Tau，抗阿爾茨海默路上的下一座燈塔？

       圣誕節(jié)前夕，百健(Biogen)和衛(wèi)材(Eisai)宣布其共同開發(fā)的阿爾茲海默病(AD)藥物BAN2401在一個(gè)持續(xù)12個(gè)月的II期臨床試驗(yàn)中未達(dá)到一級(jí)終點(diǎn)(Biogen的阿爾茨海默病藥物臨床二期失敗，股價(jià)下跌4%)。面對(duì)這樣的結(jié)果，兩家公司均表示不會(huì)放棄開發(fā)，后續(xù)將繼續(xù)一個(gè)18個(gè)月的臨床試驗(yàn)并以中樞粉狀蛋白類生物標(biāo)記物來替代臨床終點(diǎn)。然而這并不能讓人們對(duì)此信心滿滿，以生物標(biāo)記物水平做指標(biāo)，本身就不能保證可靠的臨床藥效。BAN2401是一款β淀粉蛋白抗體，這一失敗再次給以β-淀粉樣蛋白為靶點(diǎn)的抗AD藥物開發(fā)蒙上了一層陰影。

       人們不會(huì)忘記去年感恩節(jié)前，禮來公司的抗體藥物Solanezumab的臨床失敗所帶來的巨大影響。隨著以淀粉樣蛋白為靶點(diǎn)的多種藥物不斷在臨床試驗(yàn)中折戟沉沙，基于這一假說的相關(guān)研究熱情也在逐漸衰退。越來越多的制藥公司將目標(biāo)轉(zhuǎn)向了其他的假說和機(jī)理，如神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)炎癥，細(xì)胞凋亡和Tau蛋白病變等。其中Tau蛋白病變以微管相關(guān)蛋白Tau聚合物的出現(xiàn)為特征，是AD的標(biāo)志性病變之一，特別是Tau蛋白的病理機(jī)理與認(rèn)知功能減退聯(lián)系更加緊密。因此Tau正受到來自世界范圍內(nèi)AD藥物研發(fā)領(lǐng)域的重視，今天我們就對(duì)Tau靶點(diǎn)相關(guān)內(nèi)容做一個(gè)系統(tǒng)梳理。

       圖1 正在開展的臨床試驗(yàn)中，不同機(jī)理的投資占比(圖片來源：參考文獻(xiàn)3)

       Tau蛋白的背景介紹

       Tau蛋白是微管結(jié)合蛋白家族中的一種支架蛋白，在正常的神經(jīng)元中，Tau蛋白主要富集于神經(jīng)元軸突周圍，主要功能包括調(diào)節(jié)、維持微管穩(wěn)定性、輔助神經(jīng)元軸突的運(yùn)輸功能等。Tau蛋白共包含四個(gè)功能區(qū)域，分別是：氨基端投射功能區(qū)(Projection domain)、脯氨酸富集區(qū)、微管結(jié)合區(qū)(MBD)和碳端功能區(qū)(圖2)。在溶液中，Tau蛋白通常處于非折疊狀態(tài)，帶有交替排列的負(fù)電荷氨基酸(谷氨酸、天冬氨酸、磷酸化絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸)和正電荷氨基酸(精氨酸和賴氨酸)。通過MBD結(jié)合微管能夠引起Tau蛋白的結(jié)構(gòu)改變，使得負(fù)電荷區(qū)域從微管表面產(chǎn)生分支，形成一個(gè)鏈接基團(tuán)(linker)與如膜聯(lián)蛋白等膜組分連接在一起。脯氨酸富集區(qū)的序列包括PxxP基序。較短的碳端功能區(qū)似乎可以抑制Tau蛋白聚合，這段區(qū)域的缺失可能與Tau蛋白在AD中的絲狀結(jié)構(gòu)形成有關(guān)。

       圖2 人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)六種Tau蛋白亞型序列及四大功能區(qū)分布(圖片來源：參考文獻(xiàn)2)

       Tau蛋白的病理生理學(xué)

