一种代谢稳定的第二代SERCA2a SUMO化增强剂可改善心力衰竭患者的心脏功能

《Journal of Molecular and Cellular Cardiology》：A metabolically stable second-generation SERCA2a SUMOylation enhancer improves cardiac function in heart failure

　　

摘要

研究目的

肌浆/内质网Ca²⁺-ATP酶（SERCA2a）的SUMO化作用受损是心力衰竭患者钙循环异常及收缩功能障碍的重要原因。尽管N106曾被认定为首个可增强SERCA2a SUMO化作用的小分子物质，但其较差的代谢稳定性及短暂的半衰期限制了其临床应用的发展。本研究旨在开发SC023，这是一种具有更好药代动力学特性和治疗效果的第二代类似物。

方法与结果

通过对100种类似物的结构-活性关系筛选，SC023被确定为最佳候选物。在体外实验中，SC023的SUMO E1水解活性比N106高1.5倍，且能在离体成年心肌细胞中呈剂量依赖性地增强SERCA2a的SUMO化作用、收缩功能以及钙离子处理能力。与N106相比，SC023的代谢稳定性显著提高，在人类肝细胞中的半衰期长2.7倍，在小鼠体内的口服半衰期则长14.4倍。在鼠类主动脉缩窄模型中，持续一个月口服SC023可显著恢复左心室收缩功能，并减轻不良的心脏重构现象。从机制上来看，SC023作用于SUMO E1酶，从而触发SERCA2a的自身SUMO化作用，而不影响其他与SUMO相关的调控酶。此外，安全性检测表明，SC023的脱靶效应较低，不存在N106所具有的腺苷A2A受体和5-羟色胺5-HT2B受体抑制作用。

结论

SC023是一种高效且代谢稳定的第二代SERCA2a SUMO化作用增强剂，能够克服N106在药代动力学和安全性方面的缺陷。通过持续增强SERCA2a的SUMO化作用，SC023为恢复心力衰竭患者的钙平衡及心脏功能提供了一种极具前景的治疗策略。

引言

目前约有6400万人被诊断出患有心力衰竭，这一疾病对全球的发病率和死亡率有着重大影响，尽管医学领域已取得诸多进展[1]。在美国，预计每五个人中就有一人会在其一生中患上心力衰竭。心力衰竭患者在确诊后的五年内死亡率为50%[2]。此外，心力衰竭还会带来巨大的经济负担，全球每年用于治疗心力衰竭的费用超过1080亿美元[3]。

诸如β受体阻滞剂[4]、[5]、血管紧张素转换酶抑制剂[4]、[5]、沙库巴曲/缬沙坦[6]、钠-葡萄糖共转运蛋白2（SGLT2）抑制剂[7]、[8]以及维利西呱[9]等药物，已有效降低了心力衰竭相关死亡的发生率，并减少了患者住院的频率。然而，现有的治疗策略大多直接或间接针对神经激素激活途径，而且SGLT2抑制剂所带来的心血管益处的具体机制仍不明确。鉴于心力衰竭的复杂性，人们越来越需要寻找新的靶点以及创新的治疗策略来有效应对这一疾病。

细胞内Ca²⁺的处理和循环异常可能导致心力衰竭患者出现收缩功能障碍[10]。目前已有研究致力于通过改善肌浆/内质网Ca²⁺-ATP酶（SERCA2a）的功能来增强心脏收缩力，该酶在将超过70%的细胞质Ca²⁺转运到肌浆网方面起着关键作用[10]、[11]。

在我们之前的研究中，发现SUMO化作用在SERCA2a的功能以及整体心脏性能中发挥着重要的调节作用[12]。小泛素样修饰因子1（SUMO1）的SUMO化作用可通过提升SERCA2a的ATP酶活性及其稳定性来实现双重增强效果。在心力衰竭患者及动物模型中，均观察到了SUMO1蛋白水平下降以及SERCA2a的SUMO化作用减弱的趋势[12]。在后续研究中，通过心脏靶向腺相关病毒9介导的短发夹RNA技术敲低SUMO1后，SERCA2a的表达和活性均有所下降；不过，通过基因递送恢复SUMO1表达后，压力过载小鼠的心脏功能障碍及存活率均得到了改善[12]。SUMO1还能保护SERCA2a免受过氧化氢诱导的氧化应激以及心肌细胞肥大刺激的影响[13]。此外，在临床相关的猪心力衰竭模型中，SUMO1基因转移也带来了心脏功能的改善，进一步证明了其积极作用[14]。

