精氨酸酶作为治疗阿尔茨海默病的潜在靶点

摘要：阿尔茨海默病 (AD) 是一种缓慢进展的神经退行性疾病，起病隐匿，其特点是记忆力、思维和推理能力严重下降。高龄是 AD 和其他代谢疾病（如 II 型糖尿病和动脉粥样硬化）的主要危险因素。它们的因果机制是多方面的，尚未完全理解。尽管进行了数十年的深入研究，AD 的确切病理生理学仍然是一个谜。到目前为止，还没有真正成功的 AD 疗法。精氨酸酶是尿素循环的中心酶。最近的研究已经确定了大脑中的精氨酸酶功能，并将这种酶与神经退行性疾病的发展联系起来。精氨酸酶的上调已被证明会导致内皮功能障碍、缺血再灌注、动脉粥样硬化、糖尿病、和神经退化。其他关于神经退行性疾病精确分子机制的最新发现为合理开发治疗常见神经退行性疾病的创新治疗策略提供了新方向。在这种情况下，精氨酸酶活性的调节似乎是一种普遍的方法，可以干扰 AD 的发病机制并为其和其他代谢紊乱提供缓解。因此，该酶代表了一种新的治疗靶点。精氨酸酶抑制已被证明可逆转淀粉样蛋白驱动的神经元功能障碍和小胶质细胞增生，并防止 AD 啮齿动物模型中其他 AD 症状的发展。因此，该方法代表了临床开发的一个有希望的方向。其他关于神经退行性疾病精确分子机制的最新发现为合理开发治疗常见神经退行性疾病的创新治疗策略提供了新方向。在这种情况下，精氨酸酶活性的调节似乎是一种普遍的方法，可以干扰 AD 的发病机制并为其和其他代谢紊乱提供缓解。因此，该酶代表了一种新的治疗靶点。精氨酸酶抑制已被证明可逆转淀粉样蛋白驱动的神经元功能障碍和小胶质细胞增生，并防止 AD 啮齿动物模型中其他 AD 症状的发展。因此，该方法代表了临床开发的一个有希望的方向。其他关于神经退行性疾病精确分子机制的最新发现为合理开发治疗常见神经退行性疾病的创新治疗策略提供了新方向。在这种情况下，精氨酸酶活性的调节似乎是一种普遍的方法，可以干扰 AD 的发病机制并为其和其他代谢紊乱提供缓解。因此，该酶代表了一种新的治疗靶点。精氨酸酶抑制已被证明可逆转淀粉样蛋白驱动的神经元功能障碍和小胶质细胞增生，并防止 AD 啮齿动物模型中其他 AD 症状的发展。因此，该方法代表了临床开发的一个有希望的方向。

关键词

阿尔茨海默病, L-正缬氨酸, L-精氨酸,精氨酸酶

1. 简介：阿尔茨海默病作为一种代谢紊乱

阿尔茨海默病 (AD) 是老年人痴呆的最常见原因 [ 1 ]。临床和病理学研究表明该疾病存在长期的临床前阶段，该阶段在可检测到的认知缺陷发作之前开始。关于 AD 的病因尚无完整的科学共识。目前，一种流行的疾病病因学模型被称为“淀粉样蛋白假说”。根据该模型，β-淀粉样蛋白 (Aβ) 沉积在临床症状出现前几十年就开始了。这种临床前 AD 的沉默期之后是过度磷酸化 Tau 蛋白的积累和显着的神经退行性变 [ 2] . 淀粉样蛋白级联假说是一个有影响力的模型，尽管其中存在一些矛盾以及基于其中心学说的无数临床试验的失败。然而，在过去十年中，已经发表了大量研究，重点关注 AD 与代谢疾病（如糖尿病、肥胖和高血压等）之间的关系。

最近的临床和实验数据证明，神经退行性疾病和代谢疾病表现出并存的代谢功能障碍[ 3 ]。最新的流行病学研究表明 AD 和糖尿病的合并症毫无疑问 [ 4 ]。此外，肥胖和 AD 可能具有相似的致病机制 [ 5 ]。同样，有流行病学和临床病理学证据表明动脉粥样硬化和 AD 具有共同的病理学 [ 6 ] [ 7 ]。

此外，当代尖端实验室方法提供了令人信服的数据，表明与 AD 相关的大量代谢变化。气相色谱与 AD 患者血清的质谱联用揭示了 AD 患者和健康对照之间的显着代谢差异，并阐明了该疾病的一些病理机制 [ 8 ]。已检测到 23 种代谢物水平的显着变化。代谢途径分析表明关键代谢途径的参与，例如能量缺乏、氧化应激和高氨血症。因此，营养行为被认为是 AD 症状前阶段的一个触发因素 [ 9 ]。

