合则对应的是beta-抑制蛋白(beta-arrestin)通路。

当然,这些名字你可能不需要记住,只要知道血清素受体的不同口袋对应了不同的信号放大过程就行了。 科学家们的研究显示,致幻剂LSD分子能够同时占据这两个口袋,而致幻剂脱磷酸裸盖菇素分子小一点,可以结合这两个口袋中的任意一个,要么OBP要么EBP,因此这两个药物都能够同时强烈地激活两条信号放大过程。而不会产生幻觉的两个药物中,麦角乙脲的结合模式类似LSD;血清素则类似裸盖菇素,但结合EBP的强度都要更低一些。 上面的描述可能还是有点难以理解,再给一个简单的总结吧: 基于上述这些信息,药物的致幻作用可能是通过同时强烈刺激血清素受体的两个口袋实现的。

因此,如果能够设计一种分子,专门结合EBP区域,绕开作用更强的OBP区域,那么就有可能实现对血清素受体的特殊激活模式,只影响其下游的beta-抑制蛋白通路,在保留抗抑郁效果的同时,尽可能减弱致幻效果。 根据这个原则,科学家们设计了一系列化学分子,并且在动物模型中进行了验证。果然发现,这些能够特异结合EBP口袋的分子(特别是IHCH-7086)确实实现了只抗抑郁不致幻,而那些能够同步结合OBP和EBP口袋的分子(IHCH-7113)则同时体现出了抗抑郁和致幻的效果。 

这项研究的内容就给你介绍这么多,可能技术细节已经有点过于复杂了。从结果来看,研究者们获得了几个在动物模型中可以规避致幻效果的抗抑郁分子,可能可以直接启动下一步的药物研发工作。当然这里面还有大量的技术问题需要解决,比如单就小鼠的致幻和抑郁行为模型,能否很好地预测人体反应,就是一个需要谨慎处理的问题。 

但我认为,可能更重要的是,这项研究很好地证明了结构生物学在药物开发过程中的独特价值。其实蛋白质结构早已广泛用于药物设计开发的各个环节,在今天的新药研发机构中,科学家们会频繁地利用结构信息来筛选和优化候选药物,以实现更专一和更强的结合能力。但这项研究所展示的思路还要更进一步:研究者利用细微的结构信息来理解同一种药物——比如致幻剂——是如何同时产生我们期待的抗抑郁作用和不期待的致幻效果的,并且利用这些信息继续优化药物设计,对这些作用进行取舍。 

今天市场上广泛使用的各类药物,基本或多或少都会有些副作用——只要看看药品说明书的详细介绍就知道了。这些副作用的来源,要么是药物靶向了本不该被影响的重要蛋白质分子,要么是药物所靶向的蛋白质分子有好多不同的功能,有的和疾病有关、有的无关,难以被药物精细地区分。想要解决这些问题,蛋白质精细的三维结构会起到很关键的作用,本项研究就是一个很有启发意义的证明。

 

2、器官移植的几大步 
 

最近这段时间,你可能看到了不少器官移植技术方面的大新闻。 2021年10月22日,美国纽约大学的医生们把一颗来自猪的肾脏连接到了一位脑死亡患者的大腿血管上,证明了这颗来自其他动物的肾脏能够有效地过滤血液和产生尿液,同时至少在50多个小时的观察窗口内,没有看到明显的急性排异反应。[8]

2021年11月22日,纽约大学的医生们又重复了一次猪肾移植试验并再次取得成功。[9]

在这两次试验中,医生们使用的猪肾经过了基因编辑,猪体内的一个名叫alpha-gal4(alpha-半乳糖苷酶)的基因被基因编辑技术破坏了。[10] 之所以这么做,是因为猪的体内这种酶的活性特别高,导致猪细胞表面存在大量的alpha-半乳糖分子,特别容易引起人体免疫系统的识别和杀伤。这个处理看起来有效降低了异种器官移植引发的排异反应。 

到了2022年1月20日,美国阿拉巴马大学伯明翰分校的科学家们发表论文,披露了另一次猪肾移植的研究。[11] 这次他们更进一步,直接把两颗猪肾移植到了脑死亡患者的体内,取代了患者本身的两颗肾脏。这进一步证明了猪肾不光能和人体循环系统连通并产生尿液,还说明它能在人体内相应的地方工作。 这次使用的猪肾经历了更加复杂的遗传操作,4个基因被移除,包括三个负责生产细胞表面糖分子的基因(GGTA1、 CMAH、b5GalNT2)和一个生长因子受体基因(GHR),前者仍然是为了降低猪细胞表面特殊的糖分子,避免它们被人体免疫细胞攻击,后者则是为了控制猪器官的生长速度,防止它超过了人体能够容纳的范围。

