靶向神經(jīng)酰胺生成途徑的阿爾茨海默病治療藥物研究進(jìn)展

金泳增，何玲

(中國(guó)藥科大學(xué)藥學(xué)院，江蘇 南京 211100)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是引發(fā)老年人群認(rèn)知障礙的最常見疾病，給患者家庭、醫(yī)療服務(wù)和社會(huì)公共福利都造成了巨大的壓力[1]。目前臨床使用的治療藥物如膽堿酯酶抑制劑、N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體拮抗劑等尚無(wú)法根治AD，僅能緩解疾病癥狀，迫使研究者尋求新的AD治療靶點(diǎn)進(jìn)行藥物開發(fā)。神經(jīng)酰胺(ceramide,Cer)是一類由鞘氨醇與不同鏈長(zhǎng)脂肪酸組成的鞘脂，在人體內(nèi)作為第二信使介導(dǎo)鞘磷脂信號(hào)途徑，參與生長(zhǎng)抑制、分化、衰老和凋亡等細(xì)胞過(guò)程[2]。諸多涉及動(dòng)物模型和臨床患者的研究報(bào)道了AD病理中存在腦組織神經(jīng)酰胺水平的異常升高[3]，并與AD患者認(rèn)知功能下降和海馬體積萎縮之間具有相關(guān)性[4]，提示神經(jīng)酰胺代謝通路可以作為潛在的藥物調(diào)控靶點(diǎn)。本文綜述了體內(nèi)神經(jīng)酰胺的生成途徑、AD中神經(jīng)酰胺的水平變化和致病機(jī)制，以及靶向神經(jīng)酰胺生成途徑的潛在AD治療藥物研究進(jìn)展。

1 體內(nèi)神經(jīng)酰胺的生成途徑

神經(jīng)酰胺是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的鞘磷脂，由鞘氨醇與不同鏈長(zhǎng)脂肪酸組成，在體內(nèi)有鞘磷脂水解、從頭合成、補(bǔ)救合成3種生成途徑。鞘磷脂水解途徑的關(guān)鍵酶——鞘磷脂酶(sphingomyelinase，SMase)廣泛存在于質(zhì)膜、高爾基體、線粒體等膜性細(xì)胞器中，催化鞘磷脂水解為磷酸膽堿和神經(jīng)酰胺[5]。從頭合成途徑是神經(jīng)酰胺生成最主要的途徑，主要發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，由絲氨酸棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶(serine palmitoyl transferase，SPT)、3-酮基鞘氨醇還原酶、神經(jīng)酰胺合酶(ceramide synthases，CerS) 等一系列酶系催化絲氨酸和棕櫚酰輔酶 A進(jìn)行多步反應(yīng)最終生成神經(jīng)酰胺[6]。目前在哺乳動(dòng)物體內(nèi)鑒定出的神經(jīng)酰胺合酶有6種亞型(CerS1-6)，負(fù)責(zé)催化生成含有不同鏈長(zhǎng)脂肪酸的神經(jīng)酰胺以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的組織分布和生理功能。補(bǔ)救合成途徑主要在溶酶體中進(jìn)行，由鞘氨醇磷脂酶催化復(fù)雜的鞘脂轉(zhuǎn)化為鞘氨醇，后者通過(guò)脂肪酸?；缮窠?jīng)酰胺。

2 AD中神經(jīng)酰胺的水平變化和致病機(jī)制

作為AD最常見的病理特征之一，β-淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ)被報(bào)道激活酸性鞘磷脂酶(aSMase)和中性鞘磷脂酶(nSMase)，導(dǎo)致神經(jīng)酰胺生成增加；異常積聚的神經(jīng)酰胺則通過(guò)增加Aβ生成、損傷線粒體功能、促進(jìn)神經(jīng)炎癥等機(jī)制加重AD的病理變化。