最近提出了另一个假设，强调生物能量代谢的损害是 AD 发病机制的关键贡献机制 [ 10 ]。根据这一假设，AD 的特征在于几种相互关联的病理事件的组合，包括生物能量、代谢、神经血管和炎症过程。其他研究人员指出，脑代谢低下发生在临床表现之前几十年，这表明代谢功能障碍是导致 AD 的重要因素 [ 11 ]。此外，越来越多的数据表明，作为 AD 早期标志物的线粒体功能障碍在神经元功能障碍中起作用 [ 12] . AD 小鼠大脑中的细胞色素 c 氧化酶活性降低 [ 13 ]。有证据表明，Aβ 驱动的酶活性抑制是直接结合其亚基之一的结果 [ 14 ]。所提出的 Aβ 和细胞色素 c 氧化酶之间相互作用的模型解释了在 AD 大脑中检测到的特征性代谢功能障碍。

目前的治疗方案解决症状，并专注于使用胆碱能和谷氨酸能神经传递进行操作。美国食品和药物管理局 (FDA) 仅批准了两类药物。胆碱酯酶抑制剂属于第一类，而 N-甲基-D-天冬氨酸 (NMDA) 受体拮抗剂美金刚属于第二类（表 1）。它们都是姑息性药物，仅能改善认知衰退，但不能阻止疾病的发展。此外，药物还存在严重的副作用。不幸的是，由于严重的副作用，大多数β-分泌酶 1 (BACE1) 抑制剂的临床试验已被终止。此外，靶向 Aβ 的单克隆抗体尚未显示出相当大的疗效 [ 15] . 最先进的新兴策略集中在临床前阶段，旨在降低 Aβ 积累和神经炎症的速率，并使紊乱的神经元代谢正常化（表 1）[ 16 ]。

目前在美国进行了数十项 AD 临床试验，其中一些测试了干扰 AD 中紊乱的线粒体代谢和能量平衡的方案。有些人使用众所周知并广泛用于治疗其他代谢紊乱的药物（如胰岛素）。其他人试图通过应用激素肠促胰岛素来改善大脑葡萄糖代谢[ 17 ]。这些表明了开发创新药物的趋势，这些药物主要能够

目前 FDA 批准的 AD 治疗方法

FDA批准（年）

乙酰胆碱酯酶抑制剂

多奈哌齐

2006年

卡巴拉汀

2000

NMDA 拮抗剂

美金刚

2003年

临床试验中的新药

地位

BACE1抑制剂

E2609

第三阶段

APP生产抑制剂

波西芬

第一阶段

Tau 免疫疗法

ABBV-8E12

第二阶段

Aβ免疫治疗

LY3002813

第二阶段

11β-HSD1 阻滞剂

赛南

第二阶段

p38 MAPK α 抑制剂

奈弗拉莫德

第一阶段

丁酰胆碱酯酶抑制剂

双降半胱氨酸

第一阶段

血管紧张素受体阻滞剂

替米沙坦

第一阶段

Aβ寡聚体受体拮抗剂

CT1812

第一阶段

线粒体活性和能量调节剂

草酰乙酸

第一阶段

毒蕈碱受体调节剂

VU319

第一阶段

非甾体雌激素

S-牛尿酚

第一阶段

非甾体抗炎药

柳盐

第一阶段

Bcr-Abl激酶抑制剂

尼罗替尼

第一阶段

蛋白激酶 C 的调节剂

苔藓抑素

第二阶段

胰岛素作为鼻喷雾剂给药

胰岛素

第二/第三阶段

表 1。目前 FDA 批准的治疗 AD 的药物和临床试验药物（不完整列表）。

干扰 AD 的发病机制和相关的脑代谢紊乱。然而，缺乏综合分析和具体方法限制了有效 AD 治疗的发展。

2. L-精氨酸代谢与阿尔茨海默病

L-精氨酸是一种半必需的阳离子氨基酸，大量参与重要的生理过程。除了在蛋白质生物合成中的主要作用之外，L-精氨酸是尿素循环中的最后一种酶，它将有毒的氨转化为尿素进行排泄（图 1），它是一氧化氮的前体 [ 18 ]。而且，