       研究發(fā)現(xiàn)Tau蛋白的翻譯后修飾(post-translational modifications, PTMs)是調(diào)控其蛋白結(jié)構(gòu)和功能的重要方式。其PTM的形式有很多，包括像糖基化、乙酰化、截?cái)嗟龋亲钪饕囊环N方式就是磷酸化。正常生理?xiàng)l件下，這些修飾也是廣泛存在的，只是在病理環(huán)境中他們會(huì)變得更加劇烈。Tau蛋白中的脯氨酸和賴氨酸殘基含量非常高，并且有超過80個(gè)潛在的磷酸化位點(diǎn)，這么多的脯氨酸和賴氨酸個(gè)數(shù)，使得Tau在病理狀態(tài)下由過度磷酸化導(dǎo)致的相互交聯(lián)，和通過縮合反應(yīng)與其他Tau分子的聚集，變得更加容易。在病理?xiàng)l件下，Tau的磷酸化水平是正常的2-3倍，這種過磷酸化使得Tau蛋白從微管上脫落下來，胞質(zhì)中的Tau含量上升，發(fā)生聚集形成難溶的纖維束，最終導(dǎo)致神經(jīng)纖維糾纏，這也是AD的一個(gè)重要的病理特征。Tau在正常生理?xiàng)l件下存在廣泛的翻譯后修飾，但是在病理?xiàng)l件下，翻譯后修飾會(huì)更加的猛烈，導(dǎo)致tau聚集并限制其清除。雖然上述過程的具體機(jī)理尚不清楚，但基于不同Tau病變的觀察，我們能夠確定的是，這一過程是受到來自多方面的調(diào)節(jié)。Tau蛋白的體內(nèi)平衡可以被多種方式干擾產(chǎn)生一系列的生化反應(yīng)，從而導(dǎo)致不同大腦區(qū)域、不同細(xì)胞類型發(fā)生相應(yīng)變化，表現(xiàn)出不同的臨床癥狀，所以這些PTM位點(diǎn)將是潛在的治療靶點(diǎn)。很多病理狀態(tài)下的磷酸化位點(diǎn)，在AD患者的腦組織中都得到了確認(rèn)，基于此機(jī)理科學(xué)家開發(fā)了很多特異性抗體。與磷酸化相關(guān)的激酶包括GSK3-β，CDK5，CDK2等。

       Tau蛋白病的分類和動(dòng)物模型

       Tau蛋白病包括一系列的神經(jīng)退行性疾病，如額顳葉癡呆(bvFTD)、遲滯型失語(yǔ)癥(PNFA)、詞義性癡呆(SD)等。雖然有這么多的種類，但是考慮到這些Tau蛋白病的共性都是過磷酸化，聚集形成纖維化聚合物，我們有理由去假設(shè)至少一部分相關(guān)靶向的藥物都將是廣譜藥物。

       在Tau蛋白研究中使用的絕大多數(shù)動(dòng)物模型為轉(zhuǎn)基因小鼠，通過特定的神經(jīng)元啟動(dòng)子來表達(dá)野生型或突變型Tau蛋白。除了小鼠，其他動(dòng)物，包括其他嚙齒類動(dòng)物都很少用于Tau蛋白研究。究其原因，一是這些模型與小鼠和人體組織的內(nèi)在差異；二是試驗(yàn)動(dòng)物的周齡/年齡選擇。老年動(dòng)物有助于將研究結(jié)果從動(dòng)物模型向人的轉(zhuǎn)換，但如果選擇老年大動(dòng)物來建立模型則需要考慮培育的成本，還有隨年齡增長(zhǎng)而帶來的共患病的影響。

       Tau蛋白的致病機(jī)理

       一個(gè)廣泛的共識(shí)是Tau蛋白在疾病的發(fā)展中部分轉(zhuǎn)變?yōu)?*亞型，針對(duì)Tau蛋白病變的藥物就是基于此——Tau蛋白**而開發(fā)的。這一過程很可能就是由一系列的翻譯后修飾，比如磷酸化的幫助下完成的。另外，Tau蛋白通過折疊而成的一個(gè)介于二聚體和纖絲之間的寡聚體(Oligomer)也能夠使其產(chǎn)生**(圖3)，這些PTM之間的關(guān)系現(xiàn)在尚不清楚。

       圖3 Tau蛋白的致病機(jī)理(圖片來源：參考文獻(xiàn)2)

