关于牛磺酸抑制β-淀粉样蛋白聚集并减轻阿尔茨海默病病理研究项目的学术报告
近期，一项发表在《Biomedicine & Pharmacotherapy》期刊2025年第191卷上的研究，为阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）的治疗提供了新的候选药物与多靶点治疗思路。该研究由来自韩国全北大学、全北大学医院、国立全北大学齿科学院、公州大学及孟加拉国吉大港科技大学等多个机构的科研团队共同完成，主要作者包括Hyewon Lee、Muhammad Kamal Hossain、Hwa-Young Lee等，通讯作者为Minho Moon教授和Hyung-Ryong Kim教授。这项研究系统性地探索了天然存在的氨基酸磺酸——牛磺酸（Taurine）在AD中的治疗潜力，其综合运用了计算模拟、体外生化、细胞模型、转基因动物模型以及病人来源的脑类器官模型，堪称一项多平台整合的典范研究。
研究的学术背景与动机
阿尔茨海默病是一种进行性神经退行性疾病，主要病理特征包括细胞外β-淀粉样蛋白（Amyloid-beta, Aβ）斑块的积累、细胞内过度磷酸化的tau蛋白形成的神经原纤维缠结、神经炎症、神经元丢失以及成年海马神经发生（Adult Hippocampal Neurogenesis, AHN）受损。这些病理过程相互交织，形成恶性循环，加速疾病进展。例如，Aβ的聚集会引发tau蛋白过度磷酸化，而后者又反过来加剧Aβ的毒性。因此，能够同时靶向多个关键病理环节的治疗策略，被认为是开发有效疾病修饰疗法的重要方向。
牛磺酸是一种在哺乳动物中枢神经系统中含量丰富的氨基酸衍生物，参与维持细胞稳态、钙信号传导、渗透调节、抗氧化防御等多种生理功能，并具有显著的抗炎特性。值得注意的是，多项临床观察发现，AD患者大脑颞叶皮层和脑脊液中的牛磺酸水平显著低于健康对照，提示牛磺酸缺乏可能与AD病理相关。此前的一些临床前研究也表明，牛磺酸在多种AD动物模型中显示出改善认知功能、减轻Aβ负担和tau病理的潜力。然而，关于游离牛磺酸（即未经纳米载体包裹的天然形式）如何直接抑制Aβ聚集的具体分子机制，以及其在广泛使用的5xFAD小鼠模型和更贴近人类疾病的患者来源模型中的确切疗效，尚未得到充分阐明。特别是，有研究关注牛磺酸的其他作用时，并未观察到其对Aβ沉积的显著影响。因此，本研究旨在填补这些知识空白，通过多维度的实验平台，明确游离牛磺酸的抗淀粉样蛋白活性和神经保护作用，评估其作为AD多靶点治疗候选药物的潜力。
详细的研究流程与方法
本研究采用了严谨的“从分子到组织，再到类器官”的多层次验证策略，具体工作流程如下：
体外生化与结构分析（In Vitro）：
- 研究对象与样本： 合成的人源Aβ42肽段。
- 实验方法：
- 硫黄素T（ThT）荧光测定： 评估不同浓度（10–100 μM）的牛磺酸对Aβ42纤维形成动力学的影响。将新鲜制备的Aβ42与牛磺酸或阳性对照物莫林（Morin）混合，加入ThT染料，在37°C孵育3小时，实时监测荧光强度变化，以量化纤维聚集程度。所有实验均设置三重复。
- 透射电子显微镜（TEM）分析： 直观观察牛磺酸对Aβ42聚集体形态的影响。将Aβ42与不同浓度牛磺酸孵育48小时后，取样进行负染色，在Hitachi H-7650 TEM下观察并拍摄代表性图像（放大倍数25,000×至50,000×），分析纤维的密度和形态。
- 数据与工作流分析： 通过GraphPad Prism软件进行统计分析，比较不同处理组间ThT荧光强度曲线下面积或特定时间点的荧光值，以及TEM图像中观察到的结构差异。
计算模拟（In Silico）：
- 研究对象： Aβ肽段的不同三维结构（来自PDB数据库：2BEG, 2NAO）以及牛磺酸分子（来自PubChem数据库）。
- 实验方法：
- 分子对接模拟： 使用Discovery Studio 2024软件中的CDOCKER模块，将牛磺酸与四种Aβ结构进行半柔性对接，包括五聚体β-折叠片段（Aβ17–42）、全长单体（Aβ1–42）以及两个关键疏水片段（Aβ29–42和Aβ16–24）。计算结合能（CDOCKER能量、相互作用能、配体内能），并分析具体的分子相互作用（如氢键、电荷吸引）。