图1. L-精氨酸在 AD 大脑中的代谢命运。L-精氨酸被精氨酸酶裂解形成尿素和鸟氨酸。精氨酸酶是尿素循环的最终酶。尿素循环的主要功能是从蛋白质代谢的含氮废物中产生尿素。在五步循环的一轮中进行两摩尔氨并产生一摩尔尿素。尿素循环包括 N-乙酰谷氨酸合酶 (NAGS)，它是催化酶氨基甲酰磷酸合酶 (CPS1) 的变构辅助因子，以及其他四种催化酶：鸟氨酸转氨甲酰酶 (OTC)、精氨琥珀酸合酶 (ASS1)、精氨琥珀酸裂解酶 (ASL) ) 和 ARG1。NAGS、CPS1 和 OTC 位于线粒体中，而 ASS1、ASL 和 ARG1 位于胞质溶胶中。两种酶，OTC 和 CPS1，在哺乳动物大脑中的浓度非常低。因此，大脑缺乏有效的尿素循环，氨的去除依赖于细胞溶质谷氨酰胺合成酶 (GS) 的谷氨酰胺合成。88 ] 。另一种线粒体酶谷氨酸脱氢酶 (GDH) 催化谷氨酸脱氨为 α-酮戊二酸 (α-KG) 和氨 (NH 3 )。线粒体膜中有三种转运蛋白对尿素循环的正确运作至关重要：1）线粒体鸟氨酸转运蛋白（ORNT1）；2) 线粒体天冬氨酸/谷氨酸载体(Citrin)；和线粒体阳离子氨基酸转运蛋白 1 型 (CAT-1)。红色箭头代表物质水平升高；蓝色箭头表示减少的。圆圈颜色的饱和度反映了激活的程度（这是一个任意比例）。

它是合成 L-鸟氨酸、L-脯氨酸、多胺、肌酸等的必需前体 [ 19 ]。

一种专注于脂质组学和代谢组学的新的、公正的方法被应用于分析 AD 患者死后大脑的变化 [ 20 ]。检测到几种显着改变的代谢物，如天冬氨酸、谷氨酸、柠檬酸和苹果酸，它们将 AD 与对照区分开来。L-精氨酸代谢途径被确定为与 AD 的发展高度相关。在另一项研究中，先进的通路富集分析被应用于检测 AD、帕金森病 (PD) 和肌萎缩侧索硬化症的相互通路 [ 21 ]。疾病 - 代谢物 - 途径关联指出 L-精氨酸代谢的重要参与。在 AD 的啮齿动物模型中获得了表明 L-精氨酸代谢失调的类似结果。22 ] 。

L-精氨酸通过营养摄入和从头合成提供。平均营养 L-精氨酸摄取量约为 5-6 克/天 [ 23 ]。长期以来，人们一直对使用氨基酸治疗各种疾病感兴趣。L-精氨酸补充剂已被证明可刺激免疫反应并促进伤口愈合 [ 24 ]，尤其是在老年患者中 [ 25 ]。研究了口服补充高剂量精氨酸对老年人代谢的影响。在 17 克/天的精氨酸剂量下未观察到副作用 [ 26 ]。此外，研究表明，补充精氨酸可提高老年男性自行车手的表现并增强他们的运动能力 [27 ] 。其他研究表明，在膳食中补充精氨酸可减弱高胆固醇血症患者的血小板反应性增加 [ 28 ] 并防止动脉粥样硬化形成 [ 29 ]。

L-精氨酸及其衍生物在患有各种神经系统疾病的患者中进行了试验。L-精氨酸在中风后 30 分钟内给药已被证明可以降低中风样症状的严重程度 [ 30 ]。此外，在老年性痴呆患者的饮食中每天补充 1.6 克 L-精氨酸，持续三个月，可显着改善认知功能 [ 31 ]。

进行了一组实验室研究以破译 L-精氨酸神经保护背后的机制。在各种体外模型中证实，L-精氨酸可增强细胞增殖并减少细胞凋亡 [ 32 ]。反过来也显示：L-精氨酸的剥夺诱导氧化应激介导的细胞凋亡 [ 33 ]。该氨基酸的抗凋亡和神经保护特性已在培养的 PC-12 细胞 [ 34 ]、具有兴奋性毒性损伤的运动神经元和转基因肌萎缩侧索硬化小鼠模型 [ 35 ] 中得到证实。

