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阿尔茨海默病的谜团

Jerry Jerry 来源:医药魔方
06/21
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笔者在上一篇文章 阿尔茨海默病的新药研发困局 中写过阿尔茨海默病的历史,三种主流的假说,以及主流药物的研发历程。本文将重点介绍最近几年内阿尔茨海默病领域的理论和新药研发进展以及未来的发展方向。

哥伦比亚作家马尔克斯在《百年孤独》中写过这样几段话:

何塞·阿尔卡蒂奥·布恩迪亚意识到失眠症已经侵入镇子,于是便召集起各家家长,把自己所知的失忆症情形讲给他们听。众人决定采取措施防止灾难扩展到大泽区的其他村镇。他们把用金刚鹦鹉跟阿拉伯人换来的小铃铛从山羊脖子上摘下,放在镇子入口供那些不顾岗哨劝告,坚持进镇的来客使用。 

当父亲不安地告诉他自己童年最深刻的记忆都已消失时,奥雷里亚诺向他传授了这一方法。何塞·阿尔卡蒂奥·布恩迪亚先在家中实行,而后推广到全镇。他用小刷子蘸上墨水给每样东西注明名称:桌子,椅子,钟,门,墙,床,平锅。他又到畜栏为动物和植物标上名称:奶牛,山羊,猪,母鸡,木薯,海芋,香蕉。随着对失忆各种可能症状的研究不断深人,他意识到终会有那么一天,人们即使能通过标签认出每样事物,仍会记不起它的功用。于是他又逐一详加解释。就这样,人们继续在捉摸不定的现实中生活,只是一旦标签文字的意义也被遗忘,这般靠词语暂时维系的现实终将一去不返。

马尔克斯在《百年孤独》中虚构了布恩迪亚家族的故事。在这个故事中马孔多居民的曾饱受失眠症的困扰。而这种失眠症的症状与阿尔茨海默病的病症存在很多的重合。

我们不清楚这段虚构的故事是否是来源于马尔克斯的生活经历,但马尔克斯的故乡哥伦比亚确实是家族性阿尔茨海默病肆虐最严重的地方。

从十五世纪到十七世纪,当欧洲人跨越大西洋来到美洲新大陆,与他们一同到达这个新世界的还有一些致命的疾病,比如天花,麻疹,以及黄热病。但也许这些西班牙征服者 (Spanish Conquistador) 从未曾料想到,与他们一同到达哥伦比亚的,还有阿尔茨海默病。

哥伦比亚北部的安蒂奥基亚省有着全世界最大的家族性阿尔茨海默症病人群体。2013年的一项研究显示,导致这些人产生家族性阿尔茨海默病的PSEN1 E280A 基因突变,正是来源于370多年前的一位西班牙征服者 [1]。

到了21世纪,这位征服者依然有着5000名后代。而这其中大约有1500人携带这种突变。由于携带这种基因突变,这些人最终都难逃身患阿尔茨海默病的厄运。

阿尔茨海默病一般只发生于65岁以上的老年人群体中,而该家族患者发病的平均年龄只有45岁。而且从出现症状到患者死亡通常也只有8年的时间。 

阿尔茨海默病领域的药物研发一直是临床试验失败的重灾区。几十年的时间里,有无数的药物进入临床试验。但截至目前我们依然没有找到任何一款能够阻止疾病进展的药物。

然而在这几十年的时间里,我们对于疾病的认识一直在不断的深入。或许,基于这个安蒂奥基亚病人群体的研究能为阿尔茨海默病药物的研发提供新的希望。 

淀粉蛋白假说的谜团

过去几十年间,有数百个在研的阿尔茨海默病治疗药物进入临床前或者临床研究,而其中的很大一部分药物是基于淀粉蛋白级联假说进行设计的。

淀粉蛋白假说起始于阿尔茨海默病患者死亡之后的脑部尸检分析。阿尔茨海默病一个很重要的特征是病人脑部斑块的形成。很早之前科研人员就在斑块中发现了beta淀粉蛋白,而之后学者基于淀粉蛋白提出的淀粉蛋白级联假说,该假说对该领域的药物研发一直都有着极其重要的影响。