       目前對(duì)于Tau蛋白病變的發(fā)病機(jī)理存在幾種假說。在AD領(lǐng)域，淀粉樣蛋白假說作為上游與Tau蛋白變性理論結(jié)合到了一起。在病理狀態(tài)下，突觸后Tau的正常組裝蛋白功能被顯著提升，最終在Aβ信號(hào)介導(dǎo)下產(chǎn)生下游**，比如鈣離子內(nèi)流。另一種假說是Tau蛋白聚集阻止了細(xì)胞的清除機(jī)制，這種早期的動(dòng)態(tài)聚集最終促進(jìn)了纖維的形成和生長(zhǎng)。針對(duì)這一過程的藥物包括各種Tau聚合抑制劑，如亞甲藍(lán)等。第三種假說是Tau病變損害了軸突的物質(zhì)輸送，包括線粒體損傷等。線粒體功能受損，進(jìn)而增強(qiáng)了氧化應(yīng)激，更容易發(fā)生磷酸化，使得線粒體自噬系統(tǒng)紊亂。

       另一個(gè)問題就是在AD早期階段通常只有一部分大腦區(qū)域受到影響，但是在疾病后期階段往往擴(kuò)散至整個(gè)大腦區(qū)域。這又是什么原因造成的呢？答案就是Tau蛋白的擴(kuò)散。研究發(fā)現(xiàn)，AD患者腦中的Tau蛋白可以通過擴(kuò)散最終導(dǎo)致腦中各個(gè)區(qū)域發(fā)生變性(圖4)，通過向轉(zhuǎn)基因小鼠海馬，及皮層神經(jīng)元中注射死亡AD患者的腦提取物，再對(duì)臨近腦組織進(jìn)行分析是否發(fā)生了Tau病變。研究人員發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散的速度首先取決于兩處組織信號(hào)介導(dǎo)的連接緊密性，而不是物理距離，這是由于Tau蛋白是先被神經(jīng)元釋放到胞外，再被其他的神經(jīng)元攝取，從而完成擴(kuò)散的，當(dāng)神經(jīng)元更加活躍時(shí)，Tau蛋白擴(kuò)散也會(huì)加劇。值得注意的是，將注射入腦后產(chǎn)生的內(nèi)生Tau蛋白移除，雖然不能阻止其擴(kuò)散，但是結(jié)果顯示這樣的確能夠降低蛋白**。這說明針對(duì)胞外Tau蛋白進(jìn)行治療，可能會(huì)比針對(duì)神經(jīng)元內(nèi)的蛋白更容易，也更有效。

       圖4 Tau蛋白的擴(kuò)散(圖片來源：參考文獻(xiàn)2)

       以Tau蛋白為靶點(diǎn)的藥物治療策略及產(chǎn)品管線

       目前正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)的以Tau蛋白為靶點(diǎn)的候選藥物，主要是通過減低Tau蛋白水平，阻止其聚合或針對(duì)其翻譯后修飾的調(diào)控。直接靶向的藥物包括聚合抑制劑和**。間接靶向的藥物主要指PTM調(diào)節(jié)劑，包括微管穩(wěn)定劑和激酶、磷酸調(diào)控劑。其它還有降低Tau蛋白寡聚化、促進(jìn)自噬和蛋白質(zhì)清除、增強(qiáng)線粒體功能和減輕氧化應(yīng)激等。下面結(jié)合作用機(jī)制對(duì)典型的在研藥物做簡(jiǎn)要介紹，其余藥物信息見表1。

       Tau蛋白聚合阻斷劑

       TRx0237 (Rember)，小分子藥物，TauRx Therapeutics公司

       Rember也被稱為亞甲藍(lán)，是一個(gè)三環(huán)吩噻嗪結(jié)構(gòu)化合物。在FDA成立之前就在非洲被廣泛用于治療瘧疾、高鐵血紅蛋白血癥以及其他病癥，是一個(gè)不折不扣的老藥。1996年有研究發(fā)現(xiàn)該化合物能夠阻斷tau蛋白間相互作用，從那以后，很多研究都表明它有治療神經(jīng)退行性疾病的活性。Rember僅僅是第一代化合物，在其II期臨床中出現(xiàn)了腹瀉、眩暈等一系列不良反應(yīng)終止了開發(fā)。通過構(gòu)效改造得到了用于治療AD和額顳葉癡呆的第二代抑制劑TRx0237，其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，能夠改善藥物吸收、生物利用度和耐受性。不管是TRx0237還是Rember，其背后的機(jī)理都是，通過抑制Tau蛋白聚集，或者溶解已形成的異常Tau蛋白聚集體，來影響下游如AD和其他神經(jīng)退行性疾病的蛋白異常。目前該藥物已進(jìn)入Ⅲ期臨床試驗(yàn)階段，在三個(gè)相關(guān)研究中，第一個(gè)針對(duì)輕度AD患者，200mg/天的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還沒有公開；第二個(gè)針對(duì)輕至中度AD患者的臨床試驗(yàn)在2016年的AAIC會(huì)議上公布了陰性結(jié)果；第三個(gè)以額顳葉癡呆為適應(yīng)證的臨床試驗(yàn)在2016年的慕尼黑ICFTD會(huì)議上公布了結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)也沒有達(dá)到有效終點(diǎn)，具體原因尚不明確。