值得一提的是，L-精氨酸通过在血脑屏障 (BBB) 处表达的Na +非依赖性阳离子氨基酸转运蛋白 (CAT1) 从循环血液中输送到大脑中 [ 36 ]。大鼠 BBB 处氨基酸的流入转运是饱和的，Michaelis-Menten 常数值为 56 μM。值得注意的是，啮齿类动物的L-精氨酸生理血清浓度约为170 μM；在人类中，它约为 100 μM [ 37 ]。由于哺乳动物中的 L-精氨酸主要来自肾脏从头合成和饮食摄入，因此 BBB 中的 CAT1 是通往大脑的唯一管道 [ 38 ]。因此，无论其通过 BBB 的能力如何，其运输机的能力都受到限制 [ 39] . 这使得全身给药不足以显示其所有可能的神经营养特性。为了克服这一限制，Fonar 等人。（2017 年）通过在 AD 小鼠模型中慢性脑室内施用氨基酸绕过 BBB [ 34 ]。用 L-精氨酸治疗的动物表现出显着改善的空间记忆获取。

3. 一氧化氮

L-精氨酸是精氨酸酶和一氧化氮合酶 (NOS) 的共同底物，它们分别产生尿素和一氧化氮 (NO) 与 L-瓜氨酸 [ 40 ]。目前已知的 NOS 有三种类型：神经元型一氧化氮合酶 (NOS1)、内皮型一氧化氮合酶 (NOS3) 和诱导型一氧化氮合酶 (NOS2) [ 41 ]。此外，有两种不同类型的精氨酸酶：精氨酸酶 1 (ARG1) 和精氨酸酶 2 (ARG2)。L-精氨酸的生物利用度是一氧化氮合成的调节因子；因此，它的产生严重依赖于精氨酸酶的活性，这很容易耗尽底物 [ 42 ]。

NO 是一种参与调节心血管、神经和免疫系统的信号分子 [ 41 ]。此外，NO 的生物利用度降低与各种血管疾病有关，包括高血压、动脉粥样硬化、糖尿病和缺血再灌注损伤 [ 43 ]。因此，假设异常 NO 信号传导有助于各种神经退行性疾病的发病机制，例如中风/兴奋性毒性、AD、多发性硬化症 (MS) 和 PD [ 44 ]。

有数据显示 AD 大脑中 NOS 活性严重降低，NOS1 和 NOS3 蛋白水平下降 [ 45 ]。文图里尼等人。(2012) 证明淀粉样肽强烈抑制无细胞和细胞系统中的 NOS1 和 NOS3 活性；这为 AD 的发展提供了一种新颖、有趣的分子机制 [ 46 ]。

越来越多的证据表明 NO 具有神经保护特性。首先，它会引发血管舒张并增加神经元的血液供应，从而降低它们对氧化应激的敏感性 [ 47 ]。此外，NO 通过抑制谷氨酸能突触处的 NMDA 受体来调节 Ca 2+流入神经元，从而保护细胞免受过度刺激和随后的兴奋性毒性 [ 48 ]。此外，L-瓜氨酸是该反应的副产物，由 NOS 催化，也被证明具有神经保护特性 [ 49 ]。

为了探索 NO 在 AD 发展中的潜在作用，设计了 APP/NOS2 -/-小鼠 [ 50 ]。小鼠在纯合小鼠 NOS2 敲除背景上表达人类瑞典突变 (APPSw；Tg2576)，并表现出 AD 的行为缺陷和生化特征。Kan 等人使用这种 AD 模型。(2015) 证明 ARG1 在 Aβ 积累区域中高度表达 [ 51] . 已经证明，通过用 α-二氟甲基鸟氨酸 (DFMO) 不可逆地抑制鸟氨酸脱羧酶 (ODC) 来破坏精氨酸利用途径可以保护小鼠免受 AD 样病理影响并逆转记忆丧失。作者认为 L-精氨酸消耗是 AD 发展过程中神经元细胞死亡和认知缺陷的原因。另一种基因敲除 (NOS3 -/- ) 小鼠模型显示发展为阿尔茨海默病样病理学 [ 52 ]。此外，据报道，毛细血管表达的 NOS3 与阿尔茨海默病的病变负担呈负相关 [ 53 ]。

最近的实验数据提供的证据表明，L-精氨酸给药可恢复 NO 合成，从而改善心血管疾病中的血管功能 [ 29 ] [ 54 ] [ 55 ]。这些发现证明了 L-精氨酸生物利用度在血管病变和神经退行性疾病中的关键作用。尽管 L-精氨酸可用性降低的具体原因仍未明确，但新出现的证据表明，精氨酸酶对 L-精氨酸的分解代谢与此有关。

4. 精氨酸酶

精氨酸酶是一种锰金属酶，可催化 L-精氨酸水解为 L-鸟氨酸和尿素。已经鉴定出两种不同的精氨酸酶遗传异构体，它们具有大约 60% 的氨基酸序列同源性 [ 56 ]。精氨酸酶是由每个单体结构中的两个 Mn 2+离子稳定构象的同型三聚体金属酶 [ 57 ]。