与此同时,还有6个人体基因被转入了猪器官(DAF、CD46、TBM、EPCR、CD47、HO1),具体功能就不展开说了,但和防止人体免疫系统的过度攻击,以及避免凝血反应有关。 两颗猪肾在患者体内正常工作了77个小时,直到研究者们主动停止了试验。 上面说的这些还是试验性质的器官移植,毕竟测试对象都是已经脑死亡的患者。

而在2022年1月10日,美国马里兰大学的研究者们又往前走了一大步。这一次,他们把猪心移植给了一位还活着的人! 一位57岁的男性患者身患严重心脏病,换颗心脏已经是他唯一的指望。医生们在长达9个小时的手术中将一颗同样接受了基因操作的猪心移植到他的身体中,取代了他原有的心脏。这颗心脏看起来工作得相当不错,我能查到最近的新闻是,至少到2022年2月底,手术一个半月之后,这名患者还活着,而且还收看了美国著名的橄榄球超级碗![12] 这些研究的意义可能不需要我多强调了。我们都知道,器官移植是许多严重疾病患者最后的救命稻草。

2021年,仅在美国就进行了超过4万次器官移植手术,其中肾脏、心脏和肝脏移植排名前三。但人体器官供应却长期处在严重不足的状态,就在2022年3月初,仍有超过十万名患者正在等待合适的器官 [13]。因此,如果能利用猪为我们源源不断地制造合适移植的器官,那能够拯救的生命数量将非常可观。 当然,咱们可能也需要冷静一点考虑,即便临床研究实现了这些突破之后,猪器官移植可能还需要相当长的研究,才能真正进入大规模临床应用。

猪的器官在人体内到底能工作多久,是否能够避免慢性的排异反应,能否和人体其他器官和谐相处,都是尚未得到完全解答的问题。而且作为一项具有革命性的新技术,在猪器官进入人体应用的早期阶段,可能任何一点失误或者失败,都会大大拖累这项技术前进的步伐,毕竟基因治疗领域已经多次出现过类似的现象了。 

在这之前,传统的人体器官移植仍然是最可期待和指望的技术。而且要说明的是,人体器官移植并不是没有可挖掘的潜力了。比如你大概也听说过,器官移植需要考虑所谓的HLA配型。HLA(human leukocyte antigen),人类白细胞抗原,你可以简单地理解成分布在每个人体细胞表面的身份标签,帮助免疫系统识别自身和非自身来源的细胞。人群中找到一个和你HLA配型完全一致的概率是非常低的,大概只有几万到几十万分之一。即便一般器官移植中并不需要配型完全合适,还有一些药物可以降低排异反应的程度,但它还是大大提高了寻找到合适器官的难度。近年来也有不少研究试图用基因编辑的方式操纵HLA基因,制造通用型的器官。[14] 

除了HLA配型之外,另一个干扰人体器官移植的因素是血型。就像O型血可以给所有血型输血,而别的血型不能给O型血输血一样,器官移植也遵循同样的规则。这个道理和我们刚刚提到的细胞表面的糖分子有关。我们大致可以这么理解,人类ABO血型的区别,其实就是细胞表面糖分子的形态区别。比如你可以设想A型血的人细胞表面的糖分子是三角形,B型血是圆形,AB型血是三角形和圆形都有,O型血则是三角形和圆形都没有。

相应的,血液中还有针对这些糖分子的抗体,但恰好不会有针对自身的抗体。比如A型血体内只有圆形抗体,B型血体内只有三角形抗体,O型血体内则两种抗体都有。 这样一来你就可以想象,如果把A、B、AB型血的人的器官移植到O型血人体内,后者体内的抗体就会猛烈地攻击这些器官表面的糖分子,产生急性排异反应和器官衰竭。相反的移植方向则没有这个问题。

这样一来,同样都是急需器官移植的患者,O型血的人往往需要等待更长时间,才能等到合适的器官。 这怎么办呢?根据上面的讨论,一个简单粗暴的思路就是去掉器官表面的糖分子,刚刚我们讲到的基因编辑猪肾就是这个思路。但人体现在显然不适合拿来做基因编辑试验。那有没有什么别的办法呢?也有,2019年,一篇发表于《自然-微生物学》的论文表明,来自人体肠道细菌的两种酶,FpGalNAc去乙酰化酶和Fp半乳糖胺酶,在体外就可以工作,把A型血细胞表面的三角形糖分子切掉,让它变成O型血细胞的样子。[15] 

2022年2月16日,一篇发表于《科学-转化医学》杂志上的研究进一步利用了这个简单粗暴的思路来改造人体器官 [16]。研究者们找到一些已经失去了移植价值的A型血的肺,在恒温环境中用泵持续灌注液体保持肺组织的张力,这其实是器官移植手术中的常规操作。只不过这次,研究者们在灌注的液体里加上了这两种酶。在四个小时的持续灌注清洗后,肺部细胞表面的A型血特征,三角形糖分子,有97%都被祛除了。而肺的整个形态看起来仍然非常健康。

