靶向神经酰胺生成途径的阿尔茨海默病治疗药物研究进展

金泳增，何玲

(中国药科大学药学院，江苏 南京 211100)

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是引发老年人群认知障碍的最常见疾病，给患者家庭、医疗服务和社会公共福利都造成了巨大的压力[1]。目前临床使用的治疗药物如胆碱酯酶抑制剂、N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体拮抗剂等尚无法根治AD，仅能缓解疾病症状，迫使研究者寻求新的AD治疗靶点进行药物开发。神经酰胺(ceramide,Cer)是一类由鞘氨醇与不同链长脂肪酸组成的鞘脂，在人体内作为第二信使介导鞘磷脂信号途径，参与生长抑制、分化、衰老和凋亡等细胞过程[2]。诸多涉及动物模型和临床患者的研究报道了AD病理中存在脑组织神经酰胺水平的异常升高[3]，并与AD患者认知功能下降和海马体积萎缩之间具有相关性[4]，提示神经酰胺代谢通路可以作为潜在的药物调控靶点。本文综述了体内神经酰胺的生成途径、AD中神经酰胺的水平变化和致病机制，以及靶向神经酰胺生成途径的潜在AD治疗药物研究进展。

1 体内神经酰胺的生成途径

神经酰胺是结构最简单的鞘磷脂，由鞘氨醇与不同链长脂肪酸组成，在体内有鞘磷脂水解、从头合成、补救合成3种生成途径。鞘磷脂水解途径的关键酶——鞘磷脂酶(sphingomyelinase，SMase)广泛存在于质膜、高尔基体、线粒体等膜性细胞器中，催化鞘磷脂水解为磷酸胆碱和神经酰胺[5]。从头合成途径是神经酰胺生成最主要的途径，主要发生在内质网中，由丝氨酸棕榈酰转移酶(serine palmitoyl transferase，SPT)、3-酮基鞘氨醇还原酶、神经酰胺合酶(ceramide synthases，CerS) 等一系列酶系催化丝氨酸和棕榈酰辅酶 A进行多步反应最终生成神经酰胺[6]。目前在哺乳动物体内鉴定出的神经酰胺合酶有6种亚型(CerS1-6)，负责催化生成含有不同链长脂肪酸的神经酰胺以实现相应的组织分布和生理功能。补救合成途径主要在溶酶体中进行，由鞘氨醇磷脂酶催化复杂的鞘脂转化为鞘氨醇，后者通过脂肪酸酰化生成神经酰胺。

2 AD中神经酰胺的水平变化和致病机制

作为AD最常见的病理特征之一，β-淀粉样蛋白(β-amyloid protein，Aβ)被报道激活酸性鞘磷脂酶(aSMase)和中性鞘磷脂酶(nSMase)，导致神经酰胺生成增加；异常积聚的神经酰胺则通过增加Aβ生成、损伤线粒体功能、促进神经炎症等机制加重AD的病理变化。

2.1 AD中神经酰胺的水平变化 神经酰胺与其代谢产物的磷酸化形式——鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate,S1P)共同调节细胞周期、生长、凋亡和细胞活力，这一“变阻器”模型已被广泛综述；而在AD患者脑组织中则观察到促凋亡神经酰胺水平的升高、抗凋亡S1P水平的降低[7]。除神经酰胺水平本身的变化之外，AD患者血浆长链神经酰胺(Cer16∶0)与超长链神经酰胺(Cer22∶0、Cer24∶0)的比值升高，且与发生痴呆的风险正相关[8]。与此一致的是，SPT，以及主要在脑中表达的CerS1、CerS2和CerS6在皮层、海马等脑区水平升高[9]。在AD患者脑中也观察到aSMase和nSMase表达升高，并且在酶活性测量试验中表现出更高的活性，推测与Aβ对鞘磷脂酶的激活有关[5]。

2.2 神经酰胺促进AD病理的机制 神经酰胺代谢失调导致神经毒性的病理机制涉及多个方面，目前研究较为深入的涉及Aβ病理、线粒体功能、神经炎症等。

Aβ的生成始于淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)在质膜或膜性细胞器上的切割，这一过程由竞争性的α-、β-分泌酶(BACE1)和随后的γ-分泌酶介导[10]。当细胞接触到促炎因子、Aβ、氧化应激等刺激时，SMase被转运到质膜的脂筏中并生成神经酰胺，后者结构中的长饱和烷基链与信号蛋白的疏水腔相互作用以将蛋白质附着到膜上，这可能是神经酰胺发挥对BACE1膜稳定作用的机制，同时也加剧了APP的β-样剪切[11]。如前所述，生成的Aβ可以提高SMase的活性而进一步加速神经酰胺在膜上的积累，使得Aβ与神经酰胺的生成呈现一个正反馈的调节通路。当神经酰胺被星形胶质细胞以外泌体的形式释放到胞外时，这些小囊泡一方面可以被邻近细胞摄取导致细胞凋亡，另一方面也可以作为晶核促进细胞间隙的Aβ低聚物聚集形成斑块[12]。

