《Results in Chemistry》：Beta-secretase (BACE1) inhibitor as a therapeutic approach for Alzheimer's disease through computational chemistry-based approaches
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阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）的近期病因理论涉及淀粉样肽（Aβ）的沉积，该肽段由β-分泌酶（BACE1）切割Aβ前体蛋白（APP）产生，随后BACE1亦发生自身切割。由于BACE1调控Aβ蛋白的产生，其被认为是开发抑制Aβ生成治
阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）的近期病因理论涉及淀粉样肽（Aβ）的沉积，该肽段由β-分泌酶（BACE1）切割Aβ前体蛋白（APP）产生，随后BACE1亦发生自身切割。由于BACE1调控Aβ蛋白的产生，其被认为是开发抑制Aβ生成治疗药物的合理靶点。近期对正常及患病人类大脑中BACE1的测定研究揭示，BACE1属于I型膜天冬氨酸蛋白酶的新类别。靶向与AD相关的蛋白（如tau蛋白病理和胆碱能缺陷）可改变AD病程并改善认知功能。因此，目前可用于治疗AD的药物疗法效果并不显著，且由于缺乏有效疗法来预防AD的最终发展，现有药物的临床结局极差。研究人员利用分子对接和分子动力学模拟创建了新抑制剂。同时，分别采用Lipinski规则和ADMET分析评估了每个分子的药代动力学（PK）和药物相似性特征。在分子对接研究中，与对照化合物Lanabecestat以及本分析中评估的其他化合物相比，牛蒡子苷元（Arctigenin）显示出对BACE1蛋白最高的预测结合亲和力，并且分子动力学变异性更低。所有体系在分子动力学模拟中的个体RMSD、RMSF、Rg、SASA和氢键结果均表现稳定。Arctigenin与BACE1的PCA和FEL分析结果令人瞩目，表明有必要开展进一步研究，以通过体内和体外模型评估Arctigenin的药理学相似性、PK特征及其作为AD治疗药物的潜力。
**论文解读：基于计算化学方法的BACE1抑制剂筛选及其在阿尔茨海默病治疗中的潜力**
阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是最常见的痴呆形式，以细胞外淀粉样斑块沉积、神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles, NFT）、慢性炎症、突触丢失及神经元退行性变等为特征。β-分泌酶（beta-site amyloid precursor protein cleaving enzyme-1, BACE1）催化淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein, APP）的限速切割，是生成致病性淀粉样β肽（amyloid beta, Aβ）的关键酶。Aβ特别是Aβ42片段聚集形成老年斑，导致神经元死亡和认知障碍。因此，BACE1成为AD干预的合理靶点。然而，现有BACE1抑制剂在临床试验中表现不佳，如Verubecestat和Lanabecestat未能改善认知功能，反而引发跌倒、睡眠障碍、自杀意念、体重下降等不良反应。其失败原因包括对BACE1生理功能认识不足、药代动力学欠佳、选择性缺乏及毒性等。天然产物及其衍生物因其结构多样性、低毒性和高疗效，成为开发BACE1抑制剂的重要来源。计算辅助药物设计（computer-aided drug design, CADD）为高效筛选和优化先导化合物提供了有力工具。研究人员希望通过分子对接、分子动力学模拟和结合自由能计算，从天然化合物中发现具有潜力的BACE1抑制剂。
本研究采用基于结构的虚拟筛选策略，对39种天然化合物进行初步分子对接，结合ADMET预测和药物相似性评估，将结合亲和力高且符合药理学标准的候选化合物进一步分析。最终选出3种天然化合物——牛蒡子苷元（Arctigenin）、补骨脂二氢黄酮（Bavachinin）和血根碱（Sanguinarine），并以已知BACE1抑制剂Lanabecestat作为阳性对照，开展分子动力学模拟、主成分分析、自由能形貌分析和MM-PBSA结合自由能计算。
研究结果显示，在初筛中，Arctigenin、Bavachinin和Sanguinarine均与BACE1（PDB ID: 2WJO）表现出较强的结合亲和力。经ADMET和Lipinski规则过滤后，Rivulobirin-A和Querciturone虽具有更低的对接能，但因不符合药物相似性规则而被排除。最终进入深入研究的Arctigenin、Bavachinin和Sanguinarine在理化性质和药代动力学方面均满足要求。在AutoDock 4.2的精细对接中，Arctigenin结合能为?10.5 kcal/mol，高于Lanabecestat（?8.75 kcal/mol）、Bavachinin（?10 kcal/mol）和Sanguinarine（?7.25 kcal/mol）。Arctigenin与BACE1活性位点的Asp32、Ser35和Trp76残基形成三个氢键，并与催化残基Asp32和Asp228存在关键相互作用，同时表现出最多的π–π堆积和疏水接触。200 ns分子动力学模拟中，Arctigenin复合物的RMSD（0.167 nm）、RMSF（0.11 nm）、Rg（2.14 nm）和SASA（175 nm2）均保持稳定，且BACE1-Arctigenin体系的氢键数目最高。距离和接触数分析表明，Arctigenin与蛋白之间维持紧密且稳定的接触（平均接触数2057）。MM-PBSA计算显示，BACE1-Arctigenin复合物的总结合自由能为?156.89 kJ/mol，显著低于Lanabecestat（?146.7 kJ/mol）、Bavachinin（?88.37 kJ/mol）和Sanguinarine（?104.11 kJ/mol）。主成分分析（PCA）显示Arctigenin结合导致蛋白运动范围受限且呈现明确簇集轨迹，自由能形貌（FEL）分析进一步表明BACE1-Arctigenin复合物达到单一且稳定的全局最小能量态，未出现异常去折叠。
讨论部分指出，既往研究表明多种天然产物通过计算手段被鉴定为潜在BACE1抑制剂，本研究结果与此一致。Arctigenin此前已有实验证据显示可降低BACE1表达和Aβ生成，并改善AD小鼠模型的记忆功能。其神经保护机制涉及抑制NLRP3炎症小体、调节AKT/mTOR和AMPK/Raptor通路、促进自噬清除Aβ、降低促炎细胞因子水平及抑制tau蛋白磷酸化等。然而，本研究存在局限性：纯计算分析不能直接证明酶抑制活性，缺乏IC??或K?等实验定量参数，因此当前结果应视为假设生成性证据，后续需要生化及细胞实验验证。
结论部分明确：通过分子建模、对接、虚拟筛选和分子动力学模拟，研究人员设计并评估了具有AD靶点抑制潜力的候选分子。Arctigenin表现出最强的BACE1结合能力、良好的动力学稳定性和最优的结合自由能，同时符合ADMET和药物相似性要求，被认为是进一步开发抗AD药物的首选天然先导化合物。该研究为基于天然产物的AD治疗策略提供了重要的计算依据，并为多靶点联合治疗方案的优化奠定了基础。
