改变世界的三把钥匙：前沿科学研究进展报告（第19集）——CBD的镇静舒缓新靶点：Nav1.7

2018年12月，工业大麻（Hemp）获得了美国《农业法案》批准，法案规定，大麻含有的Δ9-四氢大麻酮（THC）含量不得超过0.3%，才能被定义为工业大麻。大麻二酚（CBD）的法律地位随之发生了变化。法案将从工业大麻中提取的CBD由《受控物质法》的第一级别调整至了非受控状态。此后全球工业大麻市场开始升温。根据Grand View Research的报告，截至2022年，全球工业大麻市场规模估计为47.4亿美元，并预计从2023年到2030年以17.1%的复合年增长率增长。2019年国内超过50家A股上市公司宣布进入工业大麻产业。 提取自工业大麻的CBD（大麻二酚）成分，由于具备了优异的药用价值，成为广受关注的工业大麻衍生物之一。

研究资料显示，CBD是工业大麻中含量最丰富的大麻素，由于它不具有精神活性，基本上没有毒副作用，所以被FDA（美国食品药品监督管理局）批准用于治疗难治性小儿癫痫。近年来国内外的研究也证实CBD在皮肤科具有良好的应用前景，可能广泛应用于痤疮、皮炎、银屑病和皮肤肿瘤等疾病。这些皮肤病通常是由于炎症和氧化应激引起的，CBD能够通过抑制炎症细胞的活化和减少氧自由基的产生来治疗这些疾病。

 2021年5月28日，国家药监局正式发布《国家药监局关于更新化妆品禁用原料目录的公告（2021年第74号）》，包括大麻叶提取物、大麻二酚（CBD）在内的一批原料被禁用于化妆品中。当时，“大麻化妆品凉凉”的舆论曾经迅速刷屏。当年被不少人当作CBD品牌的溪木源，迅速发布致消费者的公开信，并宣布停产大麻叶系列产品。

图1 颜宁及哈佛医学院研究论文

然而，在科学层面，来自国内外的科学家，特别是来自中国的颜宁教授对CBD的药效机理研究，却从未止步。2023 年 6 月 17 日，深圳医学科学院颜宁及哈佛医学院 Bruce P. Bean 共同通讯在 《Nature Communications》 杂志发表研究论文 《Cannabidiol inhibits Nav channels through two distinct binding sites》，该研究展示了大麻二酚（CBD）在亚微摩尔浓度下以状态依赖的方式与 Nav1.7 通道相互作用。

图2 CBD 对 Nav1.7失活的有效稳定作用

 在高浓度下，CBD与大量蛋白质相互作用，但哪些靶点与其临床作用最为相关仍不清楚。该研究表明，CBD以状态依赖的方式在亚微摩尔浓度下与NaV1.7通道相互作用。电生理实验显示，CBD与NaV1.7通道的失活状态结合，解离常数约为50nM。CBD与NaV1.7通道结合的冷冻电镜结构揭示了两个不同的结合位点。一个位于上孔附近的IV-I孔中，另一个结合位点直接靠近重复序列III和IV之间的短连接体上的Ile/Phe/Met（IFM）基序的失活“楔形”位置，这个位置介导了快速失活。一致地，突变该结合位点的残基极大地减少了CBD的状态依赖性结合。这个结合位点的发现可能有助于设计与CBD本身相比具有改进性能的化合物，为疼痛药物和皮肤镇静舒缓活性物的设计和开发提供了全新思路！

什么是Nav1.7？

电压门控离子通道（Voltage-gated Ion Channel，VGIC）包括钠、钾、钙等离子通道。电压门控钠离子通道（Voltage-gated sodium (NaV) channel）能够产生细胞的动作电位，在真核生物中对神经调控、兴奋与传导、肌肉蠕动等过程中十分重要，它们对门控的电压依赖性对于从细菌到人的电兴奋性是必不可少的。

钠通道是所有动物中电信号的主要启动键，而电信号则是神经活动和肌肉收缩等一系列生理过程的控制基础。在人体中，一共有九种已知的电压门控钠离子通道亚型，在不同的器官和生理过程中发挥作用。钠通道的异常会导致一系列与神经、肌肉和心血管相关的疾病，特别是癫痫、心律失常和持续性疼痛或者无法感知痛觉等；迄今已经在人体的九种钠通道蛋白中发现了一千多个与已知疾病相关的点突变。此外，钠通道也是许多局部麻醉剂以及自然界中大量的神经毒素的直接靶点，许多蛇毒、蝎毒、蜘蛛毒素等，都是作用于钠离子通道而产生不良后果。