- 分子动力学模拟： 聚焦于牛磺酸与Aβ17–42二聚体（2BEG）的相互作用。以未结合牛磺酸的二聚体为对照，进行为期10,000皮秒（ps）的模拟。使用CHARMMM力场，在模拟水环境中执行标准动力学级联（能量最小化、加热、平衡、生产阶段）。分析轨迹的总能量变化、关键时间点的结构快照，以及主链的均方根偏差（RMSD），以评估复合物的稳定性和构象变化。
- 数据与工作流分析： 通过软件内置工具计算能量值和RMSD，生成2D/3D相互作用图和能量/RMSD随时间变化的曲线，判断结合稳定性和潜在的促解离效应。
细胞水平验证（In Vitro Cellular）：
- 研究对象： HT22小鼠海马神经元细胞系（ATCC来源），传代17-22次。
- 实验方法与样本量： 将HT22细胞接种于96孔板，预孵育不同浓度牛磺酸（12.5–100 μM）30分钟后，加入预聚集的Aβ42（10 μM）处理24小时。使用MTT法检测细胞活性。实验设置至少三重复。
- 数据与工作流分析： 测量570 nm处吸光度，计算相对于对照组的细胞存活率百分比，并进行统计学比较。
动物模型验证（In Vivo）：
- 研究对象： 3月龄雌性5xFAD转基因小鼠及其野生型同窝小鼠。动物伦理审查编号：JBuh-IACUC-non2024–107–001。
- 分组与处理（样本量）：
- 野生型对照组（WT，n=6）
- 5xFAD模型组（Vehicle-treated，n=5）
- 牛磺酸治疗组（Taurine-treated，n=6）
- 实验方法：
- 给药方案： 牛磺酸溶解于水，以1000 mg/kg/天的剂量（基于前期研究的安全有效剂量）对5xFAD小鼠进行连续4周的口服灌胃，对照组给予溶剂。
- 组织处理与免疫荧光染色： 给药结束后，灌注取脑，固定、蔗糖脱水、冰冻切片（30 μm厚）。选取海马背侧下托（评估Aβ、tau、小胶质细胞、神经元）和齿状回颗粒下区（评估神经发生）的连续脑片。
- 抗体与定量： 使用以下一抗进行免疫荧光染色：4G8（识别Aβ）、AT8（识别磷酸化tau Ser202/Thr205）、Iba-1（标记小胶质细胞）、NeuN（标记成熟神经元核）、DCX（标记未成熟神经元，反映神经发生）。使用共聚焦显微镜（Zeiss LSM 700）成像，ImageJ软件定量分析：4G8、AT8、Iba-1的免疫阳性面积百分比；背侧下托NeuN阳性细胞数（个/mm²）；齿状回颗粒下区DCX阳性细胞数（个/长度）。
- 数据与工作流分析： 所有分析在盲法下进行。使用GraphPad Prism进行单因素方差分析（ANOVA）及事后检验（Tukey’s或Fisher’s LSD），比较组间差异。
患者来源模型验证（Ex Vivo）：
- 研究对象： 人诱导多能干细胞（iPSC）衍生的脑类器官（Cerebral Organoids）。使用两种基因型iPSC：APOE ε3/ε4（对照）和APOE ε4/ε4（高风险AD模型），分别在第13-17代和第57-59代使用。
- 实验方法与样本量：
- 类器官生成： 参照Park等人（2020）的方案进行优化，从iPSC形成胚状体，在无血清神经培养基中分化60天，以获得结构相对成熟的脑类器官。
- 药物处理： 将60天龄的APOE ε4/ε4类器官用不同浓度牛磺酸（1, 10, 100 μM）处理24小时。每个处理条件使用10个独立的类器官进行重复。
- 免疫荧光分析： 处理后，类器官固定、蔗糖脱水、冰冻切片（20 μm）。使用4G8、AT8、NeuN、SOX2等抗体进行染色，共聚焦显微镜成像。定量分析4G8和AT8的免疫荧光积分密度。
- 数据与工作流分析： 在每个分化批次中，基于形态、标志物表达和染色质量进行质量控制，最终每组选取5-8个高质量类器官进行定量统计分析。
主要研究结果
牛磺酸直接抑制Aβ42的纤维化与聚集： ThT实验显示，所有测试浓度的牛磺酸均能显著抑制Aβ42纤维形成过程中的荧光强度增长，表明其抑制聚集的效应。TEM图像提供了直观证据：与对照组形成的致密、有序的纤维结构相比，牛磺酸处理组（尤其是80和100 μM）的Aβ聚集体更稀疏、形态更不规则、呈无定形，与阳性对照莫林的效果类似。这证实了牛磺酸能直接干扰Aβ的病理性组装。