2.1 AD中神經(jīng)酰胺的水平變化 神經(jīng)酰胺與其代謝產(chǎn)物的磷酸化形式——鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate,S1P)共同調(diào)節(jié)細(xì)胞周期、生長(zhǎng)、凋亡和細(xì)胞活力，這一“變阻器”模型已被廣泛綜述；而在AD患者腦組織中則觀察到促凋亡神經(jīng)酰胺水平的升高、抗凋亡S1P水平的降低[7]。除神經(jīng)酰胺水平本身的變化之外，AD患者血漿長(zhǎng)鏈神經(jīng)酰胺(Cer16∶0)與超長(zhǎng)鏈神經(jīng)酰胺(Cer22∶0、Cer24∶0)的比值升高，且與發(fā)生癡呆的風(fēng)險(xiǎn)正相關(guān)[8]。與此一致的是，SPT，以及主要在腦中表達(dá)的CerS1、CerS2和CerS6在皮層、海馬等腦區(qū)水平升高[9]。在AD患者腦中也觀察到aSMase和nSMase表達(dá)升高，并且在酶活性測(cè)量試驗(yàn)中表現(xiàn)出更高的活性，推測(cè)與Aβ對(duì)鞘磷脂酶的激活有關(guān)[5]。

2.2 神經(jīng)酰胺促進(jìn)AD病理的機(jī)制 神經(jīng)酰胺代謝失調(diào)導(dǎo)致神經(jīng)毒性的病理機(jī)制涉及多個(gè)方面，目前研究較為深入的涉及Aβ病理、線粒體功能、神經(jīng)炎癥等。

Aβ的生成始于淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)在質(zhì)膜或膜性細(xì)胞器上的切割，這一過(guò)程由競(jìng)爭(zhēng)性的α-、β-分泌酶(BACE1)和隨后的γ-分泌酶介導(dǎo)[10]。當(dāng)細(xì)胞接觸到促炎因子、Aβ、氧化應(yīng)激等刺激時(shí)，SMase被轉(zhuǎn)運(yùn)到質(zhì)膜的脂筏中并生成神經(jīng)酰胺，后者結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)飽和烷基鏈與信號(hào)蛋白的疏水腔相互作用以將蛋白質(zhì)附著到膜上，這可能是神經(jīng)酰胺發(fā)揮對(duì)BACE1膜穩(wěn)定作用的機(jī)制，同時(shí)也加劇了APP的β-樣剪切[11]。如前所述，生成的Aβ可以提高SMase的活性而進(jìn)一步加速神經(jīng)酰胺在膜上的積累，使得Aβ與神經(jīng)酰胺的生成呈現(xiàn)一個(gè)正反饋的調(diào)節(jié)通路。當(dāng)神經(jīng)酰胺被星形膠質(zhì)細(xì)胞以外泌體的形式釋放到胞外時(shí)，這些小囊泡一方面可以被鄰近細(xì)胞攝取導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，另一方面也可以作為晶核促進(jìn)細(xì)胞間隙的Aβ低聚物聚集形成斑塊[12]。

神經(jīng)酰胺自身的線粒體損傷作用已被廣泛報(bào)道——線粒體內(nèi)膜和外膜上的神經(jīng)酰胺積聚抑制氧化磷酸化、降低線粒體膜電位、增加線粒體通透性而誘導(dǎo)促凋亡內(nèi)容物的釋放[13]。此前研究報(bào)道了富含神經(jīng)酰胺的線粒體相關(guān)膜與線粒體電壓依賴性陰離子通道1(voltage dependent anion channel 1,VDAC1)相互作用而抑制ATP釋放，這一過(guò)程被Aβ加重[14]；進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，富含神經(jīng)酰胺的囊泡內(nèi)吞Aβ后形成的包涵體與線粒體膜融合產(chǎn)生富含神經(jīng)酰胺的膜微區(qū)，在此之上VDAC1與Aβ形成復(fù)合物導(dǎo)致寡聚促凋亡孔的形成[15]。

