Cell?|?西地那非（偉哥）有望治療Leigh綜合征

撰文 |咸姐

Leigh綜合征（LS）是一種嚴重且目前無藥可治的線粒體疾病，其由核基因或線粒體DNA（mtDNA）中超過100種基因的致病性變異所引起，這些基因多參與氧化磷酸化過程，導致細胞能量工廠——線粒體功能失調。患者通常在嬰幼兒期發病，表現為神經發育倒退、肌無力、代謝危象，并在早年死亡。盡管已知多種基因如MT-ATP6、SURF1和NDUFS4的突變與LS相關，但長期以來，有效的治療手段嚴重匱乏，其主要障礙在于缺乏能夠真實模擬人類疾病、特別是mtDNA缺陷的臨床前模型。傳統動物模型，如Surf1基因敲除小鼠，未能復現人類LS的核心神經表型；而廣泛使用的Ndufs4基因敲除小鼠雖能模擬部分癥狀，但基于此模型提出的多種干預策略（如抗氧化劑、雷帕霉素等）在后續臨床試驗中均未取得成功【1,2】。近年來，基于患者來源誘導多能干細胞（iPSC）的新型方法學為疾病機制研究和藥物篩選提供了新希望。先前研究已利用LS患者的iPSC分化出的神經細胞或腦類器官，揭示了神經元生長缺陷、鈣穩態異常及皮質發育受損等病理特征【3】。然而，大規模、系統性的藥物篩選在iPSC來源的線粒體疾病模型中尚未開展。

來自德國杜塞爾多夫大學醫院的Alessandro Prigione團隊前期發現，攜帶MT-ATP6突變的LS神經前體細胞（NPC）表現出線粒體膜電位（MMP）異常超極化，這一穩定且可量化的表型為高通量藥物篩選提供了理想靶點。基于此，近日，該團隊于在Cell上在線發表題為Pluripotent stem-cell-based screening uncovers sildenafil as a mitochondrial disease therapy的文章，在LS患者來源的iPSC的神經細胞中，篩選了一個包含5,632種可進行藥物再利用的化合物文庫，利用患者來源的2D和3D模型確定了磷酸二酯酶5型抑制劑（PDE5i）西地那非為一種可被“老藥新用”的藥物候選物，其能夠在哺乳動物模型中延長壽命，并改善六名 LS患者的臨床癥狀，從而填補了LS治療領域的空白。

研究人員利用7名攜帶不同MT-ATP6突變的LS患者來源的NPC所呈現的MMP超極化表型，篩選了一個包含5,632種可再利用化合物的文庫。通過建立基于四甲基羅丹明甲酯（TMRM）強度的活細胞高內涵分析（HCA），他們識別出能將該超極化MMP恢復至接近正常水平的輕度解偶聯劑，并從中鑒定出兩種PDE5i，即T-0156和鹽酸伐地那非，兩者均能在不造成細胞活力損失的情況下劑量依賴性地使MMP去極化。基于兒科用藥安全性，研究人員優先選擇了西地那非。實驗證實，西地那非同樣能劑量依賴性地使來自不同MT-ATP6變異類型的LS NPC的MMP實現約16%的去極化，同時增加細胞內ATP水平、恢復mtDNA拷貝數并改善NAD+/NADH比值。此外，超分辨率顯微成像顯示西地那非還能部分逆轉LS NPC中的線粒體嵴結構缺陷。這些發現確立了西地那非作為一種能夠改善多種線粒體相關表型的候選藥物。

隨后，研究人員通過多組學分析來探究西地那非的作用機制。結果顯示，LS的疾病特征涉及神經系統發育、軸突生長及線粒體功能等通路，而西地那非處理可逆轉33.5%的失調分子，并影響相似的神經發育和電子傳遞鏈通路。西地那非能夠上調神經發育相關基因（如HOXA5、DBX1）和保護性蛋白BAG4，并使腦能量代謝物（肌酸、半胱氨酸）趨于正常。通過多組學網絡，研究人員還鑒定出20個推定靶基因，其中HOXA5和PDE5下游關鍵激酶PRKG1最為突出。同時，西地那非可隨時間動態調控多個與增殖、突觸形成、神經炎癥及糖代謝相關的靶基因表達。這些結果表明，西地那非通過調節神經發育相關通路和特定基因網絡，有效逆轉了LS的疾病分子特征。