计算模拟揭示稳定的结合与潜在的促解离作用： 分子对接显示，牛磺酸能够与多种Aβ结构稳定结合，结合能有利，并通过氢键和电荷相互作用与关键氨基酸残基（如Asp23, Glu22, Val36等）结合。分子动力学模拟提供了更深层的见解：虽然牛磺酸-Aβ17–42二聚体复合物的总能量稳定，但在模拟后期（8000和10000 ps），结构快照观察到二聚体界面的解离，而对照（无配体）二聚体始终保持稳定。RMSD分析表明复合物在大约850 ps后达到结构平衡并保持稳定。这提示牛磺酸不仅结合Aβ，还可能通过诱导构象不稳定来促进早期寡聚体或二聚体的解离，从而阻断后续更大的聚集体的形成。
牛磺酸保护神经元免受Aβ诱导的细胞毒性： 在HT22细胞模型中，预聚集的Aβ42导致细胞活力下降约50%。而预先用牛磺酸（50和100 μM）处理，能剂量依赖性地显著恢复细胞活力，证明其抗聚集活性在细胞水平转化为了直接的神经保护作用。
牛磺酸在5xFAD小鼠模型中产生多靶点治疗效益：
- 减少Aβ沉积： 在背侧下托，牛磺酸治疗组小鼠的4G8免疫阳性面积显著低于溶剂治疗的5xFAD模型组。
- 减轻tau过度磷酸化： 在同一脑区，牛磺酸治疗显著降低了AT8（识别磷酸化tau Ser202/Thr205）的免疫阳性信号。
- 抑制神经炎症： 牛磺酸治疗显著减少了小胶质细胞标志物Iba-1的免疫阳性面积，表明其能减轻由Aβ和tau病理触发的神经炎症反应。
- 保护神经元免受死亡： 牛磺酸治疗组背侧下托的NeuN阳性神经元数量显著多于模型组，接近野生型水平，显示了明确的神经保护作用。
- 改善成年海马神经发生： 在齿状回颗粒下区，模型组的DCX阳性细胞数量减少，而牛磺酸治疗使其显著增加，表明牛磺能恢复AD模型中受损的神经再生能力。
牛磺酸在病人来源的APOE ε4/ε4脑类器官中有效： 成功构建的APOE ε4/ε4脑类器官再现了AD关键病理：与APOE ε3/ε4对照类器官相比，其表现出显著的Aβ沉积和tau过度磷酸化。更重要的是，牛磺酸处理（24小时）能够剂量依赖性地显著降低这些类器官中Aβ和磷酸化tau的水平，证明了其在人类遗传背景相关模型中的治疗潜力。
研究结论与价值
本研究得出明确结论：牛磺酸通过多种机制发挥对抗AD病理的多靶点治疗作用。其作用涵盖：直接抑制Aβ的初始聚集和纤维形成；可能通过间接机制（如减轻Aβ毒性或神经炎症）来降低tau蛋白的过度磷酸化；抑制小胶质细胞过度活化，减轻神经炎症；保护现有神经元免于死亡；并促进海马区的神经发生，可能有助于认知功能的恢复。尤其重要的是，这些效应在携带最强散发性AD遗传风险因子APOE ε4/ε4的患者来源脑类器官中得到验证，极大地增强了研究结果的临床相关性和转化潜力。
本研究的科学价值在于： 1. 机制阐释： 首次通过综合计算、生化和形态学方法，详细阐明了游离牛磺酸直接干预Aβ聚集的分子机制（稳定结合并可能促进早期寡聚体解离），并将其与下游的细胞保护、动物模型和类器官模型中的多病理环节改善联系起来，构成了一个完整的证据链。 2. 模型创新与验证： 创新性地将病人来源的APOE ε4/ε4脑类器官作为关键验证平台，使研究发现超越了传统动物模型的局限性，更贴近人类疾病的复杂遗传背景和病理环境。 3. 治疗策略启示： 强有力地支持了“多靶点干预”策略对于AD这类复杂疾病的重要性。牛磺酸作为一种内源性、安全性高、且已知能透过血脑屏障的物质，展示了同时打击疾病多个核心环节的可行性，为开发新型疾病修饰疗法提供了极具吸引力的候选分子。
研究亮点
- 多层次、多平台的综合性研究设计： 从分子模拟到体外生化、细胞、动物模型，再到前沿的病人来源类器官模型，构建了极其坚实且递进的证据体系。
- 对游离牛磺酸直接抗Aβ聚集机制的新见解： 分子动力学模拟提示其可能具有促进Aβ二聚体解离的作用，这是一个新颖的发现。
- 在5xFAD模型中系统验证了对AHN的改善作用： 将牛磺酸的益处延伸至神经再生领域，为解释其改善认知的功能提供了新的可能机制。
- 成功应用并验证了APOE ε4/ε4脑类器官这一转化医学利器： 不仅证明了该模型能模拟AD关键病理，更在其中验证了牛磺酸的疗效，是本研究的一大亮点和优势。
- 明确的转化医学前景： 研究终点落在了人类疾病相关模型上，且牛磺酸本身具有良好的安全性背景，使得从基础研究发现向临床应用的路径显得更为清晰和直接。
这项由韩国多个研究团队合作完成的工作，通过精湛的实验设计和严谨的数据分析，充分揭示了牛磺酸作为AD多靶点治疗候选药物的巨大潜力，为后续的机制深化研究、剂量优化探索以及最终的临床转化试验奠定了坚实的基础。