在一些以不同程度的神經(jīng)炎癥為特征的神經(jīng)退行性疾病，如多發(fā)性硬化和AD中，對(duì)患者死后腦組織進(jìn)行生化檢驗(yàn)的結(jié)果顯示活化星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生神經(jīng)酰胺的能力增強(qiáng)，且與主要生成Cer16∶0的CerS5有關(guān)，而與負(fù)責(zé)產(chǎn)生Cer24∶0的CerS2無(wú)關(guān)[16]，這可能使得腦中不同鏈長(zhǎng)的神經(jīng)酰胺相對(duì)比例發(fā)生變化，并且促進(jìn)神經(jīng)退行性病變的發(fā)生發(fā)展。對(duì)體外培養(yǎng)的原代大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞或小膠質(zhì)細(xì)胞給予外源性神經(jīng)酰胺導(dǎo)致NF-κB激活和促炎因子表達(dá)，表明腦中積聚的神經(jīng)酰胺可以促進(jìn)膠質(zhì)細(xì)胞活化，在神經(jīng)炎癥調(diào)節(jié)中起到促炎作用；這些病理變化在SMase敲除的細(xì)胞中消失，可以推測(cè)受促炎因子激活的SMase在膠質(zhì)細(xì)胞炎性反應(yīng)中起關(guān)鍵作用[17]。在AD病理中，Aβ是除促炎因子之外的另一導(dǎo)致nSMase激活的因素。盡管Aβ自身并不激活誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)，但在活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞中，激活的nSMase促進(jìn)iNOS的mRNA表達(dá)，進(jìn)一步導(dǎo)致NO和促炎因子的水平升高[18]，因而成為Aβ誘導(dǎo)iNOS激活的紐帶。

由于AD發(fā)病機(jī)制的復(fù)雜性，神經(jīng)酰胺對(duì)AD發(fā)生發(fā)展的貢獻(xiàn)還能從更多方面加以解釋。神經(jīng)酰胺對(duì)胰島素信號(hào)通路和葡萄糖代謝的干擾是最早被闡明的致病機(jī)制之一。蛋白激酶 B(protein kinase B，PKB/Akt)是胰島素信號(hào)通路的關(guān)鍵分子，其活性在Ser473和Thr308位點(diǎn)被去磷酸化，或Thr34位點(diǎn)被磷酸化時(shí)受到抑制，而神經(jīng)酰胺介導(dǎo)的蛋白磷酸酶 2A和蛋白激酶 C ζ激活則分別介導(dǎo)Akt相應(yīng)位點(diǎn)的去磷酸化或磷酸化修飾[19]。此外，神經(jīng)酰胺較小的親水頭部和較大的疏水尾部形成的“V”形結(jié)構(gòu)使得富含神經(jīng)酰胺的膜微區(qū)流動(dòng)性減弱、剛性增強(qiáng)，這在線粒體中使得膜通透性改變、膜電位降低，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中則誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。大鼠腦室注射神經(jīng)酰胺誘導(dǎo)了下丘腦的脂質(zhì)毒性和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，進(jìn)一步導(dǎo)致了全身能量代謝平衡的紊亂[20]，這可能引發(fā)代謝性疾病和神經(jīng)退行性病變。

3 靶向神經(jīng)酰胺生成途徑的潛在AD治療藥物

3.1 靶向SMase的藥物 SMase家族依據(jù)其陽(yáng)離子依賴性和作用的pH值被分為5個(gè)亞型，包括aSMase、nSMase1～3和堿性鞘磷脂酶(bSMase)。其中aSMase和Mg2+依賴性的nSMase2被認(rèn)為是細(xì)胞應(yīng)激期間產(chǎn)生神經(jīng)酰胺的主要催化酶。如前所述，當(dāng)細(xì)胞受到氧化應(yīng)激、促炎因子、Aβ、Fas配體等刺激時(shí)，SMase從膜性細(xì)胞器移位至細(xì)胞膜，催化膜磷脂降解生成神經(jīng)酰胺，隨后通過(guò)線粒體毒性、炎癥反應(yīng)等誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[5]。