也就是说,这两种专门修剪细胞表面糖分子的酶,能够在几个小时的时间里,把A型肺变成O型肺! 研究者们也进一步证明了这种转变的效力。他们接着把O型血灌注到肺的血管里,用来模拟肺移植之后 “工作” 的场景。对于没有接受清洗的A型肺来说,O型血进入之后,抗体分子会大量聚集在肺部细胞附近,产生炎症反应,杀死肺部细胞,产生类似排异反应的情况;而相比之下已经清洗过的A型肺则要表现好得多。 当然,一个还无法回答的问题是,就算这些A型肺被清洗成了O型肺并且顺利移植,但之后它会不会重新长出三角形的糖分子呢?

从原理上可能确实会,因为细胞表面的糖分子形态,是这些细胞自身携带的基因决定的,能被短暂修剪,但还会自己长回来。但话说回来,在这个时间窗口里,人体免疫系统可能也会逐渐形成对这个外来器官的习惯和接受。这种操作的长期效果,还需要更多人体内的研究加以确认。 但不管怎样,从脑死亡患者的猪肾移植,到大活人的猪心移植,从编辑一个基因到十个基因,从改变人体器官的HLA配型到血型,器官移植的未来,一定是制造通用型的、可以大规模供应的、可以在人体中长期工作的器官。我们还会持续关注这个激动人心的领域。

 

3、二甲双胍的作用靶点 
 


我们已经在《巡山报告》中几次提到过二甲双胍(metformin)这种神药。二甲双胍早在1922年就被人合成了出来,很快被证明有很强的降血糖效果。但一直到1990年代之后,才真正站上了糖尿病治疗的舞台中央。一直到今天,它凭借便宜、安全、好用的优势,仍然是全球2型糖尿病治疗的一线首选药物。

不光能够治疗糖尿病,二甲双胍还被证明有非常广泛的健康功效,比如降低体重,改善代谢指标,延缓认知衰退,甚至还有预防多种癌症的效果。更有意思的是,它甚至还被发现可能能够延缓衰老、延长寿命。[17] 目前还有几个大规模临床试验,正在验证它是否真的能够延长健康老年人的寿命。[18] 然而,二甲双胍如此惊人的效用,人们却一直都不知道它到底是怎么起到这些作用的。这一点在新药研发手段已经高度发达的今天,实在是一件很不同寻常的事情。这本身和二甲双胍的来历是有密切关系的。

二甲双胍的诞生非常偶然,它并不像近年来出现的大多数药物,首先搞清楚疾病的机理,找到可能的药物靶点,然后针对靶点设计药物,整个路径逻辑清晰,目标明确。但二甲双胍的来源,是100年前,人们先是发现一种叫做山羊豆的野草能够降低食草动物的血糖,再从山羊豆中提取出了降血糖物质山羊豆碱(galegine),然后才根据山羊豆碱的化学结构合成了衍生物二甲双胍。  当然,对于二甲双胍的机制,人们也不是一点线索都没有。人们早就知道二甲双胍能够降低肝脏中生产葡萄糖的过程,从而降低血糖。也知道二甲双胍的这个作用很可能依赖于激活一个叫做AMPK的酶分子,它是人体能量代谢的核心开关之一,能够在低能状态下被激活,启动一系列的机体代谢反应。 

换句话说,二甲双胍的药效很可能是在人体中模拟了饥饿状态的反应,而我们确实也知道节食能够有效地延缓衰老。[19] 但二甲双胍本身到底是如何实现这些效果的,各种说法众说纷纭。就我看到的扯得最远的解释,居然都联系上了肠道菌群![20] 过去几年,厦门大学林圣彩实验室围绕AMPK这个代谢调节的核心要素,做了一系列非常漂亮的工作,发现在能量缺乏状态下,AMPK能够被牵引到细胞内一个叫做溶酶体的细胞器表面并在那里被激活 [21],他们也发现,二甲双胍对AMPK的影响,也是通过这条溶酶体途径。[22] 

2022年2月24日,在这些研究的基础上,林圣彩实验室在《自然》杂志发表论文,宣布找到了二甲双胍在体内的直接靶点,是一个名叫PEN2的蛋白质。[23] 这项研究的出发点非常直接:二甲双胍的直接靶点必然可以和二甲双胍分子直接结合,而既然二甲双胍作用于上面讨论的溶酶体途径,那它的直接靶点应该也定位于溶酶体上。