神经酰胺自身的线粒体损伤作用已被广泛报道——线粒体内膜和外膜上的神经酰胺积聚抑制氧化磷酸化、降低线粒体膜电位、增加线粒体通透性而诱导促凋亡内容物的释放[13]。此前研究报道了富含神经酰胺的线粒体相关膜与线粒体电压依赖性阴离子通道1(voltage dependent anion channel 1,VDAC1)相互作用而抑制ATP释放，这一过程被Aβ加重[14]；进一步的研究发现，富含神经酰胺的囊泡内吞Aβ后形成的包涵体与线粒体膜融合产生富含神经酰胺的膜微区，在此之上VDAC1与Aβ形成复合物导致寡聚促凋亡孔的形成[15]。

在一些以不同程度的神经炎症为特征的神经退行性疾病，如多发性硬化和AD中，对患者死后脑组织进行生化检验的结果显示活化星形胶质细胞产生神经酰胺的能力增强，且与主要生成Cer16∶0的CerS5有关，而与负责产生Cer24∶0的CerS2无关[16]，这可能使得脑中不同链长的神经酰胺相对比例发生变化，并且促进神经退行性病变的发生发展。对体外培养的原代大鼠星形胶质细胞或小胶质细胞给予外源性神经酰胺导致NF-κB激活和促炎因子表达，表明脑中积聚的神经酰胺可以促进胶质细胞活化，在神经炎症调节中起到促炎作用；这些病理变化在SMase敲除的细胞中消失，可以推测受促炎因子激活的SMase在胶质细胞炎性反应中起关键作用[17]。在AD病理中，Aβ是除促炎因子之外的另一导致nSMase激活的因素。尽管Aβ自身并不激活诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)，但在活化的星形胶质细胞中，激活的nSMase促进iNOS的mRNA表达，进一步导致NO和促炎因子的水平升高[18]，因而成为Aβ诱导iNOS激活的纽带。

由于AD发病机制的复杂性，神经酰胺对AD发生发展的贡献还能从更多方面加以解释。神经酰胺对胰岛素信号通路和葡萄糖代谢的干扰是最早被阐明的致病机制之一。蛋白激酶 B(protein kinase B，PKB/Akt)是胰岛素信号通路的关键分子，其活性在Ser473和Thr308位点被去磷酸化，或Thr34位点被磷酸化时受到抑制，而神经酰胺介导的蛋白磷酸酶 2A和蛋白激酶 C ζ激活则分别介导Akt相应位点的去磷酸化或磷酸化修饰[19]。此外，神经酰胺较小的亲水头部和较大的疏水尾部形成的“V”形结构使得富含神经酰胺的膜微区流动性减弱、刚性增强，这在线粒体中使得膜通透性改变、膜电位降低，在内质网中则诱发内质网应激。大鼠脑室注射神经酰胺诱导了下丘脑的脂质毒性和内质网应激，进一步导致了全身能量代谢平衡的紊乱[20]，这可能引发代谢性疾病和神经退行性病变。

3 靶向神经酰胺生成途径的潜在AD治疗药物

3.1 靶向SMase的药物 SMase家族依据其阳离子依赖性和作用的pH值被分为5个亚型，包括aSMase、nSMase1～3和碱性鞘磷脂酶(bSMase)。其中aSMase和Mg2+依赖性的nSMase2被认为是细胞应激期间产生神经酰胺的主要催化酶。如前所述，当细胞受到氧化应激、促炎因子、Aβ、Fas配体等刺激时，SMase从膜性细胞器移位至细胞膜，催化膜磷脂降解生成神经酰胺，随后通过线粒体毒性、炎症反应等诱导细胞凋亡[5]。

目前报道抑制aSMase活性的化合物研究数量较少，但针对aSMase主要与溶酶体膜结合这一特性，研究者发现某些化合物可以通过干扰这一结合过程使aSMase从溶酶体膜中解离并加速其降解[21]。这些化合物包括经典的三环类抗抑郁药(tricyclic dibenzoazepine,TCA)，如丙咪嗪，和选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(selective serotonin reuptake inhibitors,SSRIs)，如氟西汀。TCA和SSRIs在广泛用于治疗重度抑郁障碍的同时，也被用于治疗AD患者的抑郁症状。对AD患者给予文拉法辛和地昔帕明治疗后不仅成功控制其抑郁症状，对可能发生的认知功能下降也起到了一定的预防作用[22]。

