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預防阿茲海默症?!從探索細胞毒性的早期分子機制開始
發佈日期:2018/01/05
資料來源:台灣大學生化科技系
內容:

台灣大學生化科技系 張英風博士

壹、趨勢背景

一、引言

       阿茲海默症(Alzheimer’s Disease, 以下簡稱AD)是一種進行性的神經變性疾病。特點是神經性功能損傷和神經元喪失,故導致記憶和其他認知能力逐漸衰退,最終引起癡呆。隨著世界人口老齡化加劇與平均壽命增加,不可避免地將面對AD和相關疾病盛行。目前,全球大約有3600萬AD患者,到2050年,該數字將增至11500萬。台灣、中國、日本、西歐國家,和美國將成為受影響人數最多的地區。

二、目前研究趨勢:探索細胞毒性的早期分子機制

       早期的研究已確定了AD的兩個最關鍵且典型的神經病理學特徵:(1) 神經炎性斑塊 (2) 神經纖維纏結。這兩者的主要成分已確定為:由40多個氨基酸序列組成的短肽β-澱粉樣物(Aβ),形成斑塊的主要成分;tau蛋白形成神經纖維纏結的主要成分。因此,過去的研究學者推論,只要解決神經炎性斑塊和神經纖維纏結即可治癒AD,但始終無法開發出有效的治療方式。

       但近期的研究卻指出,與斑塊或單體相比,病人實際臨床表現與Aβ的寡聚體形式之間的關係更為密切。由於單體Aβ通常在細胞外產生並具有調節膽固醇等功能,所以Aβ寡聚物的形成必定有一個或多個機制,不幸的是,神經毒性可能就由此產生。此外,目前已有研究指出,標定螢光物質的Aβ的確可以進入大單室脂質體(LUV)內部,而神經元細胞的死亡涉及抗去垢劑膜(DRM)片段或脂筏。然而,如何減少膜完整性,以及脂筏的參數如何調節Aβ寡聚物向神經元細胞轉運仍有待研究。

       故學者推論,未來也許可以假設高結構化的功能性膜結構、脂筏在以下方面起重要作用:(1) 積聚Aβ分子,以小聚物形式或影響單體的寡聚化 (2) 破壞膜完整性,以促進滲透不平衡和/或Aβ寡聚體在膜間轉運。若能證實這個假設,則調節膜筏結構的成分就可防止蛋白質複合物對膜進行攻擊,並可提供預防早期AD的治療手段。

        故從相關研究的目標趨勢可分為:(1) 找出在Aβ分子的生物相關濃度(nM)存續期間,喪失膜完整性所必需的膜的最小基本成分(脂質、糖脂、膽固醇和膜蛋白)。(2) 尋找膜組成成分,能通過上調或下調來有效調節膜完整性的結合、積聚和破壞。(3) 將這些調製因子應用於通過擠壓毛孔獲得而後分離的“真實”神經元膜。在Aβ1-40, Aβ1-42 和 Aβ3p-45存在的情況下研究“還原的神經元膜結構”。

貳、近年阿茲海默症研究趨勢變化

       AD遍及全球,影響了許多不同種族、國籍和信仰的老年人。該疾病至今仍為不治之症。眾所周知,AD患者有細胞外β-澱粉樣蛋白(Aβ)原纖維,形成斑塊和細胞內的tau-纏結,研究人員仍在試圖了解蛋白質轉換成分子斑塊的組合機制與AD患病率之間的因果關係。最近,美國國立衛生研究院(National Institutes of Health, NIH)和基因泰克公司(Genentech)宣佈了一項針對哥倫比亞特定人群的國際藥物測試,這些人似乎更容易感染這種使人衰弱的疾病。他們的研究目的是測試一種新的藥物以降低Aβ合成原纖維的能力,儘管眾所周知Aβ的原纖維聚合體與AD造成的神經元喪失相關,但更多近期研究表明,極小的聚集體,稱為寡聚體,可能與神經元細胞的毒性有更強的關聯性,而非原纖維。事實上,大量的AD研究團體目前認為,神經元死亡的過程更像是紊亂的自我免疫。涉及膜蛋白上Aβ寡聚體和tau-蛋白二者的故障信號過程,稱為突觸后緻密(PSD),可能觸發了下游信號路徑,進而破壞細胞。

       研究發現,Aβ寡聚體而非成熟纖維在AD中發揮主要作用,並且認為引發疾病的途徑可能只與Aβ的寡聚形式有關,而不是原纖維,例如:研究已經證實,在AD發病期間形成的細胞質里,Aβ寡聚體的存在與反應性氧化物(ROS)的形成密切相關。細胞膜完整性的喪失,既能使分子湧入細胞和細胞溶質湧出,進而破壞神經元細胞的細微分子平衡;進一步研究表明,脂筏域能夠保護膜免受Aβ寡聚物的破壞。另一個研究小組也發現了一種不同的Aβ寡聚體,叫做環狀原纖維,其似乎能在膜表面形成孔狀。總之,這些新發現指出感染AD的特殊途徑,並表明細胞膜內“脂筏”結構的動態組合是分子機制的關鍵過程,從而導致感染發病。