电压门控钠（Nav）通道是许多广泛应用和研究药物的靶点，用于治疗癫痫、心律失常、疼痛和其他疾病。尽管最近在Nav通道的结构解析方面取得了进展，但大多数Nav靶向药物的结合模式仍然未知。上世纪四五十年代，英国科学家霍奇金和赫胥黎发现了动作电位；之后发现电压门控钠离子通道（Nav 通道）引发动作电位，而电压门控钾离子通道（Kv通道）则终结动作电位，恢复至静息状态。自此科学界展开了针对钠通道方方面面延续至今的系统研究；可以说，对钠通道的研究构成了过去60多年电生理研究的重要基石。

图3 四个同源结构域中的每一个构成了离子通道的一个亚单位，S4电压感应段（用+符号标记）显示为带电

电压门控钠通道是表达于细胞膜上的多亚基跨膜糖蛋白，由α和β亚基构成。α亚基属于功能单位，由4个同源跨膜结构域构成， 在人体中α亚基有9种不同的亚型，分别被命名为Nav1.1-1.9。它们的异常失活或激活与多种严重的神经、心血管和肌肉系统疾病相关；Nav1.7或Nav1.8的异常会造成痛觉丧失或者疼痛异常等。John N. Wood教授等科学家的多项研究表明，电压门控钠离子通道Nav1.7及Nav1.8在炎症反应、物理损伤、极端低温条件下的疼痛感知中发挥着特殊的作用，并描述了一种可能的治疗方法，即选择性抑制电压门控钠离子通道，用于缓解骨关节炎等疾病疼痛，或可实现显著疗效且无副作用。

Nav1.7等钠通道是重要的制药靶点，有着巨大的制药前景。获取钠通道的精细三维结构对于理解其工作机理以及制药至关重要。并且钠通道是蛇毒、蝎毒、河豚毒素、蜘蛛毒素等多种动物毒素的直接作用靶点。经过70多年的研究，关于人源钠通道的工作机理的电生理学研究较多，但是获得微量蛋白质样品却极为困难，是结构生物学研究最富挑战的蛋白质之一。除了作为膜蛋白通常具有的技术难度之外，对于真核钠通道高分辨率三维结构的解析还存在着几道额外的很难逾越的“路障”。
    
颜宁教授团队的研究历程与成果

颜宁教授自2007年在清华大学医学院建立实验室伊始即开始了针对电压门控钠离子和钙离子通道的结构生物学攻坚，并于2012年在《Nature》报道了来自一种海洋细菌的钠离子通道NavRh处于失活状态的晶体结构。此后，颜宁课题组又在国际上首次报道了真核生物电压门控钙离子通道Cav1.1的高分辨率结构，为理解相关生理过程（包括但不限于肌肉收缩偶联过程）的分子机理打下了重要基础。

历经十年，颜宁实验室终于解析了真核电压门控钠离子通道的结构。至此，所有经典的电压门控阳离子通道都有了三维结构模板，而其中由单链折叠而成的真核钙离子和钠离子通道结构都是颜宁实验室率先获得，奠定了其团队在该领域的国际领先地位。

2017年颜宁教授科研团队的潘孝敬博士作为共同第一作者，在《Science》 杂志发表了世界上第一个真核电压门控钠离子通道的原子分辨率结构。紧接着在2018年，潘孝敬作为共同第一作者在《Science》杂志揭示了首个人类电压门控钠离子通道Nav1.4与它的特异性调节亚基β1复合物的冷冻电镜结构，分辨率高达3.2埃（即0.32纳米），为深入理解其作用机制及疾病相关突变的机理提供了可靠模板。

在《Science》杂志上的论文中，颜宁科研团队揭示了利用单颗粒冷冻电镜的方法，重构出了可以清晰分辨绝大多数侧链的真核生物钠离子通道（命名为NavPaS）的三维结构。这些通道在神经元动作电位的发起和传播中起着关键作用。这些通道还与各种通道病有关，并被多种药物和天然毒素所靶向。颜宁研究组利用电镜技术，但是反其道而行之，放弃了对于大分子量蛋白的追求，而利用序列分析选取长度最短的真核钠离子通道，成功利用重组技术获得了表达量较高、性质稳定均一的美洲蟑螂（电生理重要模式生物之一）的钠通道蛋白。他们发现通道中的四个重复单元的电压感应域（VSDs）表现出不同的构象。通道的非对称选择性过滤小室入口由重度糖基化和二硫键稳定的细胞外环保护。在细胞质侧，一个保守的氨基末端领域位于第一个电压感应域下方，一个羧基末端领域与第三和第四领域之间的连接器相结合。该结构的解析，为理解钠通道的离子选择性、电压依赖的激活与失活特性、配体抑制机理提供了重要的分子基础，为解释过去60多年的大量实验数据提供了结构模板，并为基于结构的分子配体开发奠定了基础。