精氨酸酶在早期生命形式和目前存在的门中普遍存在 [ 58 ]。植物、细菌和酵母在线粒体中具有单一形式的精氨酸酶 (ARG2)。脊椎动物通过精氨酸酶 (ARG1) 的另一种胞质异构体来处理氮 [ 59 ]。同工酶表现出独特的细胞和组织分布模式。在人类中，ARG1 通常表现为肝脏的胞质酶，并且也在大脑的各个区域表达。ARG2 在文献中被描述为一种肾型精氨酸酶，在各种器官的线粒体内普遍以低水平表达 [ 60 ]。

精氨酸酶在输尿管动物中的主要代谢功能是通过尿素循环去除多余的氨。这是 ARG1 在肝组织中的核心作用 [ 61 ]。大鼠 [ 62 ] 和小鼠脑切片 [ 63 ]的免疫细胞化学分析已证实大脑中存在 ARG1 和 ARG2，尤其是在海马神经元中。此外，已经确定 ARG2 是人类额叶皮层的主要同种型 [ 64] . 因此，由于脑组织中其他尿素循环关键酶的相对缺乏，有人提出脑中的精氨酸酶的功能与在肝脏中的方式不同。据报道，至少有两种对尿素循环至关重要的酶，鸟氨酸转氨甲酰酶 (OTC) 和氨基甲酰磷酸合成酶 1 (CPS1)，在哺乳动物脑中的浓度非常低 [ 65 ]。此外，已经确定啮齿动物大脑中的精氨酸酶活性仅占肝脏活性的不到 0.1% [ 66 ]。值得注意的是，肝脏的典型精氨酸酶活性是每毫克蛋白质每分钟产生 14 µM 尿素；然而，对于脑组织，它仅为 0.0135 µM 尿素 min/mg [ 61 ]。

值得一提的是，通过暴露于多种细胞因子和儿茶酚胺，可以促进两种精氨酸酶同工型在不同组织中的表达[ 67 ]。内皮细胞中的 ARG2 可被许多刺激物诱导，包括脂多糖 (LPS)、肿瘤坏死因子 α (TNFα)、氧化的低密度脂蛋白 (LDL) 和缺氧 [ 68 ]。此外，已经证明 ARG2 的激活与其从线粒体到细胞质的易位有关 [ 69 ]。我们实验室获得的数据证实了线粒体 ARG2 在 AD 小鼠模型的海马神经元细胞质中的表达（图 1）[ 63] . 值得注意的是，精氨酸酶存在于各种细胞外液中，能够水解血浆、唾液等中的 L-精氨酸 [ 70 ]。

尽管精氨酸酶已被证明是一种神经保护因子并支持体外神经再生 [ 71 ] [ 72 ]，但最近的研究表明，精氨酸酶在 AD 和其他代谢疾病的发病机制中发挥作用 [ 73 ]。首先，观察到 AD 患者皮质中 L-精氨酸水平显着降低 [ 74 ]。此外，NOS 和精氨酸酶的活性和表达水平在 AD 大脑中以特定区域的方式发生了有意义的改变。即，AD 患者海马中精氨酸酶的活性显着升高，而 NOS 的活性降低 [ 45 ]。

最近的数据表明，与对照组相比，AD 患者的死后大脑中的尿素浓度明显更高，尿素是精氨酸酶催化反应的产物 [ 75 ]。同样，其他神经退行性疾病被指定为具有高脑尿素浓度和相关基因的不平衡表达。例如，据报道，亨廷顿病 (HD) 患者的大脑中的尿素含量是健康对照组的三倍 [ 76 ]。这一发现已在 HD 的转基因绵羊模型中得到验证[ 77 ]。因此，提出了一个假设，将大脑中尿素的积聚与毒性水平联系起来，导致脑损伤，最终导致痴呆[77 ] 。

此外，有迹象表明，与对照大脑相比，AD 大脑中 ARG2 基因的表达明显更高 [ 78 ]。因此，已经假设 ARG2 基因与发生 AD 的风险存在潜在关联。此外，已经证明 ARG2 缺乏会降低高氧介导的视网膜神经变性的发生率 [ 79 ]，这表明精氨酸酶通过过度激活兴奋性毒性 NMDA 受体 [ 80 ]参与了神经元变性的发病机制。在分子水平上，已证实核糖体蛋白 S6 激酶 beta-1 (S6K1) 和 ARG2 在内皮炎症过程和衰老过程中存在相互正向调节 [ 81] . 因此有人提出，ARG2 和雷帕霉素的机械靶点 (mTOR-S6K1) 通路在促进氧化应激、炎症、衰老和死亡方面发挥重要作用，最终导致代谢紊乱 [ 82 ]。因此，最近提出了靶向 ARG2 作为一种治疗与年龄有关的疾病的方法 [ 83 ]。