目前報(bào)道抑制aSMase活性的化合物研究數(shù)量較少，但針對(duì)aSMase主要與溶酶體膜結(jié)合這一特性，研究者發(fā)現(xiàn)某些化合物可以通過(guò)干擾這一結(jié)合過(guò)程使aSMase從溶酶體膜中解離并加速其降解[21]。這些化合物包括經(jīng)典的三環(huán)類抗抑郁藥(tricyclic dibenzoazepine,TCA)，如丙咪嗪，和選擇性5-羥色胺再攝取抑制劑(selective serotonin reuptake inhibitors,SSRIs)，如氟西汀。TCA和SSRIs在廣泛用于治療重度抑郁障礙的同時(shí)，也被用于治療AD患者的抑郁癥狀。對(duì)AD患者給予文拉法辛和地昔帕明治療后不僅成功控制其抑郁癥狀，對(duì)可能發(fā)生的認(rèn)知功能下降也起到了一定的預(yù)防作用[22]。

相比而言，nSMase2的生理功能和化學(xué)抑制劑都被研究得更為透徹。除被促炎因子激活而加重炎癥反應(yīng)級(jí)聯(lián)外，nSMase2還介導(dǎo)p75神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子受體激活誘發(fā)的細(xì)胞損傷，以及星形膠質(zhì)細(xì)胞中富含神經(jīng)酰胺的外泌體分泌[23]。在5xFAD小鼠中，這些外泌體通過(guò)促進(jìn)Aβ聚集而加重AD病理；而nSMase2基因敲除的5xFAD小鼠大腦神經(jīng)酰胺和外泌體水平顯著降低，伴隨著較少的膠質(zhì)細(xì)胞活化、較低的Aβ斑塊負(fù)荷和高磷酸化tau蛋白，以及顯著改善的認(rèn)知能力。作者在同一項(xiàng)研究中使用了一種非競(jìng)爭(zhēng)性nSMase2抑制劑——GW4869，得到了與nSMase2基因敲除相近的治療效果[12]。具有抑制人nSMase2酶活性的小分子抑制劑還在不斷開發(fā)之中，例如已被確定的一種新的非競(jìng)爭(zhēng)性nSMase2抑制劑Cambinol可以抑制TNF-α或IL-1β誘導(dǎo)的原代神經(jīng)元細(xì)胞神經(jīng)酰胺積累和細(xì)胞凋亡，顯示其預(yù)防神經(jīng)酰胺依賴性神經(jīng)退行性變的潛力[24]。研究者近日?qǐng)?bào)道了一種全新的nSMase2抑制劑——PDDC，是針對(duì)該靶點(diǎn)第一個(gè)同時(shí)具有良好的藥效學(xué)和藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)的小分子化合物。PDDC在體內(nèi)表現(xiàn)出良好的口服生物利用度與腦滲透性；同時(shí)，11月齡5xFAD小鼠在持續(xù)腹腔注射給予PDDC 5個(gè)月后出現(xiàn)腦組織外泌體釋放的顯著降低和認(rèn)知能力的顯著改善。作者在同一研究中介紹了70個(gè)PDDC的類似物并進(jìn)行了廣泛的構(gòu)效關(guān)系研究，揭示了一些對(duì)nSMase2具有類似或更高抑制活性，同時(shí)具有良好藥代動(dòng)力學(xué)特性的化合物，可作為潛在的AD治療藥物[25]。

3.2 靶向SPT的藥物 SPT催化神經(jīng)酰胺從頭合成途徑的第一個(gè)步驟，即將絲氨酸和棕櫚酰輔酶 A轉(zhuǎn)化為3-酮基二氫鞘氨醇；而化學(xué)抑制SPT則可以有效地阻止神經(jīng)酰胺等鞘磷脂中間產(chǎn)物的有害積累[26]。多球殼菌素(myriocin)是一種從真菌中提取的抗生素，用于治療機(jī)會(huì)性感染，同時(shí)也是一種強(qiáng)效的SPT抑制劑。對(duì)肥胖大鼠側(cè)腦室注射myriocin減輕了其下丘腦神經(jīng)酰胺的異常積累，同時(shí)提高了下丘腦對(duì)胰島素的敏感性[27]，有助于緩解其腦內(nèi)受損的胰島素信號(hào)和葡萄糖代謝。最近的文獻(xiàn)也報(bào)道了另一種SPT的小分子抑制劑——ARN14494。對(duì)受到Aβ1-42損傷的小鼠原代星形膠質(zhì)細(xì)胞給予藥物處理后，細(xì)胞內(nèi)SPT活性和長(zhǎng)鏈神經(jīng)酰胺合成受到抑制。ARN14494同時(shí)降低了星形膠質(zhì)細(xì)胞炎癥反應(yīng)相關(guān)酶iNOS和COX2和表達(dá)，使條件培養(yǎng)基中促炎因子TNF-α和IL-1β的水平下降，最終減少條件培養(yǎng)基處理的原代神經(jīng)元caspase-3激活和細(xì)胞死亡[28]。