       在此發現下,脂質膜的作用引起了廣泛而重要的研究浪潮。使用單分子螢光顯微鏡檢測POPC表面上一小部分Aβ0分子的自我組合。研究指出,此過程延遲期很長,甚至需要數天的時間。根據可能存在的平面組合,研究亦指出,如果大的單層囊泡與Aβ單體或寡聚物接觸,則表面會因溶液中的染料分子形成多孔。他們檢查了神經節苷脂(GM1)存在和缺失產生的影響,以表明GM1是形成膜孔的重要組分。在一系列研究中,存在Aβ衍生的可擴散配體(ADDL)的情況下,在顯微鏡下研究神經母細胞瘤細胞,結果顯示,反應性氧化物在下游形成,表明ADDLs的存在確實會破壞細胞。此外,研究人員也進行了膜分離研究,以表明筏結構域增強了將ADDLs聚集到細胞表面的能力。研究人員指出,那些提高了細胞外膽固醇含量的筏結構似乎可以阻止Aβ誘發的氧化。

       根據以上研究,假設Aβ以其基本單體形式可以輕易地分解和形成幾個不同的寡聚物。其中包括ADDLs,環狀原纖維和原纖維。這些不同物質的形成主要依賴於Aβ單體所在的環境。

       目前許多實驗室在膜表面由膜誘導形成聚合物的成果證明,脂質似乎對Aβ有很高的親和力,並通過實驗指出可能存在的早期寡聚物的形狀,並暗示其具有環狀形態。有研究團隊指出,如果環境中含有被稱為脂筏的DRM結構域,那麼這些ADDLs確實會變得有毒性,因為筏通常含有約33%的膽固醇,並且他們發現調整膽固醇含量可以改變ADDLs向細胞的擴散。儘管也有其他團隊表明,Aβ最低限度地吸附和聚集在高流動性的膜上,但一般認為筏在聚集Aβ方面能力超群,可能引起表面締合,驅使細胞內下游反應性氧化物的形成。為證明Aβ與脂質表面結合時確實發生了膜滲透,已有實驗證實螢光團滲透到DMPC囊泡內部,尤其是那些帶有GM1的螢光團。

       根據這一系列的研究,確切的治療方式許多研究團隊仍在努力建構中。但可以歸納,在生物相關濃度下,已經可以探究Aβ二聚體/三聚體形成的早期階段,及其對膜結合和退化的影響,但需要進行更多的實驗來了解膜穿透物質的具體組成,如“環狀原纖維”為何物。因此,一種能定量測量不受探針(標記)擾動影響的量測系統與我們的確切目標至關重要;同時,需要量化諸如GM1,sphygomylein(SM)和膽固醇等因素的參數化水平,這些因子可以調節環形原纖維的水平或其他膜蛋白複合物的形成以及膜的分解。

       由於相關研究仍在進行中,因此若能有超靈敏技術將有助於相關團隊成為領先族群,做出早期的治療手段。目前國內的主要研究團隊已經達成了對富筏域的鞏固,也開始用產生“還原細胞”的方式,在減少創傷的條件下捕獲具有不同性質的膜域,而還原細胞可通過光學捕獲,運用無標記鐳射捕獲拉曼光譜來檢測分子成分,來達到檢測的目的。

 

參、 結語

       可溶解的Aβ是沒有毒性,主要構造為阿法螺旋的變形(α-helical variant),基本上是在正常的新陳代謝機制下分泌。目前的研究相信Aβ蛋白聚集而形成纖維束(fibril),主要構造已轉換為貝他摺片(β-sheet),而這個變化是早期阿茲海默症發展過程中最關鍵的階段。最近被提出的說法是與細胞膜上的GM1緊緊結合之Aβ是種子化Aβ纖維束形成的前驅物,然而Aβ蛋白聚集和構造轉換的分子機制目前並沒有辦法完全了解。

       因此,在越來越多學者投入Aβ蛋白造成細胞毒性的「早期分子機制研究」後,已經有學者開始將研究主題聚焦在以下三個課題:(1) 利用支撐式磷脂質脂雙層結構,在生理濃度(0.5-3mol%)的情況下,探討在含有膽固醇/神經磷脂或沒有膽固醇的脂雙層架構中,比較Aβ和GM1結合的親和力。(2) 找出並瞭解Aβ是跟GM1結合進入了類筏狀微環境(raft-like micro-environment),還是改變了原始脂筏的成分。(3) 探索是否從外界加入含有高親和性的GM1微環境的微脂體,可以將Aβ類澱粉蛋白轉向遠離主要的支撐式脂雙層。透過這些研究課題的成果,便可以為阿茲海默症開發治療的基礎。

 

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