此外，精氨酸酶的上调与神经系统的其他疾病有关，例如 PD、多发性硬化症、中风、外伤性脑损伤和几种视网膜疾病 [ 59 ] [ 84 ]。值得注意的是，AD 大脑中的 L-鸟氨酸水平降低 [ 8 ]。L-鸟氨酸是精氨酸酶催化的反应产物，在 AD 中上调。然而，ODC 和 OTC 在 AD 大脑中也被上调。这些酶很容易耗尽相互的底物，从而导致相对的 L-鸟氨酸缺乏 [ 85 ]。

井上等人。(2013) 研究了低分子量分子的浓度和定位变化。为此，他们使用了一种死后人脑代谢分析方法，使用超高效液相色谱法与电喷雾飞行时间质谱分析相结合 [ 86 ]。脑组织中代谢物的多元统计分析将AD大脑中发生的病理变化与多胺代谢途径的偏差联系起来。研究人员发现鸟氨酸的下游代谢物显着增加，这可能与 AD 病理学中的 ODC 活性有关（图 1）。另一项研究证实（p < 0.02）AD 患者大脑中亚精胺水平显着增加 [ 87 ]。

近年来收集的经验数据表明，AD 患者大脑中的 L-精氨酸代谢存在复杂异常。研究结果指出了新的合理治疗途径，可改善症状并阻止 AD 的进展。在这种情况下，精氨酸酶活性的药理学微调似乎是一种合理的方法。

5. 精氨酸酶抑制剂

由于精氨酸酶的表达和活性已被证明在各种疾病中上调，包括动脉粥样硬化、糖尿病和 AD，因此已设计出特异性抑制剂以进行临床研究。

现在有几种高效和特异性抑制剂可用于探测精氨酸酶功能并调节 NOS 和精氨酸酶途径之间的平衡。一些物质是合理合成的；有些是具有高精氨酸酶抑制能力的天然植物衍生化合物，例如 piceatannol-3'-O-β-d-吡喃葡萄糖苷。所有这些小分子代表了用于治疗代谢和心血管疾病的一组有前途的药物[ 73 ]。表 2列出了这些化学品的不完整清单。不幸的是，几种有效的合成精氨酸酶抑制剂是相对有毒的物质，这限制了它们的临床应用[ 89] . 然而，L-精氨酸代谢的几种产物具有精氨酸酶抑制特性，代表了一组有前途的物质。例如，L-鸟氨酸和 L-瓜氨酸已被证明可有效抑制精氨酸酶。L-瓜氨酸已

抑制剂

抑制的描述和类型（关于 L-精氨酸）

2(S)-氨基-6-硼己酸盐酸盐盐酸盐(ABH)

一种有效的、特异性的、竞争性的精氨酸酶抑制剂

(2R)-2-amino-3-(2-boronoethylsulfanyl)propanoic acid (BEC) 盐酸盐

一种基于硼酸的精氨酸类似物，可作为选择性、缓慢结合、可逆、竞争性精氨酸酶抑制剂

NG-羟基-L-精氨酸 (NOHA) 醋酸盐

NO 合酶将精氨酸转化为 NO 和瓜氨酸的中间体。作为可逆的竞争性精氨酸酶抑制剂

Nor-NOHA 二乙酸盐

比 NOHA 抑制剂更有效，后者对人 ARG2 的选择性是 ARG1 的 10 倍

氯喹

竞争性精氨酸酶抑制剂

Piceatannol-3'-O-β-d-吡喃葡萄糖苷 (PG)

竞争性精氨酸酶抑制剂

L-鸟氨酸

竞争性精氨酸酶抑制剂

L-正缬氨酸

非竞争性抑制剂

表 2。精氨酸酶抑制剂。

被证明是精氨酸酶活性的变构调节剂 [ 90 ]。L-鸟氨酸通过在精氨酸酶的活性位点上与 L-精氨酸竞争来抑制精氨酸酶 [ 91 ]。另一种非蛋白氨基酸，L-正缬氨酸，表现出与 L-鸟氨酸相似的效力；然而，由于它通过非竞争性抑制机制发挥作用 [ 92 ] [ 93 ]，因此其应用非常有吸引力。该物质已成功应用于患有链脲佐菌素诱导的糖尿病的大鼠 [ 94 ]、[ 95 ]。

