关爱老人，让“夕阳”更美：Biacore 在阿尔兹海默症治疗药物开发与疾病机理研究中的应用

7 月 30, 2020

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阿尔茨海默症

Alzheimer’S Disease，AD

俗称老年痴呆，是一种慢性神经退行性疾病，也是老年人群最常见的痴呆形式之一。国际阿尔茨海默病协会发布的《世界阿尔茨海默病报告》显示，全球每 3 秒就约有一人患阿尔茨海默症，而据报道全球每年用于治疗 AD 的相关费用超过 6000 亿美元，AD 俨然成为全球范围内亟待解决的医学问题和社会问题。

图1 阿尔兹海默症宣传图

2019 年 11 月 2 日，中国海洋大学、中科院上海药物所与上海绿谷联合研发的 GV-971(甘露特钠胶囊，商品名「九期一」) 获批有条件上市（图 2）。作为在过去十七年里在全球范围内唯一上市的治疗 AD 的新药，该药为广大 AD 患者带来了希望。该药物是以海洋褐藻提取物为原料，制备获得的低分子酸性寡糖化合物，用于治疗轻度至中度阿尔茨海默病，改善患者认知功能。而这款药物的研发与申报过程中就大量使用了 Biacore。

图 2 甘露特钠胶囊获国家药品监督管理局批准

图 3 央视新闻报道「九期一」上市的截图

除了 AD 治疗药物的研发之外，AD 病因及发病机制一直是一个未解之谜。在国内外科研人员的多年努力探索下，大量 AD 相关的突破性研究成果见诸报端。近期，来自伦斯勒理工学院的王春雨教授团队在国际化学领域顶级期刊《Angew. Chem. Int. Ed》发表了题为《3-O-Sulfation of Heparan Sulfate Enhances Tau Interaction and Cellular Uptake》的文章。

作为 Very Important Paper，首次揭示了 3-O-硫酸化（3-O-Sulfation）在 Tau 蛋白 (Tau) 与硫酸乙酰肝素（Heparan Sulfate，HS）相互作用及 Tau 的细胞内吞过程中的关键功能。更为有趣的是，其文章封面采用万里长城的配图，将万里长城比作细胞膜，将 3-O-Sulfation 作为阿尔兹海默症关键蛋白 Tau 的扶梯，助力 Tau 穿过细胞膜，从而完成细胞内吞的过程（图 4）。

图4 文章截图

接下来，我们就来精读这篇文章，并欣赏 Biacore 在这篇文章中的精彩表现。

研究人员首先通过糖阵列分析发现 3-O-Sulfation 增强了 Tau 与 HS 的结合。随后，为了精确表征 Tau 与 HS 的亲和力/动力学，作者利用 Biacore，将猪脑，猪脊柱和猪肠来源的 HS 固定在 SA 芯片，以全长 Tau 蛋白作为流动相，结果显示三种不同来源的 HS 与 Tau 结合的亲和力比较一致，KD 约为 0.02 μM（如图 5）。

图 5 三种不同来源的 HS 与 Tau 相互作用的结果

接下来，研究人员通过 Biacore 竞争性实验来验证 3-O-Sulfation 在 Tau 与 HS 相互作用中的功能。将 HS 偶联在 SA 芯片上，再将全长的 Tau 蛋白分别与三个人工合成的含有不同硫酸化修饰的 HS 十二寡糖（HS 12-mers）oligo-19, oligo-20, and oligo21 预先混合后流经 SA 芯片。

结果表明，含有 3-O-Sulfation 的 oligo-19 能显著竞争 tau–HS 的结合，并且 IC50 值高达 0.9 μM。而相比 oligo-19 唯一缺少 3-O-Sulfation 修饰的 oligo-20，其虽然也能竞争 tau–HS 的结合，但其竞争效果明显减弱，并且 IC50 值降低了五倍，仅为 4.9 μM 。而没有任何硫酸化修饰的 oligo-21 则几乎完全不能竞争 tau–HS 的结合，其 IC50 值也大于 700 μM（如图 6），该 Biacore 检测结果与糖阵列分析完全一致。这些结果表明：HS 的硫酸化对于 Tau–HS 的结合是必须的，并且 3-O-Sulfation 能极大增强 Tau–HS 的结合。

图6 Biacore SPR竞争性实验示意图及三个 HS 12-mers与Tau 蛋白互作的检测结果

随后，研究人员还通过细胞实验证明了 3-O-Sulfation 还具有识别胞外 Tau 蛋白，协助 Tau 蛋白细胞内吞的功能，并通过 NMR 技术成功解析出 Tau 蛋白一级结构上与 3-O-Sulfation 互作的区域：PRR2 与 R2 结构域。最后，使用 HS 的高硫酸化类似物 HP 进行模拟实验，显示出基于硫酸化糖基化合物的设计来干扰 Tau 蛋白与 HS 的互作并阻断 Tau 的胞吞与扩散，并有望成为有效治疗 AD 的新途径。

纵观全文，该篇文章极具创新性地揭示了3-O-Sulfation在Tau与HS相互作用及Tau细胞内吞的关键功能。

在抗淀粉样蛋白A-β的抗体或化合物临床试验持续失败的背景之下，该篇文章通过聚糖化合物破坏Tau– HS互作的策略为阿尔兹海默症的治疗提供了一个崭新思路。而整篇文章中Biacore技术更是体现出其他技术所不具备的优势：

准确性

首次通过 Biacore 对 Tau 与 HS 相互作用进行精确表征，给出二者间准确的亲和力数据，这充分体现 Biacore 准确性。

灵敏度&分辨率

Biacore 竞争性实验验证了 3-O-Sulfation 在 Tau 与 HS 相互作用中的功能，并且能够精确区分不同位点的硫酸化修饰的功能差异，这表明 Biacore 无与伦比的灵敏度与分辨率。

可量化

利用 Biacore 不但可以定性检测不同分子间的竞争结合，还同样可以计算竞争分子的 IC50 及 Ki 值，从而量化竞争分子的强弱。

Biacore 作为分子检测的金标准，在继 2016 年入选《美国药典》、《日本药典》后，今年更是成功入选 2020《中国药典》，明确推荐用于检测分子间的亲和力，药物的结合活性，免疫原性，以及复杂样品中特定蛋白的浓度测定（图 7）。

图 7 2020 版中国药典及 SPR 部分内容

回顾历史，Biacore 不仅在抗体，疫苗、重组蛋白，小分子等药物研发与生产方面具有广泛应用，更在为糖尿病， AD，癌症等疾病相关机理研究中提供大量关键性数据。

遥望未来，Biacore 将不忘初心，为全人类的科学发展与身心健康而砥砺前行。

Biacore

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参考文献：

1. Zhao, Jing, et al. “3‐O‐Sulfation of Heparan Sulfate Enhances Tau Interaction and Cellular Uptake.” Angewandte Chemie International Edition 59.5 (2020): 1818-1827.