利用藥物構效關係（SAR & SKAR）策略打擊阿茲海默症

阿茲海默症（Alzheimer’s disease，AD）是蛋白質錯誤摺疊所導致的疾病之一，而澱粉樣蛋白-β（Amyloid-β，Aβ）在腦內的堆積被認為是造成阿茲海默症的初期關鍵 [1]，將近二十年來，許多藥物研發都以預防或降低 Aβ 的自我組裝（self-assembly）為目標，因此，需要建立更有效率的策略去找出適合的化合物作為藥物去抑制 Aβ  寡聚物（oligomer）的形成。

2018年，來自英國牛津大學的研究團隊於《PNAS》發表了以構效關係（structure-activity relationship，SAR）為基礎的 SKAR（structure-kinetic-activity relation）方法，以找出能減緩 Aβ 寡聚物形成的藥物 [2]。SAR 為藥物的化學結構性質和其效用的關係，而 SKAR 進一步針對蛋白質錯誤摺疊疾病，連結藥物化學結構與寡聚物及整體蛋白纖維（fibril）形成的關聯性。此研究以 Aβ 的同功異型體（isoform）－ Aβ42 為目標，Aβ42 在自然中更易於聚集（aggregation-prone）且具有毒性，因此，找出 Aβ42 聚集過程中參與動能決定步驟（kinetically dominant steps）的蛋白質，就能以其作為未來候選藥物的治療標靶。

SKAR 的應用策略：首先，將候選藥物分子能夠抑制目標蛋白質寡聚物的能力和其化學結構建立關係；再者，由於修飾候選藥物分子的架構（scaffold）可以得到更多化學特性相似的衍生物，依此找出最有效的化學結構，作為抑制蛋白纖維形成的抑制劑（圖一 A）。

為了進一步得到定量的數據，以給予一藥物分子衍生物（後簡稱為小分子）後，形成 50% 寡聚物的時間（t_1/2）為依據，採用三個參數值：
KIC₅₀^M ：一小分子使得 t_1/2 在整個聚合反應增加 50% 的濃度
OIC₅₀^PT ：一小分子造成寡聚物形成巔峰的時間增加 50% 的濃度
OIC₂₅^T ：一小分子造成整體寡聚物下降 25% 的濃度

KIC₅₀^M 主要能反映小分子對整體聚合反應的抑制影響；OIC₅₀^PT 和 OIC₂₅^T 則是分別代表小分子抑制聚合反應中寡聚物的反應通量（reactive flux）和濃度，結合這三個數值，便可以得知小分子的 KIA（kinetic inhibitory attributes）指紋（圖一 C）。

由於 Bexarotene 已知會強烈抑制 Aβ42 聚合的晶核生成（nucleation）[3]，本研究以 Bexarotene 作為先導化合物（lead compound），利用 SKAR 策略找出最適合抑制 Aβ42 寡聚物形成的衍生物。圖中 R1 代表分子的極性部分（polar moiety）；R2 代表鏈結基（linker group）；R3 則代表非極性部分（apolar moiety）。接者，紀錄給予不同衍生物下，Aβ42 寡聚物聚合達到濃度為 2 µM 的反應過程。

初步結果顯示，隨著給予衍生物的濃度增加（2 µM – 10 µM），整體 Aβ42 聚合反應逐漸減緩，經過 SKAR 演算得出的 KIA 指紋，顯示部分衍生物更具有抑制 Aβ42 聚合、減緩寡聚物的生成和降低寡聚物數量的能力。進一步觀察這些特定衍生物的化學結構，發現其中極性和非極性部分的 R1 和 R3 對於先導化合物的活性很重要，能決定這些衍生物是否會和 Aβ42 交互作用進而抑制，因此，本研究據此於 bexarotene 衍生物的化學結構上設計出最有潛力的藥效基團。

為了更進一步利用 SKAR 策略於 AD 的藥物研發，本研究再以能抑制另外一個 AD 病理標誌 － tau 蛋白（tau protein）的 Rhodanine [4] 作為先導化合物， Rhodanine 亦已被廣泛利用於醫療化學。Rhodanine 衍生物由分子極性部分的 R1 和 R3，及鏈結基 R2 組成。由於化學結構只有極性部分，並不同時具有極性和非極性部份，因此 Rhodanine 無法對 Aβ42 有活性。藉由修飾增加非極性部位後，Rhodanine 的衍生物便能夠和 Aβ42 交互作用而抑制後續寡聚物的形成、聚集。

本研究的重要性在於，蛋白質寡聚物結構本質上是不斷快速變化的，SAR 僅能看出藥物的化學結構與其活性之間的關係，而 SKAR 連結了目標蛋白質在聚集過程中的參數因子，以蛋白質錯誤摺疊所導致的疾病為目標，更能夠有效率的找出適合的化合物做相關的藥物研發。    

延伸閱讀：曾宇鳳老師專訪｜臺灣大學計算分子設計與代謝體實驗室

參考文獻：

1. Panza, F., Lozupone, M., Logroscino, G., & Imbimbo, B. P. (2019). A critical appraisal of amyloid-beta-targeting therapies for Alzheimer disease. Nat Rev Neurol, 15(2), 73-88. doi:10.1038/s41582-018-0116-6
2. Chia, S., Habchi, J., Michaels, T. C. T., Cohen, S. I. A., Linse, S., Dobson, C. M., . . . Vendruscolo, M. (2018). SAR by kinetics for drug discovery in protein misfolding diseases. Proc Natl Acad Sci U S A, 115(41), 10245-10250. doi:10.1073/pnas.1807884115
3. Habchi, J., Arosio, P., Perni, M., Costa, A. R., Yagi-Utsumi, M., Joshi, P., . . . Vendruscolo, M. (2016). An anticancer drug suppresses the primary nucleation reaction that initiates the production of the toxic Abeta42 aggregates linked with Alzheimer’s disease. Sci Adv, 2(2), e1501244. doi:10.1126/sciadv.1501244
4. Bulic, B., Pickhardt, M., Schmidt, B., Mandelkow, E. M., Waldmann, H., & Mandelkow, E. (2009). Development of tau aggregation inhibitors for Alzheimer’s disease. Angew Chem Int Ed Engl, 48(10), 1740-1752. doi:10.1002/anie.200802621

撰文｜ 黃子瑄
審稿｜ 黃云宣