6. 精氨酸酶抑制和 AD

先前已经探索了阻止 L-精氨酸消耗并逆转其剥夺，从而阻止记忆丧失和减少其他 AD 症状的想法。在上述研究中，Kan 等人证明 ARG1 在 Aβ 沉积区域中高度表达 [ 51 ]。作者证明，通过用 DFMO 不可逆地抑制 ODC 来破坏精氨酸利用途径，可以保护小鼠免受 AD 样病理影响并逆转记忆丧失。作者认为 L-精氨酸消耗是 AD 发展过程中神经元细胞死亡和认知缺陷的原因。值得一提的是，DFMO是一种毒性较大且不可逆的ODC抑制剂。为了避免不良副作用，在 AD 小鼠模型中与腐胺一起提供。

在我们目前的研究（我们实验室正在进行）中，我们使用 L-正缬氨酸来抑制精氨酸酶，它通过负反馈抑制机制起作用 [ 63 ]。因此，我们不对动物施用多胺。相反，我们在老鼠的笼子里为老鼠提供溶解在水中的 L-正缬氨酸。与 Kan 等人使用的强制灌胃喂养相比，这是一种侵入性较小的方法。

最近发表了一份报告，其中包含首次使用 DFMO 以减缓 AD 进展的单个案例研究的结果 [ 96] . 一名无法耐受乙酰胆碱酯酶抑制剂的多域遗忘性轻度认知障碍的 74 岁女性参加了试验。这位有 5 年认知能力下降病史的患者接受了 DFMO（500 毫克，每天两次）治疗 12 个月。患者对治疗没有反应。此外，在试验过程中，她的认知能力继续下降，包括方向感、社会功能和从事日常日常活动的能力逐渐恶化。情景记忆和执行功能的客观测量也显示出逐渐恶化。Florbetapir 正电子发射断层扫描 (PET) 成像显示在基线和 12 个月时总新皮质标准化摄取值升高。

值得注意的是，DFMO 是一种有效的、不可逆的“自杀性”ODC 抑制剂 [ 97 ]。它抑制精氨酸的能力非常有限。Selamnia 等人使用体外实验。(1998) 确定 DFMO 是一种弱精氨酸酶抑制剂，Ki = 3.9 mM [ 98 ]。因此，需要相对高浓度的物质来抑制精氨酸酶活性。因此，其作为精氨酸酶抑制剂的应用可能会产生非特异性效应。此外，患者的年龄和病理的发展非常先进，可以阻断淀粉样变性并改善认知功能。我们认为，精氨酸酶抑制剂应该在处于临床前疾病阶段的早发性 AD 常染色体基因携带者身上进行试验。

根据我们的假设，大脑中精氨酸酶活性的上调以及随之而来的 L-精氨酸和 NO 缺乏导致 AD 病理的表现。因此，我们针对精氨酸酶而不是 ODC 来改善疾病的症状。我们使用了 AD 的三重转基因小鼠模型 (3xTg-AD)，其中包含 PS1(M146V)、APP(Swe) 和 tau(P301L) 转基因。小鼠表现出具有斑块和缠结病理学的突触缺陷[ 99 ]。

与野生型 (WT) 小鼠相比，用 L-正缬氨酸治疗两个月的动物没有表现出短期或长期记忆缺陷。此外，观察到的认知效应与显着减少的 β-淀粉样变性和小胶质细胞增生有关。同样，该治疗逆转了皮质和海马中的树突棘缺陷，并放大了突触前和突触后蛋白的表达水平。

先前已证明 L-正缬氨酸可提高 NO 的产生速率并减少尿素的产生 [ 100 ]。L-正缬氨酸已成功用于治疗大鼠模型中的人工代谢综合征 [ 101 ]。此外，有报道称 L-正缬氨酸也能抑制 S6K1 并具有抗炎特性 [ 102 ]。我们发现 L-正缬氨酸治疗导致大脑中 RAC-α 蛋白-丝氨酸/苏氨酸激酶 (Akt1) 水平降低 53%。该激酶位于 mTOR 和 S6K1 的上游；因此，Akt1 的下调会对 S6K1 活性产生负面影响。mTOR 信号通路的上调被证明在 AD 的发病机制中发挥重要作用 [ 103] . 因此，mTOR 信号抑制是 AD 的新治疗靶点 [ 104 ]。

值得注意的是，L-正缬氨酸能够成为支链氨基酸氨基转移酶 (BCAT) [ 105 ] 的底物。支链氨基酸包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸。有数据显示，AD患者血浆中缬氨酸的含量显着降低[ 8 ]。BCAT催化支链氨基酸和α-酮戊二酸转化为支链α-酮酸和谷氨酸。因此，BCAT 活性是调节谷氨酰胺和谷氨酸产生的关键因素。

