通過經典分子動力學和元動力學模擬，從分子間相互作用、二級結構、平均力勢和自由能等方面研究了三種藥物對肽細胞毒性的影響，以分析最適合治療神經退行性疾病的藥物。
背景介紹
β淀粉樣肽（Aβ）是通過淀粉樣前體蛋白的非典型膜內裂解形成的。當這些肽聚集形成了錯誤折疊和可溶的低聚物將會誘導細胞毒性，從而影響人類大腦中的許多重要功能。Aβ的聚集被認為與神經退行性疾病如阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)有病理相關性。
目前市面上被批準的藥物僅用于改善或治療由AD或PD引起的癥狀，治標不治本。隨著人口老齡化的加重，相關藥物的研發變得十分緊迫。
他汀類藥物阿托伐他汀、洛伐他汀以及克羅莫林均被發現具有一定的抗Aβ毒性的效果，但沒有研究者對它們進行進一步的分析和比對。在AD和PD患者的大腦中發現的許多肽均屬于Aβ(1-43)序列，但毒性并不相同。其中，毒性最大的部分是(25-35)，它可以在數小時內聚集，并仍保留Aβ（1-43）全長肽的毒性。此外，Aβ(31-35) 也會引起細胞毒性。有研究發現，這兩個肽引起毒性的機制不同，Aβ(31-35)通過凋亡機制起作用，而Aβ(25-35)則通過附著細胞數誘導神經毒性。另外，肽末端的MET35氨基酸也被認為與毒性相關。
圖1. 參與模擬研究的分子。圖片來源：RCS Advance
實驗結果
分子間相互作用的表征
研究者計算了分子質心之間的徑向分布函數(RDFs)，以研究肽間是否有聚集的跡象。在短距離（1nm以下）中RDF（g(r)）高于1可表示分子之間存在聯系。
數據顯示，阿托伐他汀可以促進Aβ（31-35）和Aβ（25-35）在六分子的體系中聚集。對于含有8個Aβ（31-35）分子的體系，阿托伐他汀則表現為肽聚集抑制劑?？肆_莫林和洛伐他汀則在所有的體系中都減少肽聚集。
在藥物分子混合或沒混合肽的體系中，克羅莫林均表現出最高聚集傾向。對比含有6個肽的體系，Aβ（31-35）存在的情況下，藥物比Aβ（25-35）的模擬中聚集得更多。8個肽分子的體系中，肽的存在減少了所有被研究的藥物分子的聚集。因此，根據目前提供的數據，作者得出結論：藥物和肽的聚集是相互關聯的。然而Aβ（25-35）、Aβ（31-35）和藥物都是大分子，它們的質心坐標可以根據分子的構象而變化。因此，RDF計算數據只是初步的證明。
圖2. 肽分子質心之間的徑向分布函數（RDF）。圖片來源：RCS Advance
另一種補充分子間相互作用研究的方法是計算體系中氫鍵的數量和分子間接觸的數量。表1A顯示了包含6個肽和藥物分子的體系的氫鍵的平均數。對于Aβ（25-35），氫鍵的數量并不因藥物的存在而有很大的變化。但是氫鍵并非聚集的唯一指標。藥物的存在會影響肽的水合作用。在Aβ與阿托伐他汀或克羅莫林的體系中，水和肽間的氫鍵少于單純的Aβ以及肽與洛伐他汀的體系。研究者對疏水部分的相互作用也進行了計算，阿托伐他汀最能減少Aβ的肽間和肽內接觸數量。其次為洛伐他汀，最后為克羅莫林。Aβ（31-35）的體系中，藥物的存在并未表現出明顯的對接觸的影響。
表1. 計算體系中分子之間/內的氫鍵數（A六分子體系.B 八分子體系）表格來源：RCS Advance
表1B所示， Aβ（25-35）體系中，阿托伐他汀和克羅莫林抑制肽內氫鍵，洛伐他汀則促進。肽-藥間氫鍵的趨勢則與6個分子的體系一致。水分子與肽的結合在與阿托伐他汀的體系中結合最多，與洛伐他汀的模擬體系中結合最少。在與洛伐他汀的體系中，肽間的接觸最少。
Aβ（31-35）的體系中，藥物存在時的肽間氫鍵數量要比肽單獨存在時多。在克羅莫林存在時，肽-水分子間氫鍵最少，而克羅莫林自身與Aβ結合最多。阿托伐他汀和克羅莫林減少了整體的肽-肽相互作用數量，而洛伐他汀不影響肽分離。
圖3顯示了6個肽和/或藥物分子的模擬系統。所有的藥物分子都有在水中形成聚集的傾向，但只有Aβ（25-35）在沒有任何藥物的情況下聚集，與實驗結果一致。此外，兩種肽都有聚集在藥物簇周圍的趨勢。當肽位于同一藥物簇表面時，其RDF可顯示在此處聚集，因為質心彼此靠近?！笆占奔毎拘訟β肽的能力可被認為是一種抗神經退行性疾病藥物的良好特性，因為這些肽聚集物被周圍的藥物分子抑制，不能進一步生長。
圖3.包含6個藥物分子和6個分子Aβ（25-35）/Aβ（31-35）的模擬系統。圖片來源：RCS Advance