淀粉蛋白级联假说认为脑内beta淀粉蛋白的蓄积是疾病病理过程的关键步骤。病人脑内出现的过量beta淀粉蛋白最终会出现聚集,并形成慢性炎症以及氧化应激等细胞效应。

通常在淀粉蛋白出现脑内蓄积的一二十年之后,Tau蛋白功能会开始出现问题,使Tau蛋白无法正常地去稳定神经元的细胞骨架,最终Tau蛋白会聚集并形成缠结。而此时神经元便开始死亡,并且出现痴呆症的症状。

淀粉蛋白级联假说有着众多的证据作为支撑,而且随着淀粉蛋白研究的增多,淀粉蛋白级联假说的理论就看似越完整。关于淀粉蛋白假说可参考这几篇论文 [2-4]。因此靶向淀粉蛋白来开发药物也是一件很合情理的事情。

靶向淀粉蛋白的药物开发策略非常多,但主流的方式主要有两种。其中的一种策略是通过阻断脑内的一种酶BACE来减少beta淀粉蛋白的生成。

除了开发BACE抑制剂,另一种关注度非常高的策略是开发靶向淀粉蛋白的单克隆抗体,从而抑制脑内斑块的形成,这两类药物的研发历程在本文开篇提到的文章中已经介绍过:早期的临床试验显示部分药物的确能够产生一定的疗效,但是到了III期临床试验却几乎全都失败(见:阿尔茨海默病的新药研发困局)。

今年2月,默沙东中止了其BACE1抑制剂Verubecestat (MK-8931)的三期临床。几周前礼来/阿斯利康宣布终止其BACE抑制剂lanabecestat的研发。而在今年一月,辉瑞在经历了bapineuzumab等失败之后决定完全退出阿尔茨海默病的研究领域。

其实不仅是临床研究,淀粉蛋白领域药物的药效学评价也存在着很多的困难。

一般认为可溶性的beta淀粉蛋白低聚物是毒性最大的一种形式,但问题在于低聚物的种类非常多,比如这些低聚物可以是二聚体,三聚体,六聚体,十二聚体,而仅六聚体就已经有五种形式。

不仅如此,这些低聚的beta淀粉蛋白纯化也存在重重问题,因为这些低聚物的聚合过程具有高度的浓度依赖性,如果试图去分离其中的一种低聚物,那么这些聚合物会形成新的平衡态,产生新的聚合物形式。

除了聚合过程,淀粉蛋白本身也会存在差异,比如不同长度,有着不同化学修饰的淀粉蛋白都能够产生相互作用,相互结合。而这些结构的差异也同样会影响聚合过程以及聚合物的毒性。

因此科研人员在进行药物研究的时候经常会避开分子水平的实验,只在细胞以及动物水平对药效进行评价。但无论是细胞水平还是动物水平实验,这些研究也同样会存在非常多的缺陷。

比如直到最近几年,实验种常用的细胞仍然是肿瘤细胞株,利用外源性的beta淀粉蛋白来使胞内的淀粉蛋白浓度提高,使其产生病理性变化。但是通过这种方式来模拟人脑内的能够持续几十年时间的病理变化显然是很不现实的。动物模型也会存在类似的问题。

因此即使在进入临床研究之前,我们对于这些药物很难有比较大的信心。但以上这些问题只是增加了药物开发的难度,药物是否能够产生预期的疗效还需要通过临床试验进行检验。

现在很清楚的是,至少目前来看现在仍然没有任何一款药物能够明确地减缓病人病情进展。到底是什么原因导致了这些药物临床试验的失败?

我相信没有人能够给出确切的答案。但现在确实存在一些理论试图对此进行解释,而且目前也已经有一些临床试验正在对这些理论进行验证。

假说不成立?

