糖尿病用藥 Metformin在帕金森氏症的老藥新用

代謝失調（metabolic dysfunction）是在多種老年神經退化疾病的共同特性，然而這樣的特性在病因學（etiology）中所扮演的角色仍不甚清楚。而帕金森氏症（Parkinson’s disease）[1][2]為其中一種常見的神經退化疾病。在最近的研究中，位在美國普林斯頓和哥倫比亞大學的研究團隊發現帕金森氏症與過度活化的粒線體呼吸有關，且利用 Metformin （一種糖尿病用藥）能夠抑制過度活化的粒線體呼吸。為帕金森氏症提出了一種新的治療策略。

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此研究團隊先前藉由電腦模型在線蟲（C. elegans）資料中發現利用 RNA 干擾（RNA interference，RNAi）造成的 bcat-1 表現缺陷會造成年齡相關的動作失調（motor dysfunction），並增加線蟲中由 α-synuclein 異常聚集所導致的多巴胺神經元降解 [3] [註1]。在此次研究中，該團隊進一步結合高通量的轉錄體與代謝體分析以及功能性影像對bcat-1基因的功能進行探討。bcat-1是支鏈胺基酸轉移酶(branched-chain amino acid transferase 1)的基因名稱，是支鏈胺基酸（branched chain amino acid catabolism，BCAA）代謝[註2]第一步的催化劑 [4]。

作為研究的第一步，該團隊使用針對神經系統的RNA干擾[5]來建立線蟲疾病模型。RNA干擾抑制bcat-1的表現，能夠導致成長到第八天的成熟線蟲產生類帕金森氏症的運動功能障礙，呈現類似痙攣的捲曲運動（curling motor dysfunction）（圖一）。

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接著團隊使用他們先前開發對線蟲的RNA進行定序的方法 [6] 去探討抑制bcat-1造成的影響。結果顯示參與支鏈胺基酸代謝、醣解作用和檸檬酸循環（citric acid cycle、tricarboxylic acid cycle或稱TCA cycle）的基因在bcat-1受抑制時有顯著增加表現的現象（圖二）。

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為了驗證這樣的觀察，作者們也進行高解析度的代謝體（high-resolution metabolomics）實驗 [7]。代謝體實驗的結果顯示 bcat-1 RNA干擾造成的代謝途徑變化與 BCAA 代謝有關，包含異白胺酸（isoleucine）、白胺酸（leucine）和纈胺酸（valine）的降解。另外受影響的還包含了丙胺酸（alanine）、天門冬胺酸（aspartate）和穀胺酸的代謝（圖三A） glutamate）[註3]。而代表白胺酸/異白胺酸（leucine/isoleucine）和穀胺酸（glutamate）的質譜特徵（putative  features）也如預期分別呈現增加與減少的趨勢（圖三B-C）。檸檬酸循環方面，代謝體同樣呈現與轉錄體失調的現象，但兩者呈現相反的趨勢（參與檸檬酸循環的基因表現增加，但檸檬酸循環中的代謝物卻減少，圖三A）。

作者團隊認為這樣的實驗結果有兩種可能的詮釋，其一是檸檬酸循環代謝物低落導致粒線體呼吸的減低。另一種則可能是檸檬酸循環代謝物低落反映出由其他因素驅動更快的檸檬酸循環反應，因而產生更快速的粒線體呼吸。 為了確定是哪一種狀況，團隊進行氧氣消耗速率以及TMRE 染色（tetramethylrhodamine ethyl ester dye，四甲基過氯酸銨、註4）的量測、並偵測氧化壓力指標—羧基化蛋白質（carbonylated proteins）的含量，實驗結果顯示，抑制bcat-1的神經細胞中，粒線體呼吸（圖四A-B）與氧化壓力（圖四C）是增加的。

基於這樣的觀察及研究團隊先前的其他成果[8]，團隊假設抑制過度活化的粒線體呼吸（mitochondrial respiration）將能減緩帕金森氏症的症狀，於是使用第二型糖尿病治療的藥物 Metformin [註5])來探索老藥新用的可能。研究團隊首先使用已知的帕金森氏症治療藥物做測試，確認前述的實驗模型能夠作為藥物篩選平台（圖五A），發現用於運動功能障礙的帕金森氏症處方藥能夠顯著減少線蟲異常的捲曲運動，但用於認知功能障礙的處方藥幾乎對異常的捲曲行為沒有任何效果（圖五B），顯示成功建立藥物篩選平台。

接著正式測試 metformin 的治療效果。發現 metformin 的治療能在第八天時顯著的改善線蟲的異常捲曲運動（圖五C）。 重要的是，metformin 的治療能增加bcat-1 RNA干擾所致的帕金森氏症線蟲中健康多巴胺神經元（呈現正常型態的細胞本體與神經突）的數量（圖五D）。bcat-1 受抑制的線蟲中，神經細胞增加的氧氣消耗速率（圖五E）和 TMRE 染劑累積（圖五F）也都在 metformin 治療下恢復正常值，證明了meformin 能夠校正帕金森氏症線蟲中異常的粒線體呼吸。