       抗體**

       比起Aβ蛋白，Tau蛋白的結(jié)構(gòu)更大。因此研發(fā)一款抗體**，選擇正確的免疫位點(diǎn)也顯得至關(guān)重要?？傮w而言在所有研發(fā)管線中，結(jié)合時(shí)間表和多功能兩個(gè)角度看，目前**的前景是的。

       AADvac-1，抗體藥物，Axon Neuroscience

       受tau裂解后產(chǎn)生的氨基端碎片啟發(fā)，Axon Neuroscience公司設(shè)計(jì)開發(fā)了由氨基末端半胱氨酸化的tau蛋白組成的抗體藥物AADvac-1，這是首個(gè)通過引發(fā)免疫應(yīng)答對(duì)抗tau蛋白病變的**。2013年，AADvac-1展開了I期臨床研究并展示了其安全性，隨后在2015年針對(duì)早期AD患者開展臨床II期研究，預(yù)計(jì)2019年結(jié)束。

       RO7105705，抗體藥物，AC Immune & Genentech

       RO7105705是AC Immune與羅氏集團(tuán)旗下的基因泰克(Genentech)合作開發(fā)的一款Tau蛋白抗體。該藥物并沒有公布臨床前數(shù)據(jù)，其針對(duì)胞外Tau蛋白，能夠抑制導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的小膠質(zhì)細(xì)胞活化。2016年6月該藥物開展了臨床I期的研究，今年10月份II期臨床已經(jīng)開始招募輕到中度的AD患者。

       C2N 8E12 (ABBV-8E12)，抗體藥物，AbbVie

       C2N 8E12是由C2N Diagnostics開發(fā)并授權(quán)給AbbVie公司的一款人源化抗體。它能夠識(shí)別胞外的病變蛋白。8E12與其他抗體的不同之處在于其不需要被神經(jīng)元攝取，通過特異性結(jié)合非正常折疊的Tau蛋白清除神經(jīng)纖維糾纏，改善神經(jīng)功能。2015年6月開始在進(jìn)行性核上性麻痹患者上開展I期臨床試驗(yàn)，目前針對(duì)AD患者的II期臨床試驗(yàn)正在招募病人入組。

       BIIB092，抗體藥物，iPierian→BMS→Biogen

       BIIB092是生物技術(shù)公司iPierian從家族性AD患者衍生的多能干細(xì)胞中分離出來，開發(fā)而成的一種人源化IgG4單克隆抗體(IPN007)，這一藥物針對(duì)胞外Tau氨基端的片段化(eTau)中和其**。 2014年，BMS收購(gòu)了iPierian，將其命名為BMS-986168，I期臨床研究表明該藥物臨床耐受性良好。2017年，Biogen又以3億美元預(yù)付款，最終可達(dá)5.5億美元的價(jià)格獲得了該藥物的授權(quán)，2017年11月，Biogen啟動(dòng)了針對(duì)早期AD的II期臨床研究，擬招募528名受試者，該臨床研究預(yù)計(jì)于明年2月份開展，2020年結(jié)束。

       表1. Tau蛋白靶點(diǎn)的AD藥物在研管線一覽

       靶向Tau蛋白PTM調(diào)控酶

       由于PTM在Tau蛋白病中所發(fā)揮的關(guān)鍵作用，目前科學(xué)家針對(duì)參與其改變的酶而開發(fā)了一些藥物。糖原合成酶激酶-3 (GSK3-β)是一個(gè)研究廣泛的Tau蛋白激酶，該激酶可以使Tau蛋白過度磷酸化，在AD病理狀況下會(huì)出現(xiàn)上調(diào)，但由于其參與很多細(xì)胞通路，因而以此為靶點(diǎn)的藥物開發(fā)需要格外注意，激酶酶活的抑制不能超過25%。

       Anavex2-73，小分子藥物，Anavex公司

       作為一種σ1毒蕈堿的配體，Anavex2-73能夠結(jié)合毒蕈堿乙酰膽堿和σ1受體，降低GSK3-β的活性，阻止Tau過度磷酸化，改善記憶缺失，并具有神經(jīng)保護(hù)作用。Anavex公司宣稱一個(gè)小型IIa期臨床試驗(yàn)結(jié)果表明該藥物能夠改善認(rèn)知功能。