对于基于淀粉蛋白假说的临床试验的失败,很多人给出的解释是淀粉蛋白级联假说是不成立的,是错误的,似乎目前的所有的大型临床试验失败都指向了这一点。

但无论淀粉蛋白假说是否成立,至少在很早之前大家就已经认识到淀粉蛋白级联假说中的“级联”二字是非常不准确的。因为很明显这并不是一个线性的级联反应。在这个过程种会存在很多的负反馈调节。而且炎症以及氧化应激的形成并不完全是由于淀粉蛋白的聚集导致的。

淀粉蛋白假说大概是制药领域中的最大谜团之一,至于淀粉蛋白假说是否真的无法成立,我觉得现在还不到下结论的时候。

更好的药物?

之所以在很多药物III期临床试验失败之后,依然有很多人支持淀粉蛋白假说,是因为他们觉得目前处于研发后期的这些药物性质存在很大差异,这些药物能够作用于不同形式的淀粉蛋白,因此其中一些药物的失败不等于其他药物也同样会失败。

比如很多人认为solanezumab能够靶向脑内胞外的可溶性beta淀粉蛋白单体,该抗体的目的并不是清除已经聚集形成的淀粉蛋白斑块。因此很多人认为solanezumab的失败并不会影响那些作用于低聚物或者斑块的抗体药物的成功。

至于靶向斑块的药物banpineuzumab以及gantenerumab,很多人认为这两种药物的失败只是由于剂量问题。

而Biogen也确实对该公司的aducanumab给予厚望,从公开的早期临床数据来看,该药物也确实表现出了一定的潜力 [5]。但能否在III期临床试验中成功,现在还是未知数 (Clinical trial: NCT02484547, NCT02477800)。

也在此提醒一句,verubecestat也曾在2016年发表过强有力的早期数据,该数据显示该药物能够有效降低人和灵长类动物血浆,脑内以及CSF中的β40, Aβ42, and sAPPβ浓度 [6],但最终该药物也没能够产生预期的疗效。

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早期干预?

除了以上这些理论,可能目前关于这些药物临床失败最流行的理论还是认为,病人在出现在症状之后已经无法使用这些药物进行干预。淀粉蛋白聚集在患者出现症状的15年前就已经开始出现,而在症状出现之后这些损伤已经难以修复。

为了能够对疾病进行更早期的干预,科研人员必须设法找到那些尚未出现症状,但是在十年或者更长时间之后会发病的群体。

很显然类似安蒂奥基亚病人群体这样的家族性阿尔茨海默病群体是进行这一类型研究的非常好的选择。

而且科研人员能够很好地预测这些人疾病开始的年龄。因为这些携带遗传缺陷基因的人最终都会出现疾病,而疾病出现的年龄与他们亲代出现症状的年龄比较接近。

与之相关的DIAN trial会测试两款实验性的单抗,罗氏的gantenerumab以及礼来的solanezumab在FAD群体中的有效性。虽然这两款药物之前均曾在大型的III期临床试验中失败,但或许针对这一病人群体,这些药物真的可以产生疗效。

如果这项临床试验能够成功的话,对于受FAD困扰的群体来说会是一件好事。但是即很使成功,由于家族性阿尔茨海默病患者群体所占的比例非常小,对于另外百分之九十多的患者群体是否有效也是未知数。

所以现在也有一些不愿意等待DIAN临床试验结果的研究人员,他们希望采另一种方式对这一理论进行验证。

但在这之前,他们必须找到一种检测方法来鉴别那些尚未出现认知功能问题,但在未来数年或者十数年内将会出现临床症状的群体。

对于普通人来说,判断一名死于阿尔茨海默病的病人大脑与常人大脑的差异也不是一件难事。这些患者的大脑出现萎缩,并且散布着beta蛋白产生的斑块以及Tau蛋白形成的缠结。

