Cell | 从结构到临床：一种高靶向性的具有AD治疗潜力的M1受体激动剂
阿尔茨海默症（AD）仍是当前面临的最棘手的医疗问题之一。“AD的胆碱能假说”认为患者所表现出的学习和记忆缺陷是由于从基底前脑核到内嗅皮层和海马的胆碱能神经支配丧失所致，这可以通过抑制胆碱酯酶，升高乙酰胆碱（ACh） 水平而部分恢复【1】，虽然在疾病早期阶段显示出一些疗效，但患者会表现出显著的剂量相关不良反应，因而限制了临床使用【2】。
M1毒蕈碱乙酰胆碱受体高表达于海马和皮层区域，且在临床前动物研究中表现出促认知作用，因而被广泛认为是关键的介导认知功能的受体，从而成为AD的治疗靶标。许多利用天然配体乙酰胆碱结合位点的正构毒蕈碱激动剂已进入临床且显示出诱人的疗效，如M1/M4激动剂呫诺美林、M1激动剂GSK1034702，可分别改善患者的认知、行为障碍以及即时和延时记忆，但都因为患者的胃肠道和心血管系统不良反应而终止【3, 4】。因此，需要设计一种具有高度选择性的M1受体激动剂，避免对介导外周不良反应的受体亚型M2和M3受体发挥作用。然而。所有五种受体亚型的正构结合位点的序列高度相似，这对靶向中枢神经系统M1受体的特异性药物设计来说非常困难。
近日，来自杜克-新加坡国立大学医学院的Malcolm Weir团队和曼彻斯特大学的Andrew B. Tobin团队在Cell杂志上合作发表了一篇题为 From structure to clinic: Design of a M1 muscarinic acetylcholine receptor agonist with the potential for symptomatic treatment of Alzheimer’s disease 的文章，作者使用基于结构的药物设计（structure-based drug design, SBDD）识别选择性M1受体的正构部分激动剂HTL9936，能在AD动物模型中表现出促认知作用，并能激活与人类学习和记忆相关的脑区，且不存在先前研发出的M1受体激动剂相关的剂量限制性副作用，提示HTL9936可能作为治疗AD的潜在候选药物。
为了筛选片段类化合物，该团队基于人M1受体与激动剂77-LH-28-1结合的模型，通过计算机模拟获取一个目标片段化合物库，通过将化合物分子对接到M1模型中，再将筛选出的332种商业化片段分子经过体外功能测试，化合物4被选定进行后续优化（图1）。为了加速SBDD，作者以激动剂结合的构象生成M1受体的高分辨率晶体结构，但关键挑战是化合物能否跳过其他高度同源的受体亚型而对M1受体表现出高度选择性。为此，作者合成了一系列分子来研究结构活性关系，并确定亲脂性仲酰胺的优选性，再经过对不同受体亚型的激动性测试，最终化合物HTL9936进入下一阶段的结构研究和临床前评估。
HTL9936相较于其他两种M1受体激动剂77-LH-28-1和GSK1034702而言，具有更广泛稳定的结合模式，重要的是在人M2、M3、M5受体上未表现出可检测到的激动作用，而在M4受体上仅观察到部分激动剂活性。大鼠海马切片的电生理记录表明，HTL9936增加了CA1锥体细胞的内在兴奋性和自发放电率，成年大鼠的体内电生理也再次证实这一点，而使用毒蕈碱拮抗剂东莨菪碱可逆转这种改变。
接下来，作者还利用小鼠、大鼠、狗和非人灵长类等动物模型进行了一系列体内药理学评估。举例来说，用东莨菪碱处理进行被动回避行为测试的大鼠会引起显著的遗忘效应，但可被HTL9936以剂量依赖性方式逆转，在条件性恐惧实验中也得到一致结果。除了啮齿类动物模型，比格犬会表现出年龄依赖性认知能力下降、Aβ病理学改变和胆碱能机能减退的症状，HTL9936给药后，犬的视觉空间记忆得到显著改善。此外，作者还采用基本的定量脑电图来评估HTL9936对非人类灵长动物静息状态下网络放点的影响，通过皮下给药可以观察到与认知任务相关的delta振荡增加。
既往M1受体激动剂往往由于胆碱能副作用的存在限制了临床应用，那么HTL9936是否存在这个问题呢？在整个针对动物模型进行的一系列中枢神经系统和心血管系统安全性评估中，在犬的4天重复剂量耐受性评估中仅出现一次类似惊厥的发作，但此时血浆的药物暴露量已经显著高于认知改善所需量。此外，也在犬中发现了血压对HTL9936的剂量依赖性关系。总体来看，HTL9936在安全性、药理性和有效性等方面都表现出显著优势。
最后，作者利用HTL9936在健康人类志愿者中进行安全性和药效性研究。作者使用Arena任务评估与学习和记忆相关的海马活动，虽然HTL9936并没有改善健康老年受试者的任务表现，但在空间线索编码期间，通过fMRI可以观察到左侧海马体已产生了显著的药物作用。总的来说，这项研究描述了基于结构的M1受体激动剂HTL9936的设计，该药物提供了理想的促认知活动和外周胆碱能副作用之间的治疗窗口。通过这种方式，不仅为开发治疗AD的有效药物提供了基础，而且还提供了SBDD在GPCR药物开发中的一般思路。
参考文献
1. Bartus, R.T., Dean, R.L., 3rd, Beer, B., and Lippa, A.S. (1982). The cholinergic hypothesis of geriatric memory dysfunction. Science 217, 408–414.
2. Courtney, C., Farrell, D., Gray, R., Hills, R., Lynch, L., Sellwood, E., Edwards, S., Hardyman, W., Raftery, J., Crome, P., et al.; AD2000 Collaborative Group (2004). Long-term donepezil treatment in 565 patients with Alzheimer’s disease (AD2000): randomised double-blind trial. Lancet 363, 2105–2115.
3. Felder, C.C., Goldsmith, P.J., Jackson, K., Sanger, H.E., Evans, D.A., Mogg, A.J., and Broad, L.M. (2018). Current status of muscarinic M1 and M4 receptors as drug targets for neurodegenerative diseases. Neuropharmacology 136, 449–458.
4. Bradley, S.J., Molloy, C., Bundgaard, C., Mogg, A.J., Thompson, K.J., Dwomoh, L., Sanger, H.E., Crabtree, M.D., Brooke, S.M., Sexton, P.M., et al. (2018). Bitopic Binding Mode of an M1 Muscarinic Acetylcholine Receptor Agonist Associated with Adverse Clinical Trial Outcomes. Mol. Pharmacol. 93, 645–656.
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