Nav1.7对皮肤科学活性成分研究的新启示

 大麻二酚（CBD）近年来受到了广泛的关注，它是大麻中的一种重要成分，但与大麻的另一种成分四氢大麻酚（THC）不同，CBD不具有精神活性，因此不会引起“高潮”感。CBD在医学领域具有广泛的应用潜力，其中一个值得一提的应用是治疗儿童癫痫，经过多项临床试验，Epidiolex是一种以CBD为主要成分的药物，已被美国食品和药物管理局（FDA）批准，用于治疗两种罕见的儿童癫痫Lennox-Gastaut综合症和Dravet综合症。此外，CBD还显示出缓解慢性疼痛的潜力，研究表明，CBD可以通过调节大脑中的受体来减少疼痛和炎症。在皮肤科领域，CBD也备受瞩目，国内外的研究表明，CBD具有抗氧化、抗炎和抗菌作用，可能对治疗痤疮、湿疹和皮炎等皮肤病有益。然而，CBD作用的具体机制和作用靶点仍不十分清楚。
 

Nav1.7是一种电压门控钠通道，是感知疼痛的关键分子。它是由SCN9A基因编码的，主要存在于背根神经节神经元中。背根神经节神经元是感觉神经的一部分，负责将来自身体各部位的感觉信号传输到大脑。因此，Nav1.7在疼痛感知中起着至关重要的作用。在一些罕见的遗传性疼痛症中，例如遗传性感觉和自主神经性神经病，SCN9A基因突变会导致Nav1.7功能异常，从而影响疼痛感知。这使得Nav1.7成为开发新型止痛药的理想靶点。颜宁科研团队的研究表明，CBD能够与Nav1.7结合，这为我们提供了新的视角，理解CBD如何通过影响钠通道来发挥其药理作用。

大麻二酚（CBD）与Nav通道的相互作用是复杂且精细的。CBD作为一种天然化合物，能够抑制Nav通道的活性，具体而言，CBD更倾向于在Nav通道关闭失活状态时与之结合。研究人员为了深入了解CBD与Nav1.7通道的结合机制，使用低温电子显微镜技术，获得了分辨率为2.8Å的CBD与人类Nav1.7通道结合的结构。这一高分辨率的结构揭示了CBD与Nav1.7通道有两个主要的结合位点。第一个位点位于通道的IV-I孔的上部，而第二个位点位于通道的III和IV重复序列之间的短连接体上的Ile/Phe/Met (IFM)基序的失活“楔形”位置。这两个位点的结合可能对Nav通道的快速失活起着重要作用。值得注意的是，CBD的作用虽然有效，但作用速度较慢，需要几分钟时间才能达到接近稳态的效果。

目前，非成瘾性止痛药在医药研究领域有着广阔的应用前景和需求，越来越多的中国女性也在上妆-卸妆的不断循环中面临着皮肤屏障受损、神经末梢暴露、皮肤痛痒泛红等多种皮肤状态不稳定问题的困扰。因此，对于钠离子通道Nav1.7等相关靶点的神经生物学和分子生物学基础研究，将为相关靶向离子通道药物和皮肤科活性成分的设计开发和功效验证，提供新颖而可靠的神经生物学标志性靶点，我们期待着国内外孜孜不倦的科学家们能够早日攻克相关科学难题，为人类健康保障提供更有效更安全的镇静舒缓新成分！

参考文献：

1. Huang J, Fan X, Jin X, et al. Cannabidiol inhibits Nav channels through two distinct binding sites. Nat Commun. 2023;14(1):3613. Published 2023 Jun 17. doi:10.1038/s41467-023-39307-6
2.《颜宁最新成果发布！》.第九棵橡树.丁香学术.2023-6-20
3.《人类电压门控钠通道结构和机理研究的追光者》.义翘神州.iNature.2022-07-20
4.《电压门控钠通道的静息结构和门控机理解析》.小白薯.BioArt.2019-09-18
5.《首个真核生物电压门控钠粒子通道近原子分辨率结构》.清华大学.2017-02-10

来源：荣格-《国际个人护理品生产商情》

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