相比而言，nSMase2的生理功能和化学抑制剂都被研究得更为透彻。除被促炎因子激活而加重炎症反应级联外，nSMase2还介导p75神经营养因子受体激活诱发的细胞损伤，以及星形胶质细胞中富含神经酰胺的外泌体分泌[23]。在5xFAD小鼠中，这些外泌体通过促进Aβ聚集而加重AD病理；而nSMase2基因敲除的5xFAD小鼠大脑神经酰胺和外泌体水平显著降低，伴随着较少的胶质细胞活化、较低的Aβ斑块负荷和高磷酸化tau蛋白，以及显著改善的认知能力。作者在同一项研究中使用了一种非竞争性nSMase2抑制剂——GW4869，得到了与nSMase2基因敲除相近的治疗效果[12]。具有抑制人nSMase2酶活性的小分子抑制剂还在不断开发之中，例如已被确定的一种新的非竞争性nSMase2抑制剂Cambinol可以抑制TNF-α或IL-1β诱导的原代神经元细胞神经酰胺积累和细胞凋亡，显示其预防神经酰胺依赖性神经退行性变的潜力[24]。研究者近日报道了一种全新的nSMase2抑制剂——PDDC，是针对该靶点第一个同时具有良好的药效学和药代动力学参数的小分子化合物。PDDC在体内表现出良好的口服生物利用度与脑渗透性；同时，11月龄5xFAD小鼠在持续腹腔注射给予PDDC 5个月后出现脑组织外泌体释放的显著降低和认知能力的显著改善。作者在同一研究中介绍了70个PDDC的类似物并进行了广泛的构效关系研究，揭示了一些对nSMase2具有类似或更高抑制活性，同时具有良好药代动力学特性的化合物，可作为潜在的AD治疗药物[25]。

3.2 靶向SPT的药物 SPT催化神经酰胺从头合成途径的第一个步骤，即将丝氨酸和棕榈酰辅酶 A转化为3-酮基二氢鞘氨醇；而化学抑制SPT则可以有效地阻止神经酰胺等鞘磷脂中间产物的有害积累[26]。多球壳菌素(myriocin)是一种从真菌中提取的抗生素，用于治疗机会性感染，同时也是一种强效的SPT抑制剂。对肥胖大鼠侧脑室注射myriocin减轻了其下丘脑神经酰胺的异常积累，同时提高了下丘脑对胰岛素的敏感性[27]，有助于缓解其脑内受损的胰岛素信号和葡萄糖代谢。最近的文献也报道了另一种SPT的小分子抑制剂——ARN14494。对受到Aβ1-42损伤的小鼠原代星形胶质细胞给予药物处理后，细胞内SPT活性和长链神经酰胺合成受到抑制。ARN14494同时降低了星形胶质细胞炎症反应相关酶iNOS和COX2和表达，使条件培养基中促炎因子TNF-α和IL-1β的水平下降，最终减少条件培养基处理的原代神经元caspase-3激活和细胞死亡[28]。

3.3 靶向CerS的药物 CerS催化二氢鞘氨醇与脂肪酸结合为二氢神经酰胺，是鞘氨醇向神经酰胺转化的关键酶，其不同亚型对不同链长脂肪酸的选择性不同。伏马菌素(fumonisin)是一类具有强大抗真菌活性的抗生素，具有类似鞘氨醇的结构，通过占据CerS中结合鞘氨醇的结构域而抑制神经酰胺的合成。在体外培养的星形胶质细胞中，Aβ诱导神经酰胺相关微管蛋白从核周区转移至线粒体并与VDAC1结合，从而减少线粒体的ATP释放并引发线粒体分裂。对星形胶质细胞给予Fumonisin B1处理则逆转了这些变化，表明Fumonisin B1对AD中受损损伤的线粒体具有保护作用[14]。

3.4 其他靶向神经酰胺生成途径的药物 二氢神经酰胺去饱和酶催化神经酰胺从头合成途径的最后一步，负责将二氢神经酰胺转化为神经酰胺。二氢神经酰胺去饱和酶1通过调节mTORC1的活性而参与神经元自噬的调控。两种二氢神经酰胺去饱和酶抑制剂——XM461和XM462增加了野生型小鼠原代神经元的神经元自噬囊泡数量，表现为LC3-Ⅱ的增加；而在接受相同药物处理的APP/PS1转基因小鼠原代神经元中不仅神经元自噬通量显著提高，Aβ的产生和分泌也显著下降[29]，表明二氢神经酰胺去饱和酶1可以成为缓解AD中淀粉样变性的重要靶点。

4 展望

神经酰胺可以通过促进Aβ沉积、损害线粒体功能、加重炎症反应等机制发挥神经毒性作用，从而参与AD等神经退行性疾病的发生发展。对神经酰胺生成途径的深入研究提供了调节神经酰胺水平而延缓AD的可能靶点，同时也带来了一些新的问题与挑战。目前不同链长神经酰胺的具体生理功能尚未完全阐明，也欠缺精准调节特定链长神经酰胺水平的药理学手段。未来的研究在聚焦神经酰胺生成途径的同时也应考虑对其降解途径的干预。一方面，对鞘磷脂降解的过度抑制会导致鞘磷脂沉积性疾病，如Niemann-Pick病的发生；另一方面，神经酰胺的代谢产物鞘氨醇及其磷酸化形式S1P被认为具有抗凋亡作用，通过对神经酰胺酶活性的干预调节神经酰胺和S1P的比例，进而恢复鞘脂“变阻器”，也是一条开发AD治疗药物的可能途径。