靶向神經酰胺生成途徑的阿爾茨海默病治療藥物研究進展

金泳增，何玲

(中國藥科大學藥學院，江蘇 南京 211100)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是引發老年人群認知障礙的最常見疾病，給患者家庭、醫療服務和社會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治療靶點進行藥物開發。神經酰胺(ceramide,Cer)是一類由鞘氨醇與不同鏈長脂肪酸組成的鞘脂，在人體內作為第二信使介導鞘磷脂信號途徑，參與生長抑制、分化、衰老和凋亡等細胞過程[2]。諸多涉及動物模型和臨床患者的研究報道了AD病理中存在腦組織神經酰胺水平的異常升高[3]，并與AD患者認知功能下降和海馬體積萎縮之間具有相關性[4]，提示神經酰胺代謝通路可以作為潛在的藥物調控靶點。本文綜述了體內神經酰胺的生成途徑、AD中神經酰胺的水平變化和致病機制，以及靶向神經酰胺生成途徑的潛在AD治療藥物研究進展。

1 體內神經酰胺的生成途徑

神經酰胺是結構最簡單的鞘磷脂，由鞘氨醇與不同鏈長脂肪酸組成，在體內有鞘磷脂水解、從頭合成、補救合成3種生成途徑。鞘磷脂水解途徑的關鍵酶——鞘磷脂酶(sphingomyelinase，SMase)廣泛存在于質膜、高爾基體、線粒體等膜性細胞器中，催化鞘磷脂水解為磷酸膽堿和神經酰胺[5]。從頭合成途徑是神經酰胺生成最主要的途徑，主要發生在內質網中，由絲氨酸棕櫚酰轉移酶(serine palmitoyl transferase，SPT)、3-酮基鞘氨醇還原酶、神經酰胺合酶(ceramide synthases，CerS) 等一系列酶系催化絲氨酸和棕櫚酰輔酶 A進行多步反應最終生成神經酰胺[6]。目前在哺乳動物體內鑒定出的神經酰胺合酶有6種亞型(CerS1-6)，負責催化生成含有不同鏈長脂肪酸的神經酰胺以實現相應的組織分布和生理功能。補救合成途徑主要在溶酶體中進行，由鞘氨醇磷脂酶催化復雜的鞘脂轉化為鞘氨醇，后者通過脂肪酸酰化生成神經酰胺。

2 AD中神經酰胺的水平變化和致病機制

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

2.1 AD中神經酰胺的水平變化 神經酰胺與其代謝產物的磷酸化形式——鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate,S1P)共同調節細胞周期、生長、凋亡和細胞活力，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酰胺水平的升高、抗凋亡S1P水平的降低[7]。除神經酰胺水平本身的變化之外，AD患者血漿長鏈神經酰胺(Cer16∶0)與超長鏈神經酰胺(Cer22∶0、Cer24∶0)的比值升高，且與發生癡呆的風險正相關[8]。與此一致的是，SPT，以及主要在腦中表達的CerS1、CerS2和CerS6在皮層、海馬等腦區水平升高[9]。在AD患者腦中也觀察到aSMase和nSMase表達升高，并且在酶活性測量試驗中表現出更高的活性，推測與Aβ對鞘磷脂酶的激活有關[5]。

2.2 神經酰胺促進AD病理的機制 神經酰胺代謝失調導致神經毒性的病理機制涉及多個方面，目前研究較為深入的涉及Aβ病理、線粒體功能、神經炎癥等。

Aβ的生成始于淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)在質膜或膜性細胞器上的切割，這一過程由競爭性的α-、β-分泌酶(BACE1)和隨后的γ-分泌酶介導[10]。當細胞接觸到促炎因子、Aβ、氧化應激等刺激時，SMase被轉運到質膜的脂筏中并生成神經酰胺，后者結構中的長飽和烷基鏈與信號蛋白的疏水腔相互作用以將蛋白質附著到膜上，這可能是神經酰胺發揮對BACE1膜穩定作用的機制，同時也加劇了APP的β-樣剪切[11]。如前所述，生成的Aβ可以提高SMase的活性而進一步加速神經酰胺在膜上的積累，使得Aβ與神經酰胺的生成呈現一個正反饋的調節通路。當神經酰胺被星形膠質細胞以外泌體的形式釋放到胞外時，這些小囊泡一方面可以被鄰近細胞攝取導致細胞凋亡，另一方面也可以作為晶核促進細胞間隙的Aβ低聚物聚集形成斑塊[12]。

