抑制环氧化物水解酶:阿尔茨海默病治疗新策略研究

来源 :南方医科大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cg120900230
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中国已经进入不可逆转的“老龄社会”。老年性痴呆(Alzheimer’s disease,AD)是一种最常见、患病率最高,以认知障碍为核心的慢性、进行性老年疾病;主要神经病理学特征为老年斑、神经原纤维缠结、神经元和突触的丢失。流行病学调查发现,65岁以上人群中,轻度痴呆在10%左右,中重度痴呆为5%左右;世界上现有3600万AD患者,至2050年可能超过1亿;仅2010年,AD造成的疾病负担就高达6040亿美元。我国65岁及以上老人占总人口的比例已从1990年的5.57%增至2011年的8.9%;据此估计,我国现有AD病人近千万。可见,AD已经成为严重影响我国人口健康和生活质量、阻碍社会经济持续发展的公共健康问题。AD的发病类型有两种:一种是家族性AD,发病较早;一种是散发性AD,发病较晚。AD的病因复杂、发病机制不清楚;一般认为可能是由遗传学、表观遗传学及环境因素等复杂交错在一起而致病。家族性AD是一种常染色体显性遗传病,发病时不到60岁;家族性AD有三种基因发生了突变,淀粉样蛋白前体(Amyloid precursor protein,APP)、早老素1和2(presenilin1,presenilin2,PS1,PS2)。这些突变影响了 APP的酶解代谢过程导致不同β淀粉样蛋白多肽产生增多及比例失衡。50%-70%散发性AD与遗传因素明显相关;载脂蛋白E(APOE)等位基因是一个最为常见的易感基因,几乎50%散发性AD与APOE突变相关。人群中约10%-20%的人携带有APOE ε4等位基因突变,带有一个APOE ε4等位基因突变的杂合子人群会增加AD发病三倍的风险,而带两个APOE ε4等位基因突变的纯合子人群则会增加15倍的发病风险。临床与动物实验研究均发现AD与表观遗传学的调控失衡有关,包括Aβ编码基因DNA的甲基化和组蛋白乙酰化修饰。有趣的是药理学抑制海马区DNA甲基化会损伤记忆,而提高组蛋白乙酰化水平可以提高学习和记忆能力及增加老年小鼠与记忆相关基因的表达。关于AD发病机制提出来许多假说,其中淀粉样蛋白级联假说占主导地位。淀粉样斑块和神经纤维缠结是AD的主要病理改变。淀粉样斑块的主要成份是Aβ多肽,Aβ多肽是由APP通过蛋白酶解产生。APP是一种单次跨膜蛋白,带有一个较大的胞内结构域,在神经元内大量合成并且可以通过不同的方式降解。由αα分泌酶和γ分泌酶先后剪切的话不会产生Aβ,若由β分泌酶和γ分泌酶剪切则会产生Aβ进而泵出细胞或者被溶酶体包涵降解。当合成与清除、聚合的平衡被打破就会导致Aβ堆积从而引发AD。Aβ能对神经元产生毒性作用,在AD动物模型上它可以引起突触结构破坏丧失功能、钙平衡打破、线粒体功能破坏、空间记忆功能紊乱、炎症、神经营养因子表达减少、乙酞胆碱的释放增多等等。而且Aβ的聚集还可以促使tau蛋白进一步聚集然后形成神经纤维缠结。可溶性的低聚体是神经元毒性最强的一种Aβ,有研究证实二聚体和三聚体对突触有毒害作用。有人认为AD患者的认知功能缺陷与脑组织内Aβ低聚体密切相关而不是所有类型的A β沉积。因此针对Aβ研究AD的治疗在全世界范围内进行,学者们设计药物抑制β或者γ分泌酶减少Aβ的产生,虽有一些进入临床试验,但这类药物很难同时实现通过血脑屏障与特异性阻断APP的酶解又不影响其它类似结构的蛋白,像Notch和电压门控钠通道。另外一种就是增加Aβ的清除,通过激活机体的免疫功能清除降低Aβ的水平,这种免疫治疗方式在临床上反而加重的患者的病情,即使在小鼠模型上是可行的。还有一些针对性治疗是预防或者逆转Aβ造成的损害,包括降低tau蛋白水平、磷酯酶A2、环孢素受体D、Fyn水平,逆转EphB2或者Nav1.1的降低,这些方法还需要进一步确定治疗效果和安全性。还有用载脂蛋白E3代替E4进行治疗或者断开载脂蛋白E4与Aβ的联系从而减弱其促Aβ沉积的作用。到目前为止治疗阿尔茨海默病的药物发现了许多,但是通过了 FDA批准的只有两类,一种是乙酰胆碱酯酶抑制剂,能提高机体内神经递质乙酰胆碱的水平,针对AD患者乙酰胆碱分泌减少的治疗。另一种是拮抗NMDA受体(兴奋性谷氨酸受体)从而防止神经元的过度兴奋毒性。但是这些药物只是针对性治疗,并不能阻止疾病的发生发展,效果比较局限。