上海药物所合作揭示抗癫痫候选新药派恩加滨的分子作用机制

　　癫痫是神经内科重大疾病之一，发病率接近1%，中国有近1000万癫痫患者。其中，约三分之一的癫痫患者对现有药物均不敏感，被称为难治性癫痫。KCNQ钾通道包括KCNQ1 ~ KCNQ5五个亚型，其中KCNQ2是确证的癫痫治疗靶点。首个靶向KCNQ2通道的抗癫痫药物瑞替加滨（Retigabine，RTG）于2011年上市，但存在严重的剂量相关的皮肤及视网膜色素沉积等毒副作用，其原研公司葛兰素史克（GSK）基于商业原因于2017年将其主动撤市。高效但没有色素沉积等副作用是靶向KCNQ2抗癫痫药物研发的一个方向，特别随着抗抑郁等扩展适应症研究结果披露，KCNQ2近年来备受关注。派恩加滨（Pynegabine，HN37）由中国科学院上海药物研究所自主研发，已推进至临床II期研究阶段，国内权益已转让。与瑞替加滨相比，派恩加滨的化学性质、活性、药代和安全性特征均显著优化，没有色素沉积风险，在包括难治性癫痫在内的多种动物模型上显示良好抗癫痫效应（图1）。临床I期试验证明其具有良好的安全和代谢特性。派恩加滨作为新一代靶向KCNQ通道的抗癫痫药物，有望为众多难治性癫痫患者提供药物治疗新选择。 

　　上海药物所高召兵课题组围绕与神经系统重大疾病有关的离子通道为中心，致力于推进离子通道新机制、新功能研究，发现新型离子通道，研发离子通道新药。课题组在KCNQ通道相关的抗癫痫/镇痛药物发现和机制研究中与合作者共同开展了系列研究工作：建立高通量筛选体系发现一系列KCNQ小分子激动剂（Mol Pharm. 2015; Acta Pharmacol Sin. 2016; JMC. 2020）；证明激活外周KCNQ通道可有效镇痛（Pain. 2015）；揭示了KCNQ2通道小分子激动剂的亚型选择性直接受胞内信号通路调节，与细胞膜二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水平直接相关（PNAS. 2013a）；结合分子模拟模拟，揭示了PIP2增强KCNQ2电压敏感性动态调节机制，发现了新的PIP2 结合位点（PNAS. 2013b）；证明一个通道结合一个小分子激动剂即可实现药理学效应（Cell Res. 2016）；证明抗癫痫新药派恩加滨在自发性癫痫发作的点突变小鼠模型上具有较好的治疗效应，提示KCNQ2通道激动剂类药物可能对KCNQ2突变致先天性癫痫有治疗效果（Neurobiol Dis. 2022）；采用CRISPR/Cas9技术修复KCNQ2通道单点突变，率先在动物体内水平实现遗传性癫痫的基因治疗（Acta Pharmacol Sin. 2023）。

　　派恩加滨作为新一代KCNQ2通道激动剂，理解其强效激动KCNQ2通道的分子作用机制对指导临床实验和KCNQ通道药物研发均有重要意义。为此，课题组联合浙江大学郭江涛教授开展合作研究。2023年10月19日，联合团队在Nature Communications 发表研究论文“Ligand activation mechanisms of human KCNQ2 channel”，报道了人源KCNQ2- HN37和PIP2复合物的结构，揭示了派恩加滨的分子作用机制。冷冻电镜结构显示1个KCNQ2亚基可结合2个HN37分子，表明1个KCNQ2通道最多可结合8个HN37分子；通过比较关闭态和开放态的KCNQ2的结构，并结合其它KCNQ2激动剂大麻二酚（CBD）等的结合模式，该论文对KCNQ2激动剂作用机制进行了较为全面的分析。

　　不同于对 KCNQ2增强活性较弱的小分子激动剂RTG（KCNQ2-CaMRTG），1个KCNQ2亚基中仅结合1个RTG小分子；在KCNQ2-CaMHN37结构中，1个KCNQ2亚基结合2个HN37分子：HN37A和HN37B（图2a和b）。其中，HN37A结合于RTG结合口袋（图2c），表明它可能与RTG的激活机制相同；而HN37B结合在电压感受区（VSD）和孔道区（PD）的界面处（图2d）。结合口袋获电生理研究证实。结合更多结构和电生理研究，论文推测HN37B可能有稳定HN37A的作用，或可部分发挥PIP2的功能。派恩加滨不同于瑞替加滨的两组结合位点，以及本研究揭示的与PIP2潜在的相互作用，可能是其强效激动活性的分子基础。

　　浙江大学基础医学院博士生马德敏和李潇潇、上海药物所郑月明副研究员和周晓宇博士为论文的共同第一作者。浙江大学基础医学院郭江涛教授和上海药物所高召兵研究员为共同通讯作者。该工作还得到派恩加滨共同发明人上海药物所南发俊研究员, 浙江大学医学院杨巍教授、苏楠楠教授、赵国华教授、方嘉佳教授和澳门科技大学侯盼盼助理教授的大力支持；电镜数据收集工作得到浙江大学冷冻电镜中心的大力支持。本研究受国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、国家杰出青年科学基金、国家科技创新2030重大计划和中国科学院青年创新促进会、国家重点研发计划等项目的资助。

　　原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42416-x


图1. 抗癫痫候选新药派恩加滨（Pynegabine，HN37）

图2. 结合HN37的KCNQ2-CaM结构（KCNQ2-CaMHN37）