阿爾茨海默病(AD)影響著全球約5000萬人，大量研究證明AD與β-淀粉蛋白（Aβ）聚集和銅離子濃度失調密切相關。正常大腦中的銅含量為0.2-1.7 uM，而Aβ斑塊中銅的濃度可達0.4 mM。銅是生命不可或缺的元素之一，銅濃度的波動與多種疾病有關，包括門克斯病、威爾遜病等遺傳病;阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病、朊病毒病等神經退行性疾病。對于與銅積累引起的疾病，最常見的治療策略是直接使用銅螯合劑。然而，由于螯合劑的無特異性可能會引起很多副作用。近日，曲曉剛研究員課題組設計用Aβ特異性光敏劑4與Cu預螯合劑5合成雙功能化合物6（Fig.2a），是一種很有吸引力的AD治療藥物。光氧化Aβ可以通過增強蛋白極性分解Aβ聚集物，而銅離子可以協調促進Aβ聚合。因此,由銅積累的β-淀粉蛋白（Aβ）斑塊（Aβ-Cu聚集體）催化疊氮-炔烴生物正交環加成反應（CuAAC），原位合成具有光氧化Aβ和螯合Cu特性的藥物就能有效地體內分解Aβ-Cu聚集體。作者采用光譜滴定法和等溫滴定量熱法(ITC)測定了化合物6與銅的結合度(n)和結合親和力。在ITC測定中，銅與Aβ40和化合物6表觀結合常數(K)分別為9.64 x 105 M-1和7.21 x 106 M-1（Fig.2b and 2c）。化合物6與銅的親和度適宜于破壞Aβ40-Cu相互作用，而不影響酶的正常功能。作者評估了化合物6對Aβ的光氧化能力。采用1,3-二苯異苯并呋喃(DPBF)檢測光激發化合物6生成的單線態氧(1O2)。利用甘油增加溶液粘度，限制化合物6的鍵旋轉。與(HEPES)緩沖液作對照，化合物6在甘油/HEPES混合溶液中產生更多的1O2（Fig.S15）。Aβ40的MS峰為4330，光氧化Aβ40的MS峰為4346、4362、4378、4394、4410，證實了化合物6可以有效地光氧化Aβ40（Fig.S16）。探究化合物6對Cu加速Aβ40聚集反應的抑制作用。用尼羅紅（NR）檢測Aβ40單體(10 μM)和Cu (10 μM)單獨存在，和與化合物4和6共同存在時的纖維震顫。圓二色性(CD)、AFM檢測Aβ40的聚集情況。隨著潛伏期的延長，Cu誘導Aβ40形成大量β層狀折疊的纖維，化合物6阻斷了這一過程。然而，由于缺乏螯合Cu的部分，化合物4不能抑制Cu誘導的Aβ40聚集（Fig.3）。
（圖片來源：Chem. Sci.）
為了評價原位合成藥物6在細胞中的治療潛力，將PC12細胞與Aβ40-Cu聚集物和前藥負載的MSN-IgG9(對Aβ40-Cu催化產生的H2O2敏感)共同孵育。前藥(4,5和AA)在細胞中釋放（Fig.4a）。然后Aβ40-Cu聚合物催化CuAAC反應，原位合成化合物6。此外，化合物6的產量隨著Aβ-Cu濃度的增加而增加。因此，在不使用外源性銅催化劑的情況下，原位藥物合成可以通過細胞中Aβ40-Cu聚集物的水平自我觸發和調節。Aβ40-Cu聚合物破壞了細胞形態，導致細胞死亡。相比之下，原位合成藥物6使PC12細胞恢復正常形態，使細胞存活率從37%提高到82%。然而，化合物4沒有表現出類似的保護作用（Fig.4b and 4c）。結果表明，化合物6 通過螯合銅和光氧化Aβ，抑制Aβ40-Cu聚集物所引起的細胞毒性。然后，作者探討了化合物6的原位合成是否能抑制Aβ40-Cu聚集物引起AD模型秀麗線蟲CL2006的麻痹。MS證實經過Cu處理的CL2006中合成了化合物6（Fig.S35）。生長曲線證明，Aβ40-Cu聚合體可誘導AD模型CL2006株麻痹，縮短其壽命，并導致行為缺陷，而原位合成的化合物6可減少Aβ40-Cu聚集物，抑制CL2006麻痹，提高其活動力（Fig.5b）。
總結：曲曉剛研究員課題組設計原位合成的雙功能藥物，具有光氧化Aβ和螯合Cu特性，能有效地體內分解Aβ-Cu聚集體。由銅積累的β-淀粉蛋白（Aβ）斑塊催化疊氮-炔烴生物正交環加成反應（CuAAC），激活熒光團并進行藥物合成，可以實現AD治療的自觸發和自調節。在活細胞、轉基因AD模型秀麗線蟲CL2006以及三轉基因AD小鼠的大腦切片中都有效果。作者的研究為利用內源性神經毒性金屬離子原位合成治療神經退行性疾病的多功能藥物開辟了新的途徑。
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