最佳的是能在病情发展到需要正式治疗之前就已经能得到很好的诊断,并能针对病因及发病机制设计药物治疗。环氧化二十碳三烯酸(EETs)是由CYP环氧化物酶消化花生四烯酸产生,有四种亚型:5,6-EET、8,9-EET、11,12-EET 和 14,15-EET,其中 14,15-EET 最多。EETs是一种内皮依赖性超极化因子,具有多种生物活性,EETs可以抑制心肌L型钙通道的开通、通过G蛋白耦联受体刺激BK钙离子通道和组织纤溶酶原激活物的表达、升高胞内cAMP和蛋白激酶K的水平、激活酪氨酸激酶通路、激活Src激酶、分裂原活化蛋白激酶和磷脂酰肌醇3激酶/Akt通路;阻断细胞因子激活NF-κB调节的转录。通过这些途径EETs发挥抗炎、促细胞增殖、血管增生、抗血小板聚集、血管舒张、气管舒张等生物活性。但是EETs在机体的功能非常有限,因为EETs能快速被环氧化水解酶(sEH)降解为相应的二元醇失去活性甚至产生毒性。由于EETs同时能被mEH降解,抑制sEH水解这条通路可以升高EETs的水平又不至于高到离谱。因此sEH抑制剂及其基因敲除被广泛用来研究于改善一些疾病。sEH在哺乳动物中广泛表达于各种组织,包括肝、肾、大脑等。在脑组织中sEH主要位于神经元、胶质细胞、寡突胶质细胞和血管内皮细胞,在胞内大部分在胞浆中也有一些器官是位于过氧化物酶体。PPARα和PPARγ的激动剂均可刺激sEH表达。某些疾病中有发现存在sEH的单核苷酸多态性,有两个:K55R(17%的人群中)R287N(8-14%的人群)。人们已经发现了许多种抑制sEH的药物,这些药物抑制了 sEH碳末端的环氧化物水解酶的活性而不影响氮末端的磷酸酶结构域。最开始的sEH抑制剂是竞争性抑制,包括查耳酮氧化物和环氧丙醇,遗憾的是这些化学物质能被谷胱苷肽及其转移酶降解而快速失活。首先报导在体有生物活性的抑制剂是CDU,通过腹腔注射它能降低小鼠的血压。然后是AUDA,广泛用于培养细胞和动物实验,还能口服给药,但是要求用DMSO溶解,口服给药时需加入环糊精助溶,这就限制了它的应用。之后大家致力于提高抑制剂的水溶性同时又不降低活性,t-AUCB、TPAU、AEPU、APAU应运而生,APAU甚至已经进入Ⅱ期临床试验,但是相信更近的TPPU及t-TUCB会有更好的临床应用可能,它们基本不会抑制靶点以外的酶,像细胞色素P450和hERG。这两种药物在纳摩尔水平就可以起作用,口服后显示出很好的生物活性,药代动力学也比较理想,还可以批量生产。有趣的是,临床在用的Raf激酶抑制剂索拉非尼就是一个sEH抑制剂,与t-CUPM 相似。sEH抑制剂有多种生物活性,包括抗炎、镇痛(炎性或者神经性的疼痛)、抗高血压、缺血损伤保护、改善心肌肥大和防止心肌重塑、抗动脉粥样硬化、治疗肾功能衰竭、抗血小板聚集、治疗肺动脉高压以及让糖代谢紊乱恢复正常。sEH基因敲除同样能升高机体内EET水平在疾病治疗方面达到和sEH抑制剂同样的效果。综上述,我们设想:抑制sEH具有治疗AD的作用。第一,对引进的AD小鼠模型5×FAD转基因(Tg6799)进行基因鉴定,取不同月龄小鼠脑片进行Aβ免疫组化染色,选取淀粉样斑块比较明显月龄的小鼠进行六臂水迷宫学习记忆行为实验,与基因鉴定结果比对,看这种模型在我们实验室的环境条件下是否能正常模拟AD的表型。从结果看,Aβ从2个月的时候开始出现,渐渐变多到6个月的时候已经比较严重,9个月时几乎每处都有。进行六臂水迷宫实验时Tg6799(n=10)小鼠的记忆也受损,比野生型小鼠(n=10)犯的错误次数多(均数比较采用重复测量的方差分析,Mauchly球形检验:W=0.0367,p=0.3188,不拒绝球形假设,无需进行校正;组间比较:F=4.5132,p=0.0477,两组间差别有统计学意义)。第二,引进了 sEH基因敲除小鼠,sEH蛋白电泳结果与基因鉴定结果比对发现敲除小鼠的sEH表达几乎没有。意外的是sEH基因敲除能增强小鼠对恐惧学习的记忆能力,不动时间百分比:sEH基因敲除小鼠,49.9±4.0;野生型小鼠66.3±3.6,(n=9,均数比较采用两独立样本t检验,t = 3.065,p=0.007,两组比较有统计学差异)。第三,检测2个月和6个月Tg6799小鼠的sEH表达水平后,我们发现这种AD小鼠(n=3)的sEH表达水平与野生型小鼠(n=3)相比在2个月的时候没变化(灰度值:WT,0.77±0.11;Tg6799,0.90±0.04。均数比较采用两独立样本t检验,t= 1.099,p= 0.333,两组比较没有统计学差异)而在6个月病变比较重的时候出现表达水平升高(灰度值:WT,0.58±0.01;Tg6799,0.91±0.4。