既然如此,研究者们就设计了一个巧妙的方法,把二甲双胍分子做成一个 “鱼钩“,放进溶酶体提取物中,把所有能够和二甲双胍结合的蛋白质全部钓出,通过质谱进行鉴定分析。在钓出的2000多种蛋白质中,他们又从中找出了确实定位于溶酶体的300多种蛋白质,逐一检验后发现了113种确实可以和二甲双胍直接结合。然后,他们又逐一在细胞里用遗传方法破坏这113个基因的表达,发现只有其中一个在破坏之后,二甲双胍就无法调节AMPK的活性了——而这个基因就是PEN2。 

请注意,刚刚这几句话里,我们描述的是一个工作量极其庞大和繁琐的程序,从2000多个可能的候选中,一步步筛选聚焦,才找到了一个二甲双胍的候选靶点。 接下来是更重要的靶点验证工作。如何知道PEN2就是二甲双胍的靶点呢?研究者们做了一系列精细的生化实验,证明了二甲双胍在结合PEN2之后确实能够参与到AMPK的活性调节过程,和同一实验室过去几年的研究对上了。

但更重要的可能是,研究者们证明,如果动物体内缺乏PEN2这个靶点,那么二甲双胍已知的许多功能,包括餐后降血糖、促进胰岛素分泌、减少肝脏脂肪堆积、甚至是延长寿命,都消失了。 

话说回来,是不是我们就可以下结论,PEN2是二甲双胍唯一直接的靶点,二甲双胍的机制研究就此可以盖棺定论了呢?我感觉可能也还没到时候。这倒不是说这项研究本身有什么问题,而是因为围绕二甲双胍这个神药,已经有好多种解释机制被提了出来,到底只有最近这项研究是对的,还是说二甲双胍确实有好多并行的作用机制,甚至未来还会不会有新的机制解释被提出,可能还仍然是个长期争论的问题。 还有,如果想要进一步明确PEN2是二甲双胍的靶点,还有不少更有确定性的工作可以做。

比如说,二甲双胍如何实现与PEN2蛋白的高效结合,这种结合是否需要其他帮手,就是个有意思的问题,特别考虑到PEN2本身也是个体型不大的小型蛋白质,似乎也没有明显的口袋可供药物结合。我们也许可以通过结构生物学的方法获得PEN2和二甲双胍的结构,搞清楚二甲双胍如何结合PEN2,如何改变它的结构和活性,并实现对AMPK的调节。

利用这些信息,我们也能在PEN2蛋白中引入特定位点的突变,使得二甲双胍无法结合,来进一步验证二甲双胍的生物学功能是不是完全依赖与PEN2的结合。如果基于二甲双胍和PEN2的结合模式,设计出能够模仿二甲双胍效果的新化学物质,那或许就能更近一步确认PEN2的靶点地位。 还有,这项研究聚焦在溶酶体上,那么在此之外,在细胞质当中,在其他细胞器上,二甲双胍是否还有别的结合靶点,是否能发挥别的类型的调节作用?

再有,PEN2这个蛋白本身也有已知的功能,它是gamma-分泌酶的调节因子,参与许多跨膜蛋白的降解过程。那么它自身的活动在人体细胞中是如何被调节的,以及这些调节过程和二甲双胍的作用机制是否有关系? 但无论如何,这些问题本身无损于这项研究的价值。其实,能够引出这么一系列的问题,本身也说明这项研究的意义和价值,也再次显示了二甲双胍这个百年神药的神秘魅力。 好了,这就是本月的巡山报告。下个月6号,我继续为你巡山。 

 

参考文献:

[1]https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/depression

[2] https://www.amg-ketamine.com/wp-content/uploads/2021/06/6-Antidepressant.pdf

[3] https://www.nature.com/articles/s41591-021-01336-3

[4] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6985449/

[5]https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/nejmoa2032994

[6] https://www.nature.com/articles/d41586-021-00187-9

[7] https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8615

[8] https://publichealth.nyu.edu/events-news/news/2021/11/05/breakthrough-xenotransplantation

[9] https://nyulangone.org/news/nyu-langone-health-performs-second-successful-xenotransplantation-surgery

[10] https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-first-its-kind-intentional-genomic-alteration-line-domestic-pigs-both-human-food

[11] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ajt.16930

[12] https://www.youtube.com/watch?v=affWrDKZ9zw

[13] https://unos.org/news/2021-all-time-records-organ-transplants-deceased-donor-donation/

[14] https://link.springer.com/article/10.1007/s12015-020-10113-7

[15] https://www.nature.com/articles/s41564-019-0469-7

[16] https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/scitranslmed.abm7190

[17]  https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fendo.2021.718942/full

[18] https://www.afar.org/tame-trial

[19] https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7292

[20] https://www.nature.com/articles/nm.4345

[21]

https://www.cell.com/article/S1550-4131(14)00279-4/fulltext; https://www.nature.com/articles/nature23275;

[22] https://www.cell.com/cell-metabolism/pdfExtended/S1550-4131(16)30481-8

[23] https://www.nature.com/articles/s41586-022-04431-8

 

 



推荐 0