神經酰胺自身的線粒體損傷作用已被廣泛報道——線粒體內膜和外膜上的神經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促凋亡內容物的釋放[13]。此前研究報道了富含神經酰胺的線粒體相關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，這一過程被Aβ加重[14]；進一步的研究發現，富含神經酰胺的囊泡內吞Aβ后形成的包涵體與線粒體膜融合產生富含神經酰胺的膜微區，在此之上VDAC1與Aβ形成復合物導致寡聚促凋亡孔的形成[15]。

在一些以不同程度的神經炎癥為特征的神經退行性疾病，如多發性硬化和AD中，對患者死后腦組織進行生化檢驗的結果顯示活化星形膠質細胞產生神經酰胺的能力增強，且與主要生成Cer16∶0的CerS5有關，而與負責產生Cer24∶0的CerS2無關[16]，這可能使得腦中不同鏈長的神經酰胺相對比例發生變化，并且促進神經退行性病變的發生發展。對體外培養的原代大鼠星形膠質細胞或小膠質細胞給予外源性神經酰胺導致NF-κB激活和促炎因子表達，表明腦中積聚的神經酰胺可以促進膠質細胞活化，在神經炎癥調節中起到促炎作用；這些病理變化在SMase敲除的細胞中消失，可以推測受促炎因子激活的SMase在膠質細胞炎性反應中起關鍵作用[17]。在AD病理中，Aβ是除促炎因子之外的另一導致nSMase激活的因素。盡管Aβ自身并不激活誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)，但在活化的星形膠質細胞中，激活的nSMase促進iNOS的mRNA表達，進一步導致NO和促炎因子的水平升高[18]，因而成為Aβ誘導iNOS激活的紐帶。

由于AD發病機制的復雜性，神經酰胺對AD發生發展的貢獻還能從更多方面加以解釋。神經酰胺對胰島素信號通路和葡萄糖代謝的干擾是最早被闡明的致病機制之一。蛋白激酶 B(protein kinase B，PKB/Akt)是胰島素信號通路的關鍵分子，其活性在Ser473和Thr308位點被去磷酸化，或Thr34位點被磷酸化時受到抑制，而神經酰胺介導的蛋白磷酸酶 2A和蛋白激酶 C ζ激活則分別介導Akt相應位點的去磷酸化或磷酸化修飾[19]。此外，神經酰胺較小的親水頭部和較大的疏水尾部形成的“V”形結構使得富含神經酰胺的膜微區流動性減弱、剛性增強，這在線粒體中使得膜通透性改變、膜電位降低，在內質網中則誘發內質網應激。大鼠腦室注射神經酰胺誘導了下丘腦的脂質毒性和內質網應激，進一步導致了全身能量代謝平衡的紊亂[20]，這可能引發代謝性疾病和神經退行性病變。

3 靶向神經酰胺生成途徑的潛在AD治療藥物

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

目前報道抑制aSMase活性的化合物研究數量較少，但針對aSMase主要與溶酶體膜結合這一特性，研究者發現某些化合物可以通過干擾這一結合過程使aSMase從溶酶體膜中解離并加速其降解[21]。這些化合物包括經典的三環類抗抑郁藥(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，也被用于治療AD患者的抑郁癥狀。對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，對可能發生的認知功能下降也起到了一定的預防作用[22]。