3.3 靶向CerS的藥物 CerS催化二氫鞘氨醇與脂肪酸結(jié)合為二氫神經(jīng)酰胺，是鞘氨醇向神經(jīng)酰胺轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，其不同亞型對(duì)不同鏈長(zhǎng)脂肪酸的選擇性不同。伏馬菌素(fumonisin)是一類具有強(qiáng)大抗真菌活性的抗生素，具有類似鞘氨醇的結(jié)構(gòu)，通過(guò)占據(jù)CerS中結(jié)合鞘氨醇的結(jié)構(gòu)域而抑制神經(jīng)酰胺的合成。在體外培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞中，Aβ誘導(dǎo)神經(jīng)酰胺相關(guān)微管蛋白從核周區(qū)轉(zhuǎn)移至線粒體并與VDAC1結(jié)合，從而減少線粒體的ATP釋放并引發(fā)線粒體分裂。對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞給予Fumonisin B1處理則逆轉(zhuǎn)了這些變化，表明Fumonisin B1對(duì)AD中受損損傷的線粒體具有保護(hù)作用[14]。

3.4 其他靶向神經(jīng)酰胺生成途徑的藥物 二氫神經(jīng)酰胺去飽和酶催化神經(jīng)酰胺從頭合成途徑的最后一步，負(fù)責(zé)將二氫神經(jīng)酰胺轉(zhuǎn)化為神經(jīng)酰胺。二氫神經(jīng)酰胺去飽和酶1通過(guò)調(diào)節(jié)mTORC1的活性而參與神經(jīng)元自噬的調(diào)控。兩種二氫神經(jīng)酰胺去飽和酶抑制劑——XM461和XM462增加了野生型小鼠原代神經(jīng)元的神經(jīng)元自噬囊泡數(shù)量，表現(xiàn)為L(zhǎng)C3-Ⅱ的增加；而在接受相同藥物處理的APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠原代神經(jīng)元中不僅神經(jīng)元自噬通量顯著提高，Aβ的產(chǎn)生和分泌也顯著下降[29]，表明二氫神經(jīng)酰胺去飽和酶1可以成為緩解AD中淀粉樣變性的重要靶點(diǎn)。

4 展望

神經(jīng)酰胺可以通過(guò)促進(jìn)Aβ沉積、損害線粒體功能、加重炎癥反應(yīng)等機(jī)制發(fā)揮神經(jīng)毒性作用，從而參與AD等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展。對(duì)神經(jīng)酰胺生成途徑的深入研究提供了調(diào)節(jié)神經(jīng)酰胺水平而延緩AD的可能靶點(diǎn)，同時(shí)也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。目前不同鏈長(zhǎng)神經(jīng)酰胺的具體生理功能尚未完全闡明，也欠缺精準(zhǔn)調(diào)節(jié)特定鏈長(zhǎng)神經(jīng)酰胺水平的藥理學(xué)手段。未來(lái)的研究在聚焦神經(jīng)酰胺生成途徑的同時(shí)也應(yīng)考慮對(duì)其降解途徑的干預(yù)。一方面，對(duì)鞘磷脂降解的過(guò)度抑制會(huì)導(dǎo)致鞘磷脂沉積性疾病，如Niemann-Pick病的發(fā)生；另一方面，神經(jīng)酰胺的代謝產(chǎn)物鞘氨醇及其磷酸化形式S1P被認(rèn)為具有抗凋亡作用，通過(guò)對(duì)神經(jīng)酰胺酶活性的干預(yù)調(diào)節(jié)神經(jīng)酰胺和S1P的比例，進(jìn)而恢復(fù)鞘脂“變阻器”，也是一條開發(fā)AD治療藥物的可能途徑。