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細胞毒性不僅與肽聚集有關。計算和實驗研究都證明，Aβ（31-35）是不會形成聚簇的肽。氨基酸殘基MET35的存在及其位置被認為是Aβ（25-35）和Aβ（31-35）毒性的原因。
圖4演示了氨基酸殘基之間的接觸總數如何隨藥物分子的存在而變化。在六分子模擬體系中，阿托伐他汀是模擬濃度下最有潛力分離Aβ（25-35）的藥物。此外，在與阿托伐他汀的混合物中，MET35的接觸總數明顯小于與其他兩種藥物。
在八分子體系中，洛伐他汀對Aβ（25-35）的分離效果更明顯，與表2的數據類似。此外，阿托伐他汀與MET35的接觸總數低于其他兩種藥物。
圖4. 最后250ns的模擬中氨基酸殘基與其他肽的接觸次數。圖片來源：RCS Advance
圖5為MET35與藥物分子之間質心的RDF。在Aβ（25-35）的6分子系統中，克羅莫林顯示出與MET35的聯系最強。在Aβ（31-35）的6分子模擬系統中，阿托伐他汀與MET35的結合略強于克羅莫林。在8分子Aβ（25-35）體系中，阿托伐他汀與MET35的結合明顯最強。在8分子Aβ（31-35）體系中，克羅莫林與MET35結合最強，阿托伐他汀和洛伐他汀則更弱。這可能與藥物的聚集相關。
圖5. MET35與藥物之間分子質心的徑向分布函數。圖片來源：RCS Advance
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多肽的二級結構
蛋白質和肽的二級結構明顯影響著它們在生物細胞中的功能。分子構象也在聚集、與某些分子結合等特征中發揮作用。
在Aβ（25-35）的模擬中，有些結構（如β-橋）與聚集相關，且數量很大。對于Aβ（31-35），二級結構的分布有明顯的差異，但也能看出二級結構與聚集的關系。盡管二級結構的改變會影響到聚集，但是很難從中獲取候選藥物最佳選擇的信息，只能得出每個藥物都會影響肽二級結構的結論。
圖6. 使用VMD軟件計算的最后250ns模擬中二級結構的數量。圖片來源：RCS Advance
平均力勢和自由能
隨后作者進行了自由能的計算，為肽的聚集過程提供了熱力學上的見解。自由能越低，分子聚集的可能性越高。這種結合可能性也能從平均力勢(PMF)看出：短距離上曲線在零值以下的深度越低，聚集的概率就越高。
結果表明（圖7），克羅莫林最能促進Aβ（25-35）肽間的結合，洛伐他汀則表現出抑制效果。對于Aβ（31-35）來說，趨勢類似，只是克羅莫林效果稍弱一些。?
圖7. PMF曲線。圖片來源：RCS Advance
候選藥物評分及選擇
多肽的細胞毒性是一種復雜的現象。確定一種潛在的候選藥物并不是一個簡單的過程，不能主要基于其抗聚集性。比如Aβ(31-35)有毒性，但不成簇。文章也從各個方面討論了毒性相關的問題，并將各方面進行評分比較，以選出最優候選藥物。候選藥物各方面評分如表2。
阿托伐他汀獲得了最高的綜合得分，但是其難以透過血腦屏障，洛伐他汀則可以。因此，綜合來說，洛伐他汀為最佳候選藥物。
另外，MD模擬時在不同分子體系中的影響也提醒研究者，濃度的微小變化可能會造成藥物對肽行為的不同影響，需要在體外、體內或臨床研究中考慮到濃度影響的問題。
表2. 藥物對肽的細胞毒性作用比較。表格來源：RCS Advance
結論
本文通過經典分子動力學和元動力學模擬，研究了克羅莫林、阿托伐他汀和洛伐他汀對Aβ肽細胞毒性的可能的有效機制。計算結果表明，最好的候選藥物是洛伐他汀。該藥物抑制肽聚集，在藥物簇表面吸附肽，改變其二級結構并與結合于MET35。此外，洛伐他汀也是一種具有最強穿透血腦屏障能力的藥物，使其成為三種研究藥物中最有前途的藥物。研究為后續的抗神經退行性疾病藥物的開發奠定了基礎。
參考文獻
Blomgren F, Rodin A, Chrobak W, Pacut DW, Swenson J, Ermilova I. Two statins and cromolyn as possible drugs against the cytotoxicity of Aβ(31-35) and Aβ(25-35) peptides: a comparative study by advanced computer simulation methods. RSC Adv. 2022 May 4;12(21):13352-13366. doi: 10.1039/d2ra01963a. PMID: 35520132; PMCID: PMC9066867.