靶向治療罕見病的新希望-離子通道TRPML1

罕見病,顧名思義,是指那些發病率極低的疾病,又被稱為“孤兒病”。

                                      靶向治療罕見病的新希望-離子通道TRPML1

導讀

罕見病,顧名思義,是指那些發病率極低的疾病,又被稱為“孤兒病”。根據世界衛生組織(WHO)的定義,罕見病為患病人數佔總人口的0.65‰~1‰的疾病。現已確認的罕見病有7000余種,約佔人類疾病的10%。約80%的罕見病是由遺傳缺陷引起的,約有50%的罕見病在出生時或者兒童期即可發病。罕見病常進展迅速,死亡率高,僅有約1%的罕見病有治療藥物。

這些年我們也認識了很多美麗的名字,如:月亮的孩子(白化病)、黏寶寶(黏多糖貯積症)、不食人間煙火的孩子(苯丙酮尿症)、睡美人(克萊恩-萊文綜合症) 等等,這些都是屬於罕見病的範疇。事實上,我國罕見病患者約有2000萬人,每年新增患者超過20萬人。千萬級的數字,這也從側面反應出了罕見病並不罕見!

而其中“溶酶體貯積症”就是是70多種罕見病的集合體。每一種溶酶體貯積症的臨床表現都很複雜,大多缺乏特異性,診斷相對困難。病人的求醫之路也常常漫長且曲折。那麼我們對這種病真的束手無策嗎?那倒也未必,近日靶向治療溶酶體貯積症的迎來了新希望!

                                                           什麼是溶酶體貯積症LSDs

                                                       (Lysosomal storage diseases)

人體在新陳代謝的過程中會産生不少的“垃圾”,這些在體內不斷堆積的“垃圾”需要被降解或者消化成以便人體再度利用或排出體外的小分子,這個過程需要用到溶酶體。溶酶體是細胞自身和胞外的“垃圾回收和處理器”, 它們介導由內吞作用引起的細胞外大分子顆粒的降解和由細胞自噬引起的胞內成分的降解。它們是人體內酸性最強的細胞器,含有60多種水解酶,這些酶就是完成“垃圾分類再處理的工人”。詳細的溶酶體工作原理如圖1。如果溶酶體中負責處理“垃圾”分類降解工作的60多個水解酶“工人”的某一個或者幾個罷工了,那它所負責的“垃圾”就因為不能及時處理而堆積,從而造成LSDs。從這些介紹我們可以看到,溶酶體貯積症不是一種單一的疾病,而是包括近60多種酶缺陷組成的一組疾病。值得注意的是,溶酶體在完成“垃圾回收和再處理”過程時要經過細胞異體吞噬和自噬,在這個胞吞和胞吐的過程中,溶酶體還隱含通過胞吐修復受損細胞膜的功能。

                                                        圖1 溶酶體貯積症(圖片來源於網路,侵刪)

細胞中所有的細胞器都不能脫離系統單獨工作,溶酶體充當細胞“垃圾回收和處理器”的運輸過程和通過胞吐修復細胞膜的功能都依賴於其鈣離子通道暫態受體電位粘磷脂1(TRPML1,Transient receptor potential mucolipin 1)。

TRPML1 Ca2+通道

TRPML1是通道粘磷脂亞家族的成員,像其他TRP通道一樣,TRPML1 具有六個跨膜螺旋 (S1~S6),以及一個由 S5、S6 和 2 個孔螺旋 (PH1和PH2) 組成的孔區域。它是一種釋放 Ca2+的陽離子通道,可以介導溶酶體的鈣信號傳導和穩態,也是轉運和自噬相關事件的重要調節因子。如圖2所示,TRPML1調控  Ca2+的釋放是溶酶體胞吐作用所必需的,TPC通道調節溶酶體pH和膜電位,兩者相互作用,參與溶酶體 Ca2+運輸。TRPML1將 Ca2+從溶酶體腔轉移到細胞質,在許多內溶酶體依賴的細胞過程(如膽固醇積累、脂質轉運、胞外轉運和自噬)中是必不可少的。TRPML1的突變能夠導致溶酶體貯積病黏液脂病 IV (MLIV) 的發生,會造成認知、語言和運動缺陷和視網膜變性等各種症狀的發生,因此TRPML1作為治療溶酶體貯積症的靶點,在臨床上表現出巨大的潛能。

