新冠疫情肆虐，大量高龄老人因疫离世惹人揪心。在官方发布的通报中，帕金森病、阿尔茨海默症常作为去世老人的共患疾病出现。
随着人口老龄化加剧，衰老相关疾病日益受到关注，其中神经退行性疾病更是备受重视的焦点。阿尔茨海默症（AD）、帕金森病（PD）、肌肉萎缩性侧索硬化症（ALS）、多发性硬化症（MS）等都属于常见的神经退行性疾病。
这类疾病是由于大脑和脊髓的神经元逐渐退化所致，病情随着年龄增长不断恶化，最终导致患者失能、死亡。根据世界卫生组织（WHO）预测：到2040年，神经退行性疾病将取代癌症，成为人类第二大致死疾病[1]。
图注：去年热播的一档关注患有神经退行性疾病老人的公益节目《忘不了餐厅》
患病人数广、疾病负担大，致使人们不断推动神经退行性治疗药物开发进程。但攻克此类疾病一直都是药物开发领域“难啃的硬骨头”。目前的药物仅能减轻部分症状，却没有一种药物能够有效阻止神经细胞退行和死亡。
先前研究发现，发生神经退行的神经细胞中NAD+水平明显降低，引发轴突退化。而两种提升NAD+的策略可以防止轴突退化以保护神经细胞：一是，通过NAD+前体补充剂直接恢复NAD+水平；二是，过表达与NAD+合成相关的两种酶NAMPT和NMNAT以增强NAD+合成速率[2]。
NAD+的前体补充剂NMN和NR作为抗衰老食品补充剂在市场上热销，在动物模型中展现出对抗阿尔茨海默症、帕金森病等神经退行性疾病的潜力，相关临床试验也在紧锣密鼓地筹备中[2]。
而来自清华大学药学院的王戈林和唐叶峰团队盯上了人迹罕至的另一条道路——开发NAD+生物合成的限速酶，烟酰胺磷酸核糖基转移酶（NAMPT）的新型小分子激活剂（NATs），促进NAD+自身合成。
日前，这项工作取得了巨大进展，成果发表在《自然》杂志（Nature）子刊Cell Research上，引发大家关注[3]。
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细胞内的NAMPT是NAD+补救合成途径上的关键酶。NAD+与NAD消耗酶（Sirtuins、PARPs等）作用后，转化为烟酰胺（NAM）。NAMPT便可以把烟酰胺拾掇回来，“变废为宝”合成NMN，NMN再经NMNAT转化为人人都爱的NAD+ [4]。
也就是说，在NAMPT给力加持下，有可能实现NAD+的“自循环”。结合上衰老是NAD+消耗过多的结果这一背景[5]，激活NAMPT意味着对抗衰老，毫无疑问，也能对神经退行性疾病显效。
NAMPT就这样成为了清华团队的目标。可是，酶激活剂的发现极具挑战性。相较酶抑制剂，目前能够成功应用的酶激活剂寥寥无几（此处想到了被大卫·辛克莱的白藜芦醇，一种SIRT1激活剂，骗到“口出恶言”的药企GSK）。
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首先，清华团队从浩如烟海的50000多种化学物质中，筛选出了唯一能够强力激活NAMPT的分子，将其视作NAT（NAMPT强效激活剂）以备研究。
通过X射线衍射分析技术，研究人员解析了NAMPT与NAT的晶体结构，从原子水平观察到NAT钻入NAMPT催化口袋内部，促进烟酰胺和PRPP（嘌呤核苷酸的前体）缩合形成NMN（烟酰胺单核苷酸），提升NAMPT的催化效率。
然后，为了进一步提升NAT的效力和药理特性，研究人员对NAT进行了系统的分子结构修饰和优化。从5轮优化中合成的81种衍生物中，又选出了一种最活跃的衍生物NAT-5r（在NAT左侧A环上添加一个氰基）。
具体的优化修饰过程及构效关系研究，作为另一篇论文发表在了《欧洲药物化学》杂志[6]。
最后，研究人员用NAMPT的强力抑制剂FK866，对NAT-5r进行了“最终试炼”。在细胞培养基中添加FK866可使细胞内NAD+迅速消耗，导致细胞死亡，而施用NAT-5r可以保护细胞免受FK866的毒害。
NAT-5r完成所有“出厂检验”，作为NAMPT激活剂，即将迎接全新的挑战。
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在大剂量给药确定NAT-5r对细胞不存在毒性之后，研究人员开始利用碳14标记的烟酰胺，来检验NAT-5r能否提升细胞内NAD+合成速率。
结果发现，使用3μM浓度的NAT-5r培养细胞4小时后，细胞内NAD+水平便出现了显著升高，其程度分别与300μM的NMN和1mM的NR相当。
这意味着，NAT-5r提升NAD+的速率，是NMN的100倍，NR的333倍。
神经干细胞（NSC）是神经元和神经胶质细胞的终生来源。在缺乏生长因子的应激条件下，神经干细胞增殖停滞，此时往培养基中添加NAT-5r，发现它重新启动了神经干细胞的增殖。
