針對(duì)BACE1治療Alzheimer's病的進(jìn)展

蘇義+魯艷紅+余昌胤

【摘要】AD患者腦中BACE1活性升高，導(dǎo)致Aβ生成增多。BACE1被證實(shí)是腦中主要的β-分泌酶，是Aβ形成的關(guān)鍵限速酶。BACE1抑制劑、BACE1基因敲除、BACE1siRNA治療、UPP調(diào)節(jié)劑可減少BACE1的表達(dá)或抑制其活性，降低Aβ水平。即使AD晚期階段患者，針對(duì)BACE1治療仍可能取得一定療效。抑制BACE1表達(dá)、降低其活性或干擾其功能已經(jīng)成為治療AD的主要靶點(diǎn)。本文主要分別對(duì)此方面的研究進(jìn)展綜述如下。

【關(guān)鍵詞】Alzheimer's?。ˋD）；β淀粉樣蛋白（Aβ）；淀粉樣前體蛋白β位裂解酶1（BACE1）；抑制劑；基因敲除；siRNA；泛素蛋白酶體通路（UPP）

【中圖分類(lèi)號(hào)】R748 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-6851（2017）12-0-01

引言

AD是威脅全人類(lèi)的常見(jiàn)疾病[1]，2050年近1億。病因迄今不明，可能與遺傳和環(huán)境因素等有關(guān)?；驒z測(cè)，心理測(cè)試，影像改變及腦脊液標(biāo)志物Aβ42/P-Tau比率升高可診斷臨床前AD。AD病理特征早期細(xì)胞外淀粉樣老年斑（SP）和細(xì)胞內(nèi)的過(guò)度磷酸化Tau神經(jīng)原纖維纏結(jié)（NFTs）形成。后期逐漸進(jìn)展為大腦皮質(zhì)和邊緣海馬系統(tǒng)神經(jīng)元的進(jìn)行性變性和喪失，腦萎縮。SP的核心成分是β淀粉樣蛋白（Aβ），Aβ增多沉積是AD突出的病理改變。

若從根本上治愈或阻止病情發(fā)展必須減少SP產(chǎn)生，促進(jìn)Aβ降解。通過(guò)抑制BACE1的表達(dá)，阻斷APP裂解，減少Aβ。相比γ-分泌酶，β分泌酶中BACE1作用相對(duì)單純，針對(duì)該酶治療AD療效較好，本文就針對(duì)BACE1治療AD的研究進(jìn)展綜述如下。

1 BACE1的生物學(xué)特性

BACE1是一種新型的膜結(jié)合的天冬氨酸蛋白酶，由501個(gè)氨基酸殘基組成，BACE基因定位在11q2313，BACE在PH4.0-4.5活性最高，在胰腺和神經(jīng)元中表達(dá)最高，在腦組織中活性最高[2-3]，是APPβ位點(diǎn)剪切酶1 （β-site APP-cleaving enzyme，BACE1）。在中樞神經(jīng)突觸前膜末端濃度較高[4]，參與腦發(fā)育和神經(jīng)軸突生長(zhǎng)，調(diào)節(jié)神經(jīng)髓鞘形成[5]。BACE1活性還受轉(zhuǎn)錄水平、翻譯后修飾及細(xì)胞內(nèi)的許多分子的影響。泛素蛋白酶體通路是降解BACE1三種中主要途徑。抑制BACE1不但使Aβ生成減少，還使APP趨向于沿α-分泌酶途徑分解，在BACE基因缺失的小鼠腦中Aβ幾乎完全消失。

2 BACE1對(duì)Aβ的調(diào)控

在AD患者腦中BACE主要是BACE1，BACE2較少，主要分布在發(fā)生病變的額皮質(zhì)、枕葉皮質(zhì)、海馬。Aβ是βAPP的代謝產(chǎn)物。其中APP代謝與α、β、γ三種分泌酶有關(guān)，APP淀粉樣生成途徑通過(guò)BACE、γ分泌酶裂解APP為Aβ1-40和Aβ1-42。Aβ1-40和Aβ1-42，兩者比例約為9：1。AD患者腦組織中Aβ1-42增加，Aβ再聚集成不溶性高聚物導(dǎo)致SP形成，BACE1是產(chǎn)生Aβ的限速酶，抑制BACE1酶活性可減少Aβ產(chǎn)生及其毒性。