相比而言，nSMase2的生理功能和化學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級聯外，nSMase2還介導p75神經營養因子受體激活誘發的細胞損傷，以及星形膠質細胞中富含神經酰胺的外泌體分泌[23]。在5xFAD小鼠中，這些外泌體通過促進Aβ聚集而加重AD病理；而nSMase2基因敲除的5xFAD小鼠大腦神經酰胺和外泌體水平顯著降低，伴隨著較少的膠質細胞活化、較低的Aβ斑塊負荷和高磷酸化tau蛋白，以及顯著改善的認知能力。作者在同一項研究中使用了一種非競爭性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之中，例如已被確定的一種新的非競爭性nSMase2抑制劑Cambinol可以抑制TNF-α或IL-1β誘導的原代神經元細胞神經酰胺積累和細胞凋亡，顯示其預防神經酰胺依賴性神經退行性變的潛力[24]。研究者近日報道了一種全新的nSMase2抑制劑——PDDC，是針對該靶點第一個同時具有良好的藥效學和藥代動力學參數的小分子化合物。PDDC在體內表現出良好的口服生物利用度與腦滲透性；同時，11月齡5xFAD小鼠在持續腹腔注射給予PDDC 5個月后出現腦組織外泌體釋放的顯著降低和認知能力的顯著改善。作者在同一研究中介紹了70個PDDC的類似物并進行了廣泛的構效關系研究，揭示了一些對nSMase2具有類似或更高抑制活性，同時具有良好藥代動力學特性的化合物，可作為潛在的AD治療藥物[25]。

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

3.3 靶向CerS的藥物 CerS催化二氫鞘氨醇與脂肪酸結合為二氫神經酰胺，是鞘氨醇向神經酰胺轉化的關鍵酶，其不同亞型對不同鏈長脂肪酸的選擇性不同。伏馬菌素(fumonisin)是一類具有強大抗真菌活性的抗生素，具有類似鞘氨醇的結構，通過占據CerS中結合鞘氨醇的結構域而抑制神經酰胺的合成。在體外培養的星形膠質細胞中，Aβ誘導神經酰胺相關微管蛋白從核周區轉移至線粒體并與VDAC1結合，從而減少線粒體的ATP釋放并引發線粒體分裂。對星形膠質細胞給予Fumonisin B1處理則逆轉了這些變化，表明Fumonisin B1對AD中受損損傷的線粒體具有保護作用[14]。

3.4 其他靶向神經酰胺生成途徑的藥物 二氫神經酰胺去飽和酶催化神經酰胺從頭合成途徑的最后一步，負責將二氫神經酰胺轉化為神經酰胺。二氫神經酰胺去飽和酶1通過調節mTORC1的活性而參與神經元自噬的調控。兩種二氫神經酰胺去飽和酶抑制劑——XM461和XM462增加了野生型小鼠原代神經元的神經元自噬囊泡數量，表現為LC3-Ⅱ的增加；而在接受相同藥物處理的APP/PS1轉基因小鼠原代神經元中不僅神經元自噬通量顯著提高，Aβ的產生和分泌也顯著下降[29]，表明二氫神經酰胺去飽和酶1可以成為緩解AD中淀粉樣變性的重要靶點。

4 展望

神經酰胺可以通過促進Aβ沉積、損害線粒體功能、加重炎癥反應等機制發揮神經毒性作用，從而參與AD等神經退行性疾病的發生發展。對神經酰胺生成途徑的深入研究提供了調節神經酰胺水平而延緩AD的可能靶點，同時也帶來了一些新的問題與挑戰。目前不同鏈長神經酰胺的具體生理功能尚未完全闡明，也欠缺精準調節特定鏈長神經酰胺水平的藥理學手段。未來的研究在聚焦神經酰胺生成途徑的同時也應考慮對其降解途徑的干預。一方面，對鞘磷脂降解的過度抑制會導致鞘磷脂沉積性疾病，如Niemann-Pick病的發生；另一方面，神經酰胺的代謝產物鞘氨醇及其磷酸化形式S1P被認為具有抗凋亡作用，通過對神經酰胺酶活性的干預調節神經酰胺和S1P的比例，進而恢復鞘脂“變阻器”，也是一條開發AD治療藥物的可能途徑。