但从药物研发的角度来讲,尸检显然不是一个好的疾病诊断方法,虽然这种方法很长一段时间里一直是疾病诊断的金标准。

在病人仍然存活的时候,医生只能够通过记忆力等方面的测试来对患者的病情进行评估,但正如上文说到的那样,在患者出现病情的时候,大概已经错失了疾病干预的最佳时机。

本世纪初,匹兹堡大学的科研人员将淀粉蛋白组织染料 thioflavin T结构中插入C-11,得到了Pittsburgh Compound B (PiB)。该化合物能够用于PET脑部扫描,可以很有效的筛选病人。但是该化合物的半衰期很短,因此在这之后又出现了一些基于F-18的化合物,这些化合物的半衰期更长。

这种技术技术的应用对于临床试验中入组患者的筛选有很大的帮助。在65岁以上的人群中,如果没有出现认知功能问题但脑内开始出现淀粉蛋白聚集,那么就会被认为是这一疾病的高危人群。

2015年开始的EARLY trail正在测试Janssen的BACE1抑制剂 Atabecestat 用于这一群体的有效性 (NCT02569398)。A4临床试验开始于2014年,评价的是礼来的solanezumab。

考虑到从出现淀粉蛋白聚集到出现认知功能症状需要十年甚至更长的时间,这些临床试验的周期也会很长。EARLY试验预计将会在2024年结束。

这些早期干预的临床试验中使用的药物,很多都已经被证实能够降低淀粉蛋白水平。如果这些临床试验失败的话也将意味着淀粉蛋白假说的终结。

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Tau蛋白的复兴

从beta淀粉蛋白发现至今的几十年内,淀粉蛋白假说一直是AD领域新药研发的热点,但是随着很多靶向淀粉蛋白药物的失败,最近几年内靶向Tau蛋白的药物也开始吸引越来越多的关注。

Tau蛋白的病理过程也很复杂,涉及多个过程。患者在症状出现之前就能够在脑内看到病理性的Tau蛋白的出现,而神经纤维缠结是在疾病的后期出现。 

在缠结形成之前,Tau蛋白就会出现转录后修饰的异常,比如磷酸化,乙酰化异常,或者Tau蛋白长度出现变化,从而与正常的Tau蛋白形成明显差异。这些过程都有可能成为药物干预的靶点。 

靶向Tau蛋白的疗法最初主要集中在激酶抑制剂,Tau蛋白聚合抑制剂,以及微管稳定剂上。靶向Tau蛋白的大部分药物的研发因为无效或者毒性的问题而被停止。

但该领域目前处于临床阶段的大部分药物属于免疫疗法。相比淀粉蛋白而言,Tau蛋白与认知功能的损伤相关性更强,因此在症状出现之后,靶向Tau蛋白的疗法相比靶向beta淀粉蛋白的药物可能会产生更好的疗效,至少从理论上来讲是这样。

我们还需要等待很长的时间才能够知道这些药物是否真的有效。目前来看确实很难评估该领域大部分药物的前景如何,但我依然觉得从淀粉蛋白疗法转向靶向Tau蛋白的疗法并不是一种进步,而是一种多次失败之后的无奈之举。

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靶向Tau蛋白药物的临床研究现状 [7]

靶向小胶质细胞

靶向淀粉蛋白药物接连受挫的影响不仅使一些制药公司将研究方向转向Tau蛋白研究领域,其实我们也可以明显感受到最近几年小胶质细胞的相关研究在逐渐增多。

虽然小胶质细胞已经成为阿尔茨海默病的热门研究领域,但目前我们对小胶质细胞的理解还非常粗浅,这也极大提高了该领域药物研发的风险。

小胶质细胞似乎处于炎症以及神经退行的中心地位。这类细胞可以对神经元及其突触提供保护作用,另外也可以像其他吞噬细胞一样产生吞噬作用。当小胶质细胞遇到如beta淀粉蛋白或者细胞残骸等异常的细胞/分子之后,能够被活化并将其清除。