                        圖2 TRPML1和TPC通道相互作用,參與溶酶體運輸2+(圖片來源於網路,侵刪)

TRPML1靶點對標治療溶酶體貯積症

TRPML1靶向治療神經退行性疾病(Neurodegenerative disease)

由於神經元對溶酶體貯積更為敏感,而且神經元是終末分化的細胞,一旦死亡後無法得到有效的補充,因此大部分溶酶體貯積症都出現神經系統退行性病變的症狀,這一現象也將溶酶體與神經退行性疾ND(Neurodegenerative disease)病緊密聯繫起來。如圖3所示,ND是大腦和脊髓的細胞神經元喪失的疾病狀態。大腦和脊髓的細胞一般是不會再生的,所以過度的損害可能是毀滅性的,不可逆轉的。其可以分為急性神經退行性病和慢性神經退行性病,前者主要有中風、腦損傷;後者主要有亨廷頓病(HD)、帕金森病(PD)、阿爾茲海默病(AD)等我國有關AD的病學研究尚不完善,一般65歲以上人群中癡呆病患率約為4%,年發病率為0.6~1.2%,PD的患病率也是主要發生在中年以上人群,65歲以上人群的患病率為2%,僅次於AD。由於腦功能的複雜性,這些疾病的治療一直是個難題。

                                                        圖3神經退行性疾病(圖片來源於網路,侵刪)

線粒體是細胞的“動力室”和內源性ROS(活性氧)的主要來源。溶酶體的運輸過程是由線粒體作為動力來源進行調控的。線粒體受損會導致ROS水準升高和氧化應激,這是大多數溶酶體貯積病、30種常見的神經退行性疾病和衰老的共同特徵。越來越多證據表明,溶酶體膜可能是ROS信號的可接近和直接靶點。從生理學和病理學層面上鑒定TRPMLl在介導ROS誘導的自噬中的作用機制,表明TRPMLl激動劑激活TRPMLl功能可能能夠清除過量的ROS,從而改善ROS相關的神經退行性疾病。另一方面,TRPMLl在嚙齒動物阿爾茨海默病模型中的過表達減少了神經元凋亡,挽救了記憶障礙。2019年11月默克公司以總計5.76億美元的潛在總價收購了Calporta,主要原因是Calporta開發了TRPML1選擇性小分子激動劑ML-SA1(如圖4),該激動劑適用於溶酶體貯積病和神經退行性疾病,如阿爾茨海默病和帕金森病。研究人員使用電鏡技術解析了TRPML1和 TRPML1-ML-SA1的結構,從分子水準上證明了ML-SA1激活 TRPML1 的機制:ML-SA1可結合到由鄰近的PH1、S5、S6中的芳香族和疏水性殘基形成的疏水空腔中;由於PH1和PH2的緊密堆積,配體ML-SA1的結合併不會導致TRPML1的選擇性過濾器的膨脹顯著增加,但能夠使其下門有顯著的膨脹,因此激活TRPML1通道。這一舉動恰好印證了以TRPMLl靶點作為治療神經退行性疾病是具有潛在的價值的。

                                                          圖4 默克公司收購的小分子藥物ML-SA1

TRPML1靶向治療視網膜脫離RD (Retinal detachment)

RD(如圖5)是一種眼部急症,由於神經感覺視網膜和底層視網膜色素上皮的分離而導致視力障礙。雖然術後RD的視網膜恢復率接近100%,但由於光感受器細胞死亡,視力恢復較差。中國科技大學眼科中心的董凱團隊最近研究利用RD相似的病理生理狀態的短暫性全腦缺血(TGCI)模型進行實驗,用TRPML1小分子激動劑激活TRPML1可以通過溶酶體自噬誘導減弱神經元死亡。最近眼科領域的研究發現,在實驗性RD大鼠模型中,光感受器是ROS産生的主要來源,過量的ROS導致光感受器細胞死亡。因為神經-視網膜變性也與腦部神經性疾病有關,所以上文提到的TRPML1對神經退行性疾病的作用機制同樣可以作用於RD,表現為可以通過去除RD中多餘的ROS來降低光感受器細胞的氧化應激,從而降低光感受器細胞死率。