鉴于SUMO化作用在SERCA2a介导的心脏功能中的作用以及其在临床前动物模型中展现出的治疗潜力，近年来人们开始探索小分子药物疗法。通过全面的生化分析，人们发现了N106这种首个可用于增强SERCA2a SUMO化作用的药物[15]。在鼠类模型中，人们对N106的体内急性疗效、药代动力学特性、特异性以及初始安全性进行了评估。N106可通过直接激活SUMO特异性激活酶（SUMO E1）来触发SERCA2a的自身SUMO化作用。虽然N106在改善心脏功能方面展现了概念验证层面的有效性，但其较差的药代动力学特性限制了其临床应用前景[15]。具体而言，N106的半衰期极短（口服给药后的半衰期小于20分钟），因此不适合用于长期临床治疗。

为克服这些局限性，通过结构-活性关系研究，人们开发出了SC023这种第二代SERCA2a SUMO化作用增强剂。SC023在设计时保留了能够激活SUMO E1的核心结构，同时提升了其代谢稳定性及靶点特异性，因此与N106相比，它的吸收、分布、代谢和排泄特性以及体内药代动力学表现均有改善。更重要的是，与N106相比，SC023的脱靶效应更少。此外，在心力衰竭鼠类模型中进行的疗效测试显示，SC023既具有急性作用，也具有慢性作用。本研究表明，口服SERCA2a SUMO化作用增强剂可改善心力衰竭鼠类模型中的心脏功能障碍。这些研究结果表明，SC023是一种更具可行性、更易于应用于临床的治疗策略，可用于治疗慢性心力衰竭。

章节节选

方法

详细的实验方案见补充材料。

作为优化版的N106类似物的SC023

N106含有5-甲氧基-2-氨基苯并噻唑核心结构，其2-氨基位置被5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基团取代，而5-苯基片段上则带有4-甲氧基团（见图1A）。尽管N106具有较好的效果，但由于其甲氧基团会迅速发生代谢，导致其在血浆中的半衰期较短，这限制了其在慢性心力衰竭治疗中的应用潜力[15]。

为克服这些药理学上的难题，我们设计并合成了新的N106类似物，旨在提升其代谢抗性，同时

讨论

通过药理学手段增强SERCA2a的SUMO化作用，为恢复心力衰竭患者的钙平衡及收缩功能提供了一种有前景的方法。在本研究中，我们证明了在体内对SERCA2a的SUMO化作用进行药理学调控是可行的，且这一调控作用可在足够长的时间内发挥急性和慢性功能益处。在N106被认定为首个此类化合物的基础上[15]，我们进一步开发出了SC023，这是一种具有更好性能的第二代SERCA2a SUMO化作用增强剂，其

CRediT作者贡献说明

Ahyoung Lee：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，监督，资源提供，项目管理，方法设计，实验研究，资金获取，数据整理，概念构思。Jae Gyun Oh：验证，方法设计，实验研究，数据整理。Shinichi Mitsuyama：方法设计，实验研究，数据整理。Hui Wang：方法设计，实验研究。Hayeong Kwon：方法设计，实验研究。Dongtak Jeong：方法设计，实验研究。Kiyotake Ishikawa：资源提供，

关于写作过程中使用生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明

在撰写本手稿的过程中，未使用任何人工智能辅助技术。

资助情况

本研究得到了美国国立卫生研究院（R42 HL132684-01）以及由韩国政府资助的韩国国家研究基金会项目（编号为RS-2024-00339639和RS-2022-NR067525）的支持。

利益冲突声明

所有作者均声明，他们与本文内容无关的任何利益关系均无需披露。

致谢

我们衷心感谢Russell Dahl在小型分子设计初期阶段给予我们的宝贵指导。

Ahyoung Lee|Jae Gyun Oh|Shinichi Mitsuyama|Hui Wang|Hayeong Kwon|Dongtak Jeong|Kiyotake Ishikawa|Robert J. DeVita|Roger J. Hajjar|Changwon Kho

韩国浦项国立大学韩医学院，韩国阳山