總結實驗結果，此篇研究為先前的 BCAT-1 表現量降低的觀察提出了解釋（圖六），BCAT-1 表現量的降低造成粒線體呼吸的過度活化。這樣的發現與主流認知帕金森氏症會造成粒線體的功能低落[10] 有所不同，一個可能性是過度活化的粒線體呼吸是發生在粒線體功能喪失前。粒線體呼吸的過度活化造成氧化傷害（oxidative damage），進而導致神經退化（neurodegeneration）。針對這樣的疾病機轉，該研究團隊也成功驗證了糖尿病用藥metformin有用於帕金森氏症治療的可能。

註1：帕金森氏症的性狀上表現有大腦黑質的多巴胺神經元（dopaminergic neurons）的喪失與突出蛋白 (α-synuclein)堆積

註2：支鏈胺基酸指稱的是白胺酸（leucine）、異白胺酸（isoleucine）和纈胺酸（valine）三者

註3：穀胺酸為支鏈胺基酸代謝的下游產物

註4：TMRE 染色僅會在積極進行呼吸的粒線體中累積

註5：Metformin已知有粒線體複合體I（Complex I）抑制劑的功能 [9]

Main Article: Mor, D. E., Sohrabi, S., Kaletsky, R., Keyes, W., Tartici, A., Kalia, V., Miller, G. W., & Murphy, C. T. (2020). Metformin rescues Parkinson’s disease phenotypes caused by hyperactive mitochondria. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 117(42), 26438–26447. https://doi.org/10.1073/pnas.2009838117.

參考文獻：

[1] Van Den Eeden, S. K., Tanner, C. M., Bernstein, A. L., Fross, R. D., Leimpeter, A., Bloch, D. A., & Nelson, L. M. (2003). Incidence of Parkinson’s disease: variation by age, gender, and race/ethnicity. American journal of epidemiology, 157(11), 1015-1022. https://doi.org/10.1093/aje/kwg068

[2] De Lau, L. M., & Breteler, M. M. (2006). Epidemiology of Parkinson’s disease. The Lancet Neurology, 5(6), 525-535. https://doi.org/10.1016/S1474-4422(06)70471-9

[3] Yao, V., Kaletsky, R., Keyes, W., Mor, D. E., Wong, A. K., Sohrabi, S., … & Troyanskaya, O. G. (2018). An integrative tissue-network approach to identify and test human disease genes. Nature biotechnology, 36(11), 1091-1099. https://doi.org/10.1038/nbt.4246

[4] Valerio, A., D’Antona, G., & Nisoli, E. (2011). Branched-chain amino acids, mitochondrial biogenesis, and healthspan: an evolutionary perspective. Aging (Albany NY), 3(5), 464. https://doi.org/10.18632/aging.100322

[5] Rual, J. F., Ceron, J., Koreth, J., Hao, T., Nicot, A. S., Hirozane-Kishikawa, T., … & Vidal, M. (2004). Toward improving Caenorhabditis elegans phenome mapping with an ORFeome-based RNAi library. Genome research, 14(10b), 2162-2168.

https://doi.org/10.1101/gr.2505604

[6] Kaletsky, R., Lakhina, V., Arey, R., Williams, A., Landis, J., Ashraf, J., & Murphy, C. T. (2016). The C. elegans adult neuronal IIS/FOXO transcriptome reveals adult phenotype regulators. Nature, 529(7584), 92-96. https://doi.org/10.1038/nature16483

[7] Go, Y. M., Walker, D. I., Liang, Y., Uppal, K., Soltow, Q. A., Tran, V., … & Jones, D. P. (2015). Reference standardization for mass spectrometry and high-resolution metabolomics applications to exposome research. Toxicological sciences, 148(2), 531-543. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfv198

[8] Sohrabi, S., Mor, D. E., Kaletsky, R., Keyes, W., & Murphy, C. T. (2021). High-throughput behavioral screen in C. elegans reveals Parkinson’s disease drug candidates. Communications Biology, 4(1), 203. https://doi.org/10.1038/s42003-021-01731-z

[9] Vial, G., Detaille, D., & Guigas, B. (2019). Role of mitochondria in the mechanism (s) of action of metformin. Frontiers in endocrinology, 10, 294. https://doi.org/10.3389/fendo.2019.00294

[10] Winklhofer, K. F., & Haass, C. (2010). Mitochondrial dysfunction in Parkinson’s disease. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Molecular Basis of Disease, 1802(1), 29-44. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2009.08.013

關鍵字：帕金森氏症、老藥新用、粒線體、氧化呼吸
撰文｜蕭毅
審稿｜劉姿婷