在 AD 小鼠模型中，谷氨酰胺补充剂已被证明可以缓和 tau 磷酸化并减少炎症[ 106 ]。值得一提的是，AD 患者大脑中的谷氨酰胺水平倾向于下降 [ 107 ]，并且在 AD 患者的颞叶中明显下降。汗水等。(2004) 通过对啮齿动物大脑的 IHC 分析证明，BCAT 在海马和齿状回的苔藓纤维通路中强烈表达，它位于轴突和神经末梢 [ 108 ]。此外，李等人。（2018）表明支链氨基酸代谢的缺陷促进了AD的发展[ 109] . 此外，他们证明 BCAT1 异构体的表达在糖尿病、老年和 AD 小鼠的脑组织中显着下调。

我们提供的证据表明，慢性 L-正缬氨酸给药导致 AD 小鼠模型海马中水泡谷氨酸转运蛋白 3（增加 458%）和水泡谷氨酸转运蛋白 1（增加 349%）的表达水平显着增加 [ 63 ]。这些发现表明大脑中由 L-正缬氨酸产生的 BCAT 产生的谷氨酸水平升高。此外，接受治疗的动物大脑中的超氧化物歧化酶 [Cu-Zn] (SOD) 水平升高了 19%。这些酶在细胞对含氧化合物的反应中起关键作用。在具有 NMDA 兴奋性毒性损伤的大鼠模型中令人信服地证明，超氧化物歧化酶 [Cu-Zn] 的过表达导致神经保护和改善功能结果 [ 110 ]。

此外，我们观察到磷脂酰肌醇 3-激酶调节亚基 α 水平显着升高（24%）。于等人。证实这种激酶在防止 H 2 O 2诱导的神经元退化中发挥作用[ 111 ]。值得注意的是，治疗后 reelin 信号传感器同源物 1 (DAB1) 的水平显着增加（增加了 37%）。reelin 途径先前已被确定为 AD 中的保护作用，并且已显示高 DAB1 mRNA 表达与 AD 保护呈正相关 [ 112 ]。此外，细胞色素 c 氧化酶亚基 4，对线粒体的组装和呼吸功能至关重要 [ 113] ，提高了 31%。早些时候，我们提到细胞色素 c 氧化酶缺乏是 AD 大脑中检测到的特征性代谢功能障碍。因此，这种对电子转移至关重要的蛋白质水平的增加可能是 L-正缬氨酸处理后强烈行为表型的部分原因。

7. 结论

总之，我们强调了 L-正缬氨酸在 AD 中应用的多重好处，并列出了其多种活动模式。即，L-正缬氨酸是精氨酸酶抑制剂和 mTOR 通路的有效抑制剂。此外，氨基酸是 BCAT 的底物；因此，L-正缬氨酸的应用导致突触处谷氨酸水平的增加。此外，L-正缬氨酸可激活参与细胞对含氧化合物反应的途径。所有提到的 L-正缬氨酸活性模式都有可能改善 AD 的症状，甚至干扰其发病机制（图 2）。我们已经证明，L-正缬氨酸代表了一种有前途的神经保护分子，并具有多种潜在的生物学特性，可用于治疗

图 2. L-正缬氨酸在 3xTg-AD 小鼠大脑中的代谢作用。L-正缬氨酸处理导致 Aβ 原纤维和原纤维寡聚体 (Aβo) 的数量减少，囊泡谷氨酸转运蛋白 1 和 3（分别为 VGLUT-1 和 VGLUT-3）、突触素 (SYP) 的表达水平增加、一氧化氮合酶 3 (NOS3)、超氧化物歧化酶 [Cu-Zn] (SOD)、disabled-1 (Dab1) 蛋白、磷脂酰肌醇 3-激酶调节亚基 α (PIK3R1) 和细胞色素 c 氧化酶亚基 4 (COX4I1)。同时，L-正缬氨酸降低精氨酸酶 1 (ARG1) 和精氨酸酶 2 (ARG2)、RAC-α 丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 (Akt1) 的水平，并抑制核糖体蛋白 S6 激酶 β-1 (S6K1)。此外，它的应用可防止 ARG2 从线粒体易位到细胞质。红色箭头代表蛋白质水平升高；

一系列神经退行性疾病。需要进一步的研究来发现该物质的最佳浓度，以提供最佳的神经保护。同样，其他 AD 模型可用于验证结果、阐明和确认精确的神经保护机制。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

参考

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