3 BACE1與AD的關(guān)系

AD患者Aβ沉積區(qū)BACE1的活性顯著增高。AD患者BACE1的活性與Aβ水平正相關(guān)，Aβ1-42通過(guò)多個(gè)病理毒性，導(dǎo)致AD。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)AD病源學(xué)中危險(xiǎn)因素和致病原因可導(dǎo)致腦組織中BACE1的mRNA、蛋白量活性和Aβ水平均明顯增加。在APP轉(zhuǎn)基因鼠和AD腦中敏感腦區(qū)BACE1活性顯著升高，Aβ形成分布和BACE1活性呈正相關(guān)，腦脊液中BACE1升高水平和SAD患者呈顯著相關(guān)，而且BACE1活性和Aβ1-42水平、總tau、磷酸化Tau在腦脊液中呈顯著正相關(guān)，但長(zhǎng)期抑制BACE對(duì)以上指標(biāo)無(wú)變化[6]。

4 針對(duì)BACE1治療AD

針對(duì)BACE1治療可從四個(gè)水平進(jìn)行[7]：一是BACE1蛋白質(zhì)水平，藥物下調(diào)BACE1表達(dá)和活性。二是BACE1mRNA水平，可通過(guò)RNAi抑制BACE1基因表達(dá)，降低或阻止BACE1mRNA轉(zhuǎn)錄；三是BACE1-DNA基因水平，如基因敲除，反義核酸技術(shù)，核酶技術(shù)等；四是促進(jìn)BACE1降解。反義核酸技術(shù)和核酶技術(shù)應(yīng)用DNA或RNA都是單鏈，性質(zhì)不穩(wěn)定，很容易受到體內(nèi)核酶的降解，因此抑制效應(yīng)短暫，不適于對(duì)基因功能長(zhǎng)期調(diào)節(jié)，不適于對(duì)AD治療。

4.1 BACE1抑制劑治療AD

針對(duì)BACE1是腦內(nèi)β-分泌酶的主要形式，BACE1抑制劑試驗(yàn)顯示有效阻止Aβ的生成和沉積，副作用嚴(yán)重性相對(duì)小。世界各個(gè)科研和制藥公司競(jìng)相開(kāi)發(fā)BACE1抑制劑。

第一代肽類(lèi)結(jié)構(gòu)，天門(mén)冬氨酸蛋白酶抑制劑，對(duì)BACE1有較好選擇性和較高的抑制性，但這類(lèi)BACE抑制劑都是鏈較長(zhǎng)的肽類(lèi)，短鏈的也是四肽、五肽，分子量較大，難以穿透血腦屏障為腦神經(jīng)細(xì)胞所吸收，生物利用度低。同時(shí)肽類(lèi)化合物穩(wěn)定性差，易于為P糖蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)，易為蛋白酶水解，藥效作用時(shí)間短。β分泌酶包又含BACE1和BACE-2，兩者結(jié)構(gòu)類(lèi)似，都具有天冬氨酸蛋白酶的特性，以致抑制劑在抑制BACE1蛋白酶時(shí)，往往會(huì)交叉抑制蛋白酶家族其它成員，出現(xiàn)較多副作用，臨床難以推廣應(yīng)用。

第二代非肽類(lèi)BACE1抑制劑。非肽類(lèi)BACE1抑制劑種類(lèi)很多，如四氫化萘衍生物、異酞酰胺型BACE1抑制劑、含有氧磷基甲基和磷?；谆溺晁岷臀於犷?lèi)似物一些非肽類(lèi)及含磷四肽類(lèi)抑制劑、某些Macrocyclization型大環(huán)化合物等，小分子非肽類(lèi)BACE1抑制劑仍表現(xiàn)出較難的膜通透性，研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明在抑制劑C-端多糖鏈上加上甾醇基有利于抑制劑入胞，且表現(xiàn)出更高的抑制活性[8]。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)肝素類(lèi)似物是有力的BACE1抑制劑，幾乎不影響凝血及抑制其它具有天冬氨酰蛋白酶結(jié)構(gòu)的蛋白酶，但有劑量依賴(lài)性，是一種有望作為治療AD的新型BACE1抑制劑；動(dòng)物模型中GSK188909、卡賓胺類(lèi)BACE1抑制劑"TC-1"顯著減少腦內(nèi)Aβ1-40和Aβ1-42的水平。endprint

第三代BACE1小分子抑制劑大多數(shù)在試驗(yàn)階段，計(jì)劃在2024年完成全部研究。如低分子肝素C3表現(xiàn)出抑制BACE1降低Aβ治療AD[9]，藥物動(dòng)力學(xué)和合適的大腦滲透，已經(jīng)被證明是非常具有挑戰(zhàn)性的。AZD3293已獲FDA批準(zhǔn)。

