客观日本

日英合作成功开发出依布硒类缘化合物,可作为ALS渐冻症候选治疗药物

2020年09月08日 生物医药

日本名古屋大学环境医学研究所/医学系研究科的渡边征尔助教和山中宏二教授,与英国利物浦大学的Samar Hasnain教授等人组成的国际联合研究团队,以化合物依布硒(Ebselen)为基础,成功开发出了可作为神经退行性疾病ALS(肌萎缩性侧索硬化症)的候选治疗药物的化合物。

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ALS是大脑和脊髓中的运动神经细胞发生原因不明的细胞死亡,引起全身肌肉麻痹和萎缩的神经退行性疾病。部分ALS属于遗传性,其中很多是由SOD1(注1)基因异常引起的。此前,Hasnain教授的研究团队发现,名为依布硒(注2)的化合物会与ALS患者的异常SOD1蛋白(异常化SOD1)结合,抑制其异常化。因此,研究团队此次决定以依布硒为基础开发新的化合物,作为能更强力地特异性抑制SOD1异常化的ALS候选治疗药物。

研究团队通过对依布硒的结构进行各种改变,在试管内筛选出了对异常化SOD1具有较高抑制效果的化合物,并实际解析了候选化合物与异常化SOD1结合的立体结构。另外,还在表达异常化SOD1的神经细胞中添加候选化合物,验证了能否保护细胞免受异常化SOD1的毒性损伤。由此获得了细胞保护效果比依布硒更高的多种化合物。此外还确认,这些候选化合物的细胞保护效果要好于目前作为ALS治疗药物使用的依达拉奉。

此次研究以依布硒为基础,成功开发出了对异常化SOD1的细胞保护效果更高的化合物。今后,首先要确认对人体的安全性和病症改善效果,计划利用ALS模型小鼠(注3)进行研究,作为未来比较有希望的候选治疗药物推进开发。

研究背景

ALS是大脑和脊髓的运动神经细胞逐渐受损并死亡的神经退行性疾病,原因尚不明确,日本大约有9000名患者。患者的思考和认知能力正常,但全身的肌肉会逐渐麻痹并萎缩,很多患者几年内就会发展到需要靠人工呼吸机维持生命的地步。因此,迫切需要查清ALS的发病原因并开发治疗方法。

约10%的ALS是遗传性的,已知其原因在于很多基因出现的异常。其中,SOD1基因异常的患者在日本的出现频率较高,约占遗传性ALS的20%。名古屋大学的研究团队和英国利物浦大学的研究团队通过在神经科学和蛋白质结构生物学这两个领域开展跨界国际联合研究,推进了ALS的病理研究。利物浦大学Samar Hasnain教授的研究团队此前报告,化合物依布硒会与异常化的SOD1蛋白结合,减轻其毒性(Cappar et al. Nat Commun 2018)。因此,此次研究的目标是,以依布硒为基点,开发效果更高的化合物。

研究成果

在此次研究中,英国团队对依布硒结构中对于与异常化SOD1结合并不重要的部分进行各种改变,制备了一些候选化合物(图1)。由此,获得了多种与异常化SOD1的结合和稳定化效果比依布硒更好的化合物。另外,还通过实际进行立体结构解析,明确了其结合状态。因此,名古屋大学的团体利用表达异常化SOD1的神经培养细胞,调查了候选化合物是否能切实发挥神经保护效果(图 2)。实验发现,新化合物能以浓度(0.1μM)远远低于依布硒保护细胞的浓度(1μM)强力保护细胞,是一种比较有潜力的化合物。另外还发现,这些化合物对细胞的毒性比依布硒还低,所以更加安全。而且,化合物的保护效果要好于目前作为ALS治疗药物使用的依达拉奉。以上结果表明,此次研究获得的新化合物能保护细胞免受异常化SOD1的毒性损伤,改善ALS的病症,而且比依布硒更有效。

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图1:利用依布硒开发类缘化合物
对依布硒(左)的红色部分进行各种化学修饰(绿),获得候选化合物。

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图2:候选化合物对表达异常化SOD1的神经细胞的保护效果
纵轴表示存活率,值越大,表示细胞保护效果越高。新开发的化合物中,化合物#9和#10(Cpd9、Cpd10)显示出非常高的细胞保护效果(红框内)。另外,这两种化合物能以低于依达拉奉(Edaravone, 灰色)的浓度表现出保护效果,而且效果很好。蓝色虚线表示无毒性状态下的细胞存活率(阳性对照),黑色虚线表示未添加化合物的状态下的细胞存活率(阴性对照)。

为推进候选化合物的临床应用,研究团队还同时调查了依布硒对ALS模型小鼠的病症改善效果。结果显示,口服依布硒的群组,发病时间明显延迟,但生存时间的延长效果不明显(图3)。由此认为,依布硒对异常化SOD1的神经保护效果在模型小鼠身上有效,但效果可能并不充分。此次研究新开发的化合物对个体的效果有望比依布硒更高,因此今后预定通过实验进行验证。

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图3:为ALS模型小鼠投喂依布硒的效果
将依布硒粉末混合到饲料中,从70日龄开始投喂ALS模型小鼠。把体重开始减少的时期定义为”发病时间”,观察了从发病到死亡的生存时间。确认投喂依布硒的群组发病时间明显延迟。

用语解说
注1. SOD1
铜锌超氧化物歧化酶,是去除体内活性氧的酶之一。正常的SOD1蛋白呈稳定的二聚体结构,但发生会引起ALS的基因突变后,不稳定的单体就会增加。单体SOD1蛋白容易变成结构崩塌的状态(错误折叠的SOD1),错误折叠的SOD1增加的话容易聚集,并损伤神经细胞,也就是说,会对神经细胞产生毒性。因此,减少不稳定的单体SOD1和错误折叠的SOD1被认为对抑制SOD1引起的运动神经变性至关重要。

注2. 依布硒
依布硒是具有消炎和抗氧化作用的合成有机硒药物分子。日本过去期待其对急性脑梗塞有保护作用,实施过临床试验,但未通过医药审批。目前作为躁郁症的候选治疗药物正在海外推进临床研究。

注3. ALS模型小鼠
把发生突变的人SOD1基因(在遗传性ALS的致病基因SOD1中导入了ALS患者的突变基因)导入小鼠体内培育的模型小鼠,再现了作为ALS特征的运动神经细胞死亡和肌肉麻痹,被广泛用于研究用途。此次研究使用的是携带突变型人SOD1(G93A突变)的小鼠(B6.Cg‐Tg(SOD1*G93A)1Gur/J),将SOD1的第93位氨基酸甘氨酸置换成了丙氨酸。

论文信息
题目:Novel Selenium-based compounds with therapeutic potential for SOD1-linked amyotrophic lateral sclerosis
期刊:EBioMedicine
DOI:10.1016/j.ebiom.2020.102980

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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