而增大添加的NAT-5r的浓度达3μM，发现神经干细胞增殖受到抑制，开始转为向神经元或神经胶质细胞的分化。这种“钩子效应”同NMN相似，当NMN浓度超过300μM时，也会发生增殖向分化的转变，这可能与NAMPT过度激活有关。
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细胞实验告一段落，研究人员开始着手动物实验。
研究人员利用化疗药物紫杉醇诱导小鼠神经损伤以制造动物模型，化疗药物可大量消耗NAD+，损伤周围神经的轴突，其病理表现类似于神经退行性变。
在开始注射紫杉醇（PTX）的前1周，先给小鼠注射NAT和NAT-5r进行保护。
不出意料，施用NAT和NAT-5r后，神经细胞内NAD水平提升，甚至略高于未注射紫杉醇的空白对照组。
通过对小鼠坐骨神经进行组织学分析表明，3mg/kg和30mg/kg的NAT-5r均让小鼠免于化疗药造成的神经损伤，其效用与30mg/kg的NAT相当。
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使用小分子NAMPT激活剂，可使小鼠神经细胞得到保护，并且过程中没有发现任何毒副作用。这为神经退行性疾病的药物研发指明了方向。
此外，研究人员指出，相较于NMN和NR等营养补充剂，NAMPT激活剂具有以下4大优势：
· NAT-5r提升NAD+水平，比NMN和NR更高效（100倍/333倍）
· NAT-5r这一类小分子激活剂相较NMN和NR等前体具有更好的生物利用度，能够更快递送到组织并利用
· NAMPT小分子激活剂合成容易，成本很低，不会和NMN、NR一样成为富人独享的“不老药”
· NAMPT激活剂的作用在限速步骤上受到调节，能够更灵活地满足不同生理状态下细胞的需要
此项研究由清华大学药学院的王戈林教授和唐叶峰教授共同完成。王教授长期专注于神经保护药物开发，第一种能够激活NAMPT的小分子P7C3也是由她发现；唐教授在有机合成化学和药用化学领域有着很深的造诣，成功开发了大量药物合成新方法。双剑合璧，共同“挖掘”出了全新的NAT，并对其进行了理性的优化改造，为开发治疗神经退行性疾病的新药奠定了坚实基础。
—— TIMEPIE ——
参考文献
[1] Gammon, K. Neurodegenerative disease: Brain windfall. Nature. 2014; 515:299–300.
[2] Covarrubias AJ, Perrone R, Grozio A, et al. NAD+ metabolism and its roles in cellular processes during ageing. Nat Rev Mol Cell Biol. 2021;22(2):119-141.
[3] Yao H, Liu M, Wang L, et al. Discovery of small-molecule activators of nicotinamide phosphoribosyltransferase (NAMPT) and their preclinical neuroprotective activity. Cell Res. 2022 Apr 22. doi: 10.1038/s41422-022-00651-9.
[4] Bogan KL, Brenner C. Nicotinic acid, nicotinamide, and nicotinamide riboside: a molecular evaluation of NAD+ precursor vitamins in human nutrition. Annu Rev Nutr. 2008;28:115-30.
[5] Covarrubias AJ, Kale A, Perrone R, et al. Author Correction: Senescent cells promote tissue NAD+ decline during ageing via the activation of CD38+ macrophages. Nat Metab. 2021;3(1):120-121.
[6] Wang L, Liu M, Zu Y, et al. Optimization of NAMPT activators to achieve in vivo neuroprotective efficacy. Eur J Med Chem. 2022;236:114260. doi: 10.1016/j.ejmech.2022.114260.
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