       微管穩(wěn)定劑

       TPI287，小分子藥物，Cortice Biosciences公司

       TPI287是由Cortice公司(以前的Archer Biosciences)開發(fā)的一款基于微管蛋白結(jié)合和增強(qiáng)微管穩(wěn)定的藥物。作為一種紫杉烷二萜類藥物的合成衍生物，TPI287與大多數(shù)紫杉烷不同之處在于它能夠很好的穿越血腦屏障，進(jìn)入腦中發(fā)揮藥效。研究發(fā)現(xiàn)TPI287能夠穩(wěn)定微管，該藥針對(duì)輕到中度AD患者為對(duì)象的I期臨床試驗(yàn)?zāi)壳罢谶M(jìn)行中。

       除了以上這些處于臨床研究的藥物靶點(diǎn)，還有一些藥物將目標(biāo)放在了Tau蛋白水平調(diào)節(jié)和線粒體氧化應(yīng)激等方面。降低Tau蛋白含量是否會(huì)導(dǎo)致其他的病理狀態(tài)目前還存在爭(zhēng)議，研究表明將Tau蛋白降至一定水平還是安全的。值得關(guān)注的是，Tau相關(guān)的臨床研究不僅在很多新的機(jī)理方面發(fā)展迅速，針對(duì)很多Tau病變導(dǎo)致的罕見病的臨床研究也很多，比如PSP(進(jìn)行性核上性麻痹)。這也是受到FDA政策激勵(lì)而產(chǎn)生的景象。FDA對(duì)罕見病藥物的開發(fā)給予的優(yōu)惠政策包括提供7年的市場(chǎng)獨(dú)占期和一定的資金支持，光是前者就已經(jīng)讓很多制藥公司對(duì)孤兒藥趨之若鶩。

       展望未來，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

       由于AD的多因子致病機(jī)理，未來的藥物治療很可能要配合個(gè)體化的精準(zhǔn)醫(yī)療，而精準(zhǔn)醫(yī)療的前提就是要搞清楚每個(gè)病人個(gè)體的遺傳基因、神經(jīng)影像，還有其特有的生物標(biāo)記物水平。而以上這些特點(diǎn)，Tau蛋白都具備，這類蛋白的異構(gòu)體形態(tài)各異，翻譯后修飾具有指紋特性，這些都有利于Tau蛋白靶點(diǎn)藥物的研發(fā)。但是也要清醒的意識(shí)到其臨床研究還是面臨很多挑戰(zhàn)的。例如對(duì)疾病發(fā)展的認(rèn)識(shí)還不全面；不能在AD早期之前就對(duì)其有效診斷；缺乏靈敏的生物標(biāo)記物；較窄的治療窗；如何穿透血腦屏障將藥物遞送到靶點(diǎn)等。但是這些問題也是所有AD藥物研發(fā)所面臨的共同問題。淀粉樣蛋白和Tau蛋白兩種假說就像兩條平行的馬路，一條路走的車太多，導(dǎo)航提示道路擁堵請(qǐng)繞行避堵，于是大家不約而同的又都來到了Tau蛋白機(jī)理。當(dāng)然，導(dǎo)航所描述的是實(shí)況交通，而兩條AD治療理論的前路如何，尚難以下定論。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，在失敗的臨床試驗(yàn)面前，我們絕不應(yīng)悲觀，AD早在100多年前就被發(fā)現(xiàn)，至今我們還沒有完全了解它。找到治療AD的有效方法，就像當(dāng)初建造巴比倫塔一樣，面對(duì)這一疾病，全人類真正成為命運(yùn)共同體。而隨著新成果的不斷涌現(xiàn)，我們終將明白該病背后的精準(zhǔn)機(jī)制，從而戰(zhàn)勝這一可怕的疾病。

       參考文獻(xiàn)：

       1.Tau蛋白的翻譯后修飾與阿爾茨海默病，中國(guó)科學(xué)：化學(xué)。

       2.Tau-based therapies in neurodegeneration:opportunities and challenges, Nature Reviews.

       3.Tracing investment in drug development for Alzheimer disease.

       4.Neuronal activity enhances tau propagation and tau pathology in vivo.

       5.Alzheimer’s disease, Nature Review, 2015, 1.