第四代新型制劑，如AP2469潛在的多功能治療AD藥物，兼有BACE1抑制性，AChE抑制性和抗氧化性能，具有減少Aβ42聚集改善認(rèn)知功能[10]。

其他天然藥物TCM其他天然藥物如多種萜類(lèi)、生物酚類(lèi)、生物堿類(lèi)如銀杏葉提取物、黃酮、丹參酮、旋覆花黃酮、大豆異黃酮、金釵石斛生物堿、木蘭醇、黃皮酰胺等均具有抗老年性癡呆的作用，但其作用機(jī)制與抑制BACE1相關(guān)性正在研究階段。

Hirata-Fukae等研究發(fā)現(xiàn)BACE1轉(zhuǎn)基因幼鼠內(nèi)源性Aβ和BACE1同時(shí)顯著減少，但Aβ水平在BACE1轉(zhuǎn)基因幼鼠和野生型幼鼠卻相近，說(shuō)明BACE1蛋白水平對(duì)內(nèi)源性Aβ水平影響微小。在成年和老齡鼠腦中必然是其它的因素參與了對(duì)Aβ生成的調(diào)節(jié)引起Aβ增加，而用BACE1抑制劑也必然對(duì)臨床治療AD有益。

4.2 BACE1基因敲出

Steven等應(yīng)用基因敲除策略，培育出BACE1基因缺陷（BACE1-/-）的小鼠，與正常小鼠（BACE1 +/+）比較，BACE1基因敲除后抑制了Aβ的生成，同時(shí)BACE1-/-基因敲除小鼠幼年和成年期無(wú)任何表型差異和生化生理及動(dòng)作行為神經(jīng)肌肉參數(shù)異常。這和PS基因敲除后引起顯著的發(fā)育異常形成鮮明的對(duì)比。

對(duì)BACEI-/-鼠很多細(xì)微的改變需繼續(xù)深入研究，如神經(jīng)軸突，記憶損壞及減少肌梭和髓鞘形成，神經(jīng)生化變化等。

4.3 RNAi干擾和siRNA干擾治療AD

siRNA治療AD的途徑目前有三個(gè)，一是通過(guò)移植RNAi基因修飾的神經(jīng)干細(xì)胞到病變部位，同時(shí)誘導(dǎo)其向神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞成功分化。由于RNAi基因修飾的神經(jīng)干細(xì)胞中BACE1基因的表達(dá)量下調(diào)，這樣誘導(dǎo)分化的成熟的神經(jīng)細(xì)胞或許能修復(fù)和替代受損的神經(jīng)細(xì)胞，重建或恢復(fù)神經(jīng)細(xì)胞間正常的遞質(zhì)傳遞和信息聯(lián)系等功能，同時(shí)低表達(dá)BACE1基因的神經(jīng)細(xì)胞有可能降低腦內(nèi)Aβ濃度。二是通過(guò)不同方式把使表達(dá)載體轉(zhuǎn)染患者腦神經(jīng)細(xì)胞，在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)載體生成siRNA沉默BACE1基因表達(dá)。如合成編碼BACE1siRNA的慢病毒載體轉(zhuǎn)染神經(jīng)干細(xì)胞和鼠腦。三是通過(guò)體外轉(zhuǎn)錄合成siRNA，然后微創(chuàng)介入目標(biāo)區(qū)神經(jīng)組織，把siRNA導(dǎo)入到神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)，發(fā)揮BACE1siRNA效應(yīng)降解細(xì)胞內(nèi)BACE1mRNA，下調(diào)AD患者神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)BACE1mRNA的表達(dá)，從而使BACE1蛋白表達(dá)下降。

三種方式這在實(shí)驗(yàn)中均得到抑制BACE1表達(dá)和減少Aβ生成的結(jié)果。在體RNAi還有顯著的困難，但RNAi在體阻滯基因表達(dá)是一種潛在的人類(lèi)疾病治療途徑。RNAi是一種行之有效的治療AD方法。

