精準化學修飾新篇章 從天然物啟發到高效罕病藥物開發

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發佈：2024-03-25, 週一 16:30

每年二月的最後一天是國際世界罕見疾病日（Rare Disease Day），今年適逢四年一度的2月29日，恰巧呼應罕見疾病的特別意涵。這活動在2008 年 2 月 29 日由歐洲罕見疾病組織（EURORDIS）首次發起。該組織每年透過各式不同主題，向全球分享罕病家庭的故事，希望能喚起社會大眾對罕見疾病的認識與關懷，進而敦促罕見病治療藥物的研製。

「天然ㄟ尚好！」科學家過去從天然物中分離出許多具有初步生物活性的小分子，然而這些分子往往需要透過化學改良和修飾（chemical modification）方能發揮其潛力。設計及合成出「更精準」、「更有效」的分子以提升藥效並減低副作用，是天然物藥物開發過程中最具挑戰性的課題。

中央研究院基因體研究中心鄭偉杰研究員及其團隊，長期致力於天然物生物鹼化學合成、結構修飾及生物功能探索，近年來將研究觸角延伸至罕病藥物效能提升。經由精準化學修飾策略，優化分子結構，發現一種新型藥理伴護小分子（pharmacological chaperone），可以顯著提升罕見疾病法布瑞氏症（Fabry disease）蛋白藥物的效能。這項研究成果今年初發表在美國化學學會《JACS Au》期刊，開啟嶄新的精準分子設計思維。

在台灣，最常見的罕見疾病有兩種，排名第一是因嚴重免疫反應引起的多發性硬化症（MS）/泛視神經脊髓炎（NMOSD）；其二是由蛋白質的不正常折疊導致神經退化的肌萎縮性側索硬化症(ALS)。近幾年，溶小體儲積症（lysosomal storage disease, LSD）的通報個案逐年上升，又以法布瑞氏症為大宗。此疾病是一種遺傳性疾病，主要由於GLA基因變異造成，使得異常的α-半乳醣水解酵素無法在內質網中摺疊而滯留，不能被運輸至溶小體使用，最後造成特定代謝物（globotriaosylceramide, Gb3）在體內大量累積並導致各種病變，輕則於各部位出現紫黑色的皮膚病變，重則在患者的手、腳發生間歇性的疼痛或感覺異常等，大大影響生活品質。臺北榮民總醫院兒童醫學部牛道明主任的研究團隊發現，國人罹患法布瑞氏症的比例遠超過想像，因此改善現行治療策略實為重要的研究方向。

臨床上，利用藥理伴護小分子來穩定α-半乳醣水解酵素已成為治療法布瑞氏症的一種現行策略，它可用於選擇性結合特定溶小體酵素，除了能夠避免酵素在內質網中被降解，亦可保護酵素藥物在循環系統中的穩定性，進而使酵素能夠更有效率的運輸至溶小體並水解代謝物。不過，現有的藥理伴護小分子在溶小體中大多無法有效地從酵素脫離，而影響酵素降解受質的效率。鄭老師研究團隊藉由新的精準化學合成策略和思維來輔助設計分子，成功開發出可以高度調控pH值選擇性的新型藥理伴護小分子，使分子能夠在溶小體中有效地從酵素脫離，進而提升藥理伴護小分子的藥效並且減少副作用（圖一）。

圖一：藥理伴護小分子用於治療溶小體儲積症

2016年，鄭偉杰老師實驗室透過天然物啟發的組合式化學（natural product-inspired combinatorial chemistry, NPICC）策略，研製一系列吡咯類的亞胺醣（pyrrolidine-based iminosugar）分子庫。並與台北榮總牛道明醫師通力合作，自該分子庫中成功開發出具有法布瑞氏症藥物─ α-Gal A伴護作用的專利分子ACK170（PCT/US2017/037381）。不僅在分子及原子層級上，微觀解釋吡咯類多羥生物鹼如何和醣水解酵素之交互作用，並且找出此類分子利用吡咯環內及環外兩個氮原子同時進行與酵素交互作用的新關鍵模式。

本文第一作者博士後研究員李皇毅博士表示「亞胺醣環外的氮原子很不一樣！可以借力使力來提升分子對於醣水解酵素的結合力，而且效果十分顯著。」

在共結晶實驗、熱力學和動力學分析實驗中，研究人員發現ACK170和α-Gal A在pH值中性環境中的強結合力，是來自於ACK170環外的胺基和α-Gal A的羧基（D231和E203）所形成的靜電交互作用力。而這個作用力會在pH值酸性的環境中因為羧基的質子化而減弱（圖二）。結果證明在亞胺醣分子上引入一個額外的胺基，可提升藥理伴護小分子在pH中性環境中對於酵素的結合力和pH值選擇性，對於未來開發新型藥理伴護小分子奠定新的里程碑。

圖二：ACK170和α-Gal A活性部位殘基（residue）的交互作用

近一步，臺北榮總兒童醫學部團隊研究人員利用模擬法布瑞氏症的小鼠進行實驗，分析ACK170的治療潛力。結果數據顯示，在施打含有ACK170的酵素藥物α-Gal A後，ACK170可以非常顯著提高α-Gal A在小鼠體內的半衰期，以及在主要器官包含心臟、肝臟及腎臟的活性及含量。研究結果證實，ACK170可藉由延長藥物在循環系統中可以被組織所吸收的時間，來增加組織對於α-Gal A的吸收，在體內促進組織攝取（圖三）。

圖三：ACK170在Gla KO 小鼠中幫助α-Gal A的穩定並提升組織吸收

罕見疾病由於盛行率低，病人人數少，診斷、治療及藥物研發不易。「提升藥物的選擇性，就能降低它的副作用。」鄭偉杰老師補充，「了解在分子及原子層級上的結合模式和交互作用並結合精準化學修飾策略，將有助於針對其他罕見疾病，合成設計出新穎的藥理伴護小分子。」

本研究在中央研究院和台北榮民總醫院多個團隊的共同努力之下完成。參與成員有基因體研究中心鄭偉杰研究員和李皇毅博士、兒童醫學部主任牛道明醫師和張勝凱博士以及生物化學研究所黃開發研究技師。論文全文「Mechanistic Insights into Dibasic Iminosugars as pH-Selective Pharmacological Chaperones to Stabilize Human α-Galactosidase」可於線上閱讀：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.3c00684