均数比较采用两独立样本t检验,t=-7.026,p= 0.002,两组比较有统计学差异)。第四,我们从饮水中给予3月龄Tg6799小鼠(n=10)sEH抑制剂TPPU(1毫克每公斤体重每天),与给予相应的溶剂对照组(n=10)相比确实极大地减少了脑组织内与记忆功能密切相关的海马(对照组:61.57±16.00;给药组:16.50±3.20;p= 0.03,两组比较有统计学差异)与皮层(对照组:57.43±13.25;给药组:20.80±2.92;p= 0.032,两组比较有统计学差异)中淀粉样斑块的沉积。为了更进一步研究抑制sEH具有治疗AD的作用,我们将sEH基因敲除小鼠与Tg6799小鼠杂交,得到的子代杂合子互相交配,第二代小鼠用来检测淀粉样斑块病变、Aβ的水平及学习记忆功能。结果发现APP/PS1/sEH-/-小鼠在3个月(n=4)和6个月(n=4)的时候比APP/PS1/sEH+/+小鼠的斑块数量(3个月海马:APP/PS1/sEH+/+,76.44±19.35 和 APP/PS1/sEH-/-,42.26±16.89,p=0.232,无差异;皮层:APP/PS1/sEH+/+,69.44±12.71 和 APP/PS1/sEH-/-,46.19±10.56,p=0.2,无差异。6 个月海马:APP/PS1/sEH+/+,108.25±10.56 和 APP/PS1/sEH-/-,58.55±4.66,p= 0.005,有差异;皮层:APP/PS1/sEH+/+,92.06±3.82 和APP/PS1/sEH-/-,41.66±7.14,p=0.001,有差异)及Aβ所占海马和皮层区域的面积百分比明显要少(3个月海马:APP/PS1/sEH+/+,0.70±0.18和APP/PS1/sEH-/-,0.17±0.03,p= 0.029,有差异;皮层:APP/PS1/sEH+/+,0.59±0.13 和APP/PS1/sEH-/-,0.20±0.04,p=0.049,有差异。6 个月海马:APP/PS1/sEH+/+,0.67±0.08 和 APP/PS1/sEH-/-,0.38±0.05,p= 0.02;皮层:APP/PS1/sEH+/+,0.66±0.04 和 APP/PS1/sEH-/-,0.29±0.02,p= 0.0002),但是在 10 个月的时候就没有发现有什么变化。第五,取6月龄小鼠的脑组织蛋白进行Aβ的ELISA检测,结果发现sEH基因敲除对神经元及突触毒性更强的可溶性Aβ有影响,APP/PS1/sEH-/-组比APP/PS1/sEH+/+组的可溶性Aβ的量明显减少(Aβ1-40:APP/PS1/sEH+/+,0.69±0.18 和 APP/PS1/sEH-/-,0.14±0.06pmol/g · brain,p= 0.028;Aβ1-42:APP/PS1/sEH+/+,3.19±0.67和APP/PS1/sEH-/-,1.36±0.25,p= 0.042),而不可溶性的Aβ则没有改变(Aβ1-40:APP/PS1/sEH+/+,15.94±3.57和APP/PS1/sEH-/-,12.30±2.00,p=0.407;Aβ1-42:APP/PS1/sEH+/+,32.35±2.36 和APP/PS1/sEH-/-,34.05±0.46,p= 0.507)。第六,我们用10月龄小鼠进行六臂水迷宫实验时没有发现记忆功能得到恢复的情况(重复测量的方差分析,Mauchly球形检验:W=0.282,p=0.693,不拒绝球形假设,无需校正;组间比较:F=2.79,p=0.055,无统计学差异)。第七,Aβ是APP的代谢产物,脑组织蛋白电泳发现sEH基因敲除对APP表达水平没有影响(灰度值:APP/PS1/sEH+/+,0.52±0.05;APP/PS1/sEH-/-,0.46±0.02,p=0.238),APP代谢过程产生的C末端片段也没有发生改变(CTFs:APP/PS1/sEH+/+,0.82±0.06;APP/PS1/sEH-/-,0.80±0.08,p=0.818)。结论:综上所述,AD小鼠的脑组织内sEH表达水平增高,sEH抑制剂及sEH基因敲除可以减少AD小鼠Aβ聚集和淀粉样斑块的形成,而Aβ的减少并不是由于Aβ的产生过程发生改变,可能是sEH基因敲除影响了 Aβ的降解清除过程,这个还有待进一步证实。sEH抑制可能是干预AD的一个新的治疗措施。
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