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关于神经炎症与阿尔茨海默病的相关性研究其实很早就有,见上一篇文章。当时发现很多非甾体抗炎药能够对抗阿尔茨海默病,产生保护作用。但本世纪初关于COX抑制剂的临床研究却没有取得成功。RAGE抑制剂也属于抗炎领域的一种新药研发思路。但今年4月vTv Therapeutics宣布其RAGE抑制剂azeliragon的 III期临床试验也同样遭遇失败。

但这些临床试验失败显然没有使人们丧失对炎症相关研究的热情。2013年《新英格兰医学杂志》的两项重要研究发现某些TREM2基因变异能够显著提高阿尔茨海默病的患病风险 [8-9]。

脑内的TREM2主要表达于小胶质细胞表面,因此这些研究也促使人们开始研究如何高效地靶向小胶质细胞,调节其功能。但脑内的炎症并不总是有害的,炎症反应同样也可以产生保护性作用。相比COX抑制剂,TNF抑制剂,或者作用于IL-6,IL-2通路的药物,靶向小胶质细胞的疗法可能会产生一些不同的效果。

虽然目前我们对于小胶质细胞的功能了解的并不十分清楚,但至少目前已经有很多证据表明小胶质细胞在疾病的病理过程中即能产生有益的作用,也能够产生有害的作用。

在疾病的早期,小胶质细胞能够监测并清除死亡细胞,毒性淀粉蛋白斑块以及Tau缠结。但是随着疾病的进展,持续处于活化状态的小胶质细胞的清除能力可能会变得越来越低效,反而会释放有害的细胞因子对周围的神经元细胞产生损伤。

如果是这样的话,新药研发人员必须将有害的小胶质细胞转化为有利的小胶质细胞。毫无疑问这不会是一件容易的事情,而Denali的RIPK1抑制剂是首个验证这种策略的药物。RIPK1处于经典TNFR1炎症通路的下游,Denali认为如果抑制RIPK1,则能够抑制炎症,使小胶质细胞回归正常的状态。

靶向TREM2的药物同样能够调节小胶质细胞的功能。但相比靶向RIPK1的药物,靶向TREM2的药物能够对小胶质细胞产生不同的作用,因为RIPK1主要是调节炎症作用,而TREM2能够介导小胶质细胞吞噬脑内死亡细胞以及beta淀粉蛋白的能力。

但是问题在于,我们是该提高这一功能还是降低TREM2的功能呢?至少在动物模型的研究中,不同研究对于TREM2功能的解释并不相同,甚至得出相反的结论。一些研究发现敲除小鼠的TREM2能够产生保护作用,而另一些研究却发现敲除TREM2能够产生有害作用。 

去年PNAS上发表的一项研究显示TREM2在疾病的早期能够提供保护作用,但是在出现Tau病理变化之后却能够促进疾病的进展 [10]。也就是说TREM2的功能具有阶段性,在不同的病理状态下产生不同的作用。

所以读到这也可以明显的看出小胶质细胞领域的药物研发并不比其他领域难度更小。阿尔茨海默病是一种很复杂的疾病,以目前对于该疾病的理解程度以及现在的新药研发水平来看,想要在出现严重认知功能损伤之后逆转病情几乎是不可能完成的事情。

也许aducanumab的临床试验能够取得成功,也许预防性试验能够达到预期的目标,如果这些药物能够成功上市,对于病人及家属来说也是一种安慰。

Life is hard.

参考文献:

1.Alzheimer’s & Dementia. 2014: 10, S277.

2. Nature Neuroscience. 2015:18, 800.

3. Nature Reviews Drug Discovery. 2011:10, 698. 

4. EMBO Molecular Medicine. 2016:8(6), 595.

5. Nature. 2016:537, 50.

6. Science Translational Medicine. 2016: 8(363):363ra150.

7. Advanced online: 10.1038/s41582-018-0013-z.

8. New England Journal of Medicine. 2013:368, 107.

9. New England Journal of Medicine. 2013:368, 117.

10. PNAS. 2017:114(43), 11524.

11. Nature Reviews Drug Discovery. 2017:16, 3. 

12. Nature Reviews Drug Discovery. 2018:17, 303. 

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