進一步地，研究人員利用兩種不同方案生成的皮層腦類器官模型，探究了西地那非對人類神經發育的影響。結果顯示，攜帶MT-ATP6突變的LS腦類器官出現了神經源性區域形成受損、早期神經元與神經祖細胞比例改變等神經發育缺陷。通過單細胞核RNA測序分析，研究人員識別出多個受影響的細胞群體，并發現LS類器官中神經祖細胞和未成熟神經元群體的比例發生改變。重要的是，西地那非處理能夠糾正這些細胞群體的比例失衡，特別是對神經祖細胞群體產生顯著影響，部分恢復了LS類器官中異常的細胞組成。此外，轉錄組分析也支持了西地那非對神經發育相關通路的調節作用。這些發現表明，西地那非通過作用于神經祖細胞群體，改善了LS腦類器官模型中的神經發育缺陷。與此同時，利用皮層腦類器官切片進行活細胞鈣成像，研究人員發現LS腦類器官在急性代謝應激下表現出異常增強的鈣信號，而西地那非預處理可顯著降低該鈣信號反應。在LS NPC中，西地那非同樣能減少由寡霉素誘導的鈣信號升高。機制研究顯示，cGMP類似物可模擬西地那非對MMP的恢復作用，而PRKG1抑制劑則能阻斷該效應，表明西地那非通過PDE5-cGMP-PRKG1通路發揮作用。值得一提的是，在SURF1突變的NPC中，盡管其MMP表現為去極化而非超極化，西地那非依然能夠恢復其MMP，提示其作用可能不限于特定MMP改變類型。此外，西地那非顯著促進了多種LS突變神經元的神經突生長。PRKG1在LS神經元中表達下調，而敲低對照神經元中的PRKG1可模擬LS神經元的神經突生長缺陷，表明PRKG1在此過程中發揮關鍵作用。這些結果共同闡明西地那非通過調控PDE5-cGMP-PRKG1信號通路，同時改善了LS神經模型的鈣穩態異常和神經突生長能力。

基于以上發現，研究人員評估了西地那非在動物模型中的體內療效及其血腦屏障（BBB）穿透能力。在Ndufs4基因敲除小鼠模型中，西地那非治療顯著延長了LS小鼠的壽命，改善了肌無力、共濟失調和能量代謝缺陷，并減少了小腦和腦干中活化的caspase-3陽性細胞和Iba1陽性小膠質細胞，且改善了浦肯野細胞的丟失。在更接近人類病理的SURF1基因敲除豬模型中，西地那非同樣改善了新生LS仔豬的活動力和吸吮行為，幫助其度過圍產期并延長生存期，同時恢復了神經前體細胞標志物和復合物IV的活性。在大部分治療動物中，基底節區降低的PRKG1蛋白水平也得到恢復。此外，利用LS患者iPSC分化的BBB模型證實，西地那非及其臨床制劑能夠有效穿透LS患者的BBB。這些體內實驗數據共同表明，西地那非在哺乳動物LS模型中具有治療潛力，并具備中樞神經系統給藥所需的關鍵穿透能力。

最后，研究人員基于西地那非在兒科疾病中的已知安全性，對六名攜帶MT-ATP6基因變異的LS患者開展了西地那非的個體化標簽外治療。參考兒科肺動脈高壓的用藥劑量，患者接受了低至中劑量的西地那非治療，其平均血藥濃度約1 μM，接近體外實驗的有效濃度。經過6個月治療，除一名患者因皮疹停藥外，其余五名患者均耐受良好。在臨床改善方面，患者的運動功能、肌力、吞咽能力和運動耐量得到提升，代謝危象的發生頻率顯著減少，部分患者甚至恢復了獨立呼吸和行走能力。尤其值得注意的是，兩名患者停藥后癥狀復發，重新用藥后再次改善，為療效提供了有力證據。由此表明，西地那非作為一種可口服、安全性相對較好的藥物，能夠顯著改善特定基因型LS患者的臨床癥狀和生活質量。

綜上所述，本研究通過整合患者來源的iPSC模型、多組學分析、動物實驗及初步臨床觀察，系統地揭示了PDE5i西地那非作為治療LS的候選藥物的潛力。西地那非不僅能糾正線粒體功能、改善鈣穩態和神經發育缺陷，還能在動物模型中延長壽命，并在六名患者中顯示出初步的臨床獲益。這些發現為線粒體疾病的藥物再利用提供了重要范例，并為后續的臨床試驗奠定了基礎。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.02.008

制版人： 十一

參考文獻

1. Baertling, F., Rodenburg, R.J., Schaper, J., et al. (2014). A guide to diagnosis and treatment of Leigh syndrome.J. Neurol. Neurosurg.Psychiatry85, 257–265.

2. Henke, M.T., Prigione, A., and Schuelke, M. (2024). Disease models of Leigh syndrome: From yeast to organoids.J. Inherit. Metab. Dis.47, 1292–1321.

3. Tolle, I., Tiranti, V., and Prigione, A. (2023). Modeling mitochondrial DNA diseases: from base editing to pluripotent stem-cell-derived organoids.EMBO Rep. 24, e55678.

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