4.4 針對(duì)泛素-蛋白酶體途徑（UPP）影響B(tài)ACE1

BACE1可通過(guò)3種途徑降解[11]。UPP通過(guò)泛素化BACE1降解，參與調(diào)控BACE1裂解APP生成Aβ。泛素參與AD的NFT形成終末階段，泛素化后的蛋白質(zhì)未能被降解，或UPP功能失調(diào)。Aβ可選擇性地抑制20s蛋白酶體糜蛋白酶樣活性，在病理狀態(tài)下通過(guò)抑制UPP26s蛋白酶體活性使泛素依賴(lài)性蛋白的降解發(fā)生障礙。Zhang等[12]研究發(fā)現(xiàn)，UCHL-1（ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase L1）也可促進(jìn)蛋白酶體對(duì)BACE1的降解。ubiquilin-1和BACE1蛋白質(zhì)水平正相關(guān)，ubiquilin-1通過(guò)影響B(tài)ACE1導(dǎo)致Aβ積聚。蛋白酶抑制劑（如MG132），可增強(qiáng)Aβ對(duì)細(xì)胞誘導(dǎo)的毒性作用。開(kāi)發(fā)合適的UPS調(diào)節(jié)劑改善蛋白酶體的功能，可發(fā)揮間接抑制BACE1的活性，可能是治療AD的新思路。

5 針對(duì)BACE1后對(duì)機(jī)體的影響

BACE1抑制劑、siRNA敲低BACE1基因表達(dá)和BACE1基因敲出均顯示出降低AD模型中BACE1活性，減少Aβ生成，逆轉(zhuǎn)AD病理改變等可喜的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也表現(xiàn)了諸多副作用?；蚯贸齽?dòng)物表型雖然正常，但體內(nèi)BACE1完全消失，近來(lái)詳細(xì)資料研究提示潛在有害。

BACE1抑制劑治療后老年參與者CSF中BACE1活性與Aβ42，及Tau下降，且呈正相關(guān)[13]，特別是小分子抑制劑，對(duì)治療AD前景更樂(lè)觀。小分子抑制劑可對(duì)大腦BBB有效滲透，對(duì)腦BACE1高選擇，高清除Aβ藥動(dòng)力學(xué)好[4]。

Maarten等[13]研究發(fā)現(xiàn)在周?chē)窠?jīng)髓鞘形成時(shí)，BACE1表達(dá)水平明顯增高。應(yīng)用BACE抑制劑后，缺乏BACE1導(dǎo)致未降解的NRG1的堆積。BACE1 -/-大鼠周?chē)窠?jīng)髓鞘形成差，細(xì)傳入纖維軸索分離異常。這一點(diǎn)和III型NRG1基因突變及與施旺細(xì)胞有關(guān)的ErbB2基因敲除引起的變化非常相像。因NRG1需和ErbB受體結(jié)合促進(jìn)周?chē)┩?xì)胞生成髓鞘。

Hu等通過(guò)對(duì)野生型小鼠和BACE基因敲除小鼠對(duì)照研究表明，BACE1遺傳基因缺失小鼠對(duì)疼痛的敏感性提高，握力降低，小鼠坐骨神經(jīng)髓鞘形成差。表明髓鞘形成必須要BACE1參與；BACE1底物體內(nèi)分布廣泛，不僅在APP代謝，NRG1方面；BACE1生成物功能多樣，通過(guò)自分泌和旁分泌發(fā)揮作用。

Wang等實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)敲除小鼠（BACE1 -/-）3-6個(gè)月齡動(dòng)物出現(xiàn)行為障礙，海馬腦片電生理學(xué)記錄證明CA3區(qū)苔狀纖維突觸可塑性改變和突觸前功能?chē)?yán)重短缺，表現(xiàn)為突觸前釋放減少，LTP傳遞功能缺失；BACE1基因敲除后出現(xiàn)髓鞘形成不足和異常全長(zhǎng)的NRG1增多聚集使正常的NRG1缺乏。

Savonenko[14]等實(shí)驗(yàn)究發(fā)現(xiàn)BACE1 -/-小鼠表現(xiàn)出更多副作用如易興奮、對(duì)谷氨酸能神經(jīng)元興奮劑MK-801過(guò)度敏感、認(rèn)知功能損壞等類(lèi)精神分裂癥樣癥狀，這些表現(xiàn)對(duì)氯氮平治療有反應(yīng)。BACE1 -/-小鼠腦中NRG1的受體ErbB4總量無(wú)變化，此信號(hào)傳導(dǎo)中連接ErB4的突觸后蛋白PSD95密度顯著性減少，與突觸密度減少。endprint

6 結(jié)語(yǔ)

AD重在病因治療，預(yù)防為先，需要個(gè)人和社會(huì)共同參與，選擇個(gè)體化的AD治療方法。動(dòng)物模型中BACE1抑制劑可減少大腦淀粉樣蛋白沉積和改善認(rèn)知障礙。其中選擇理想的BACE1抑制劑，是防治AD，延年益智的有效可行策略。

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