                                                             圖5 視網膜脫離(圖片來源於網路,侵刪)

視網膜色素上皮細胞(RPE)的溶酶體特別容易受到溶酶體脂質廢物的積累影響,因為它們必須降解每天被鄰近光感受器吞噬的外節段,不完全降解導致溶酶體中脂質廢物的積累造成抑制TRPML1通道和溶酶體Ca2+的釋放來阻斷溶酶體的運輸。用小分子藥物激活RPE細胞中溶酶體TRPML1通道釋放Ca2+是否有助於解決RPE細胞中溶酶體脂質的積累仍有待確定。

TRPML1靶向治療尼曼匹克症C型NPC(Niemann–Pick disease cells)

NPC是一種單基因隱性遺傳病,由於患者NPC1或NPC2基因變異造成,最早出現的臨床特徵往往是神經系統的病變,如運動障礙,語言障礙,智力障礙等。其中最典型的面部特徵是眼球垂直運動的障礙,患兒往往也會出現一種難以形容的特徵性的面容。後期患兒可能會出現的症狀包括肝脾腫大,呼吸系統障礙,共濟失調,聽力障礙等。研究表明鞘磷脂(SMs)在正常細胞的溶酶體中由鞘磷脂酶(SMase)介導的水解,但在NPC細胞中明顯積累。膜片鉗實驗分析顯示,TRPML1通道活性被SMs抑制,但被SMases增強。腔內脂質的異常積累通過阻斷TRPML1和Ca2+依賴的溶酶體運輸,會導致二次溶酶體貯積症。密歇根大學徐浩新團隊在NPC型細胞中,用小分子藥物增加TRPML1的表達或活性糾正溶酶體運輸缺陷,減少NPC型細胞中溶酶體的儲存和膽固醇的積累。

TRPML1靶向治療杜氏肌營養不良(Duchenne muscular dystrophy)

杜氏肌營養不良(如圖6)是一種X染色體隱性遺傳疾病,又名為假性肥大型肌肉萎縮症,主要發生於男孩。據統計,全球每3600個新生兒男寶寶中就有一人罹患此病。杜氏肌營養不良症是由負責産生肌營養不良蛋白的蛋白質的基因突變引起。沒有肌營養不良蛋白的正常供給會造成肌肉細胞膜受損並抑制肌膜修復,細胞膜受損會使鈣離子滲入細胞,引發級聯反應,從而造成肌纖維死亡和肌肉萎縮。迄今為止尚未找到該病有效的治療方法。

                                                      圖6 杜氏肌營養不良(圖片來源於網路,侵刪)

密歇根大學徐浩新團隊在Science Advances報道了一種可以激活溶酶體TRPML1通道的小分子藥物,肌營養不良的老鼠通過該藥物上調了TRPML1通道的功能後,其由於肌營養不良所導致的肌肉組織纖維壞死、肌張力、運動能力、骨骼肌和心肌功能等均得到改善。該研究表明肌肉中TRPML1的上調激活的TRPML1所依賴的轉錄因子EB(TFEB),從而糾正溶酶體功能不足的問題,促進溶酶體胞吐和肌膜修復,達到改善肌營養不良的目的。

總結

本文綜述了報道的是 TRPML1 突變引起的溶酶體貯積病,導致認知,運動缺陷以及視網膜變性等疾病。雖然目前還沒有關於TRPML1靶點治療溶酶體貯積症的藥物在臨床上取得很好的成績,但是根據其目前在各方面的研究進展來看,其作為靶向治療溶酶體貯積症的新靶點具有巨大的潛能。

 

                                                                              

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