左甲拉西坦调控阿尔茨海默病APP加工并抑制Aβ42产生的研究深度解析

这篇发表于bioRxiv的预印本论文由西北大学等多家机构合作完成，首次阐明了抗癫痫药物左甲拉西坦以SV2a依赖的方式调控淀粉样前体蛋白（APP）加工、阻止Aβ42产生的分子机制，为AD的早期治疗提供了可快速转化的药物和新的作用通路。

一、研究背景与核心科学问题

1. AD病理的关键痛点

AD的核心病理特征是细胞外Aβ斑块和细胞内tau缠结，现有FDA批准的AD药物仅能清除已形成的Aβ，无法阻断Aβ的产生，而Aβ的异常生成是AD早于斑块形成的前驱期核心事件，因此开发靶向Aβ产生的策略是AD早期干预的关键。

2. APP加工的核心调控机制

APP的加工分为两条通路：

• 淀粉样变通路
  
  ：APP在突触小泡（SV）、内体等酸性环境中被β-分泌酶（BACE1）和γ-分泌酶依次切割，产生Aβ42等致病性肽段；
• 非淀粉样变通路
  
  ：APP在神经元质膜上被α-分泌酶切割，产生无致病性的sAppα，避免Aβ生成。

APP的亚细胞定位是决定其加工通路的核心因素，而突触前SV循环的异常会改变APP的定位，进而促进其淀粉样变加工。

3. 左甲拉西坦的研究基础

Lev是一种上市数十年的非典型抗癫痫药，特异性结合突触小泡糖蛋白2A（SV2a），已有研究显示其能改善AD动物模型的Aβ斑块、认知缺陷，并减缓AD患者的认知衰退，但其发挥AD治疗作用的分子机制完全未知。

4. 核心科学问题

1. AD早期突触前是否存在特异性的病理变化，且与Aβ42产生相关？
2. Lev如何通过SV2a调控APP的加工通路，减少Aβ42产生？
3. Lev的作用机制在人体中是否存在保守性，其临床转化潜力如何？

二、研究模型与技术手段

1. 核心动物模型

• App敲入小鼠
  
  ：NL（对照）、NL-F（早期轻度Aβ病理）、NL-G-F（重度Aβ病理），模拟家族性AD的Aβ生成；
• J20转基因小鼠
  
  ：PDGFB-APPSwe/Ind，存在明显的Aβ诱导性突触丢失，用于验证Lev对突触的保护作用；
• G76V-GFP报告小鼠
  
  ：GFP*为可降解的荧光传感器，用于示踪降解受损的蛋白定位。

2. 细胞模型

原代啮齿类神经元过表达野生型APP或致病性APPSwe/Ind（瑞典突变+印第安纳突变），结合siRNA敲低SV2a/SV2b，验证Lev作用的靶点依赖性。

3. 人体样本与临床数据

• 唐氏综合征（DS）人脑样本
  
  ：20-40岁DS患者（21号染色体三体，含APP基因，>90%会发展为AD），为AD早期病理的人体模型；
• NACC临床数据
  
  ：美国国家阿尔茨海默病协调中心的AD患者临床数据，分析Lev对患者生存的影响。

4. 关键技术

突触小泡分离与鉴定、蛋白酶K水解实验、TMT-MS定量蛋白质组学、15N稳定同位素代谢标记、MALDI-MS成像、活细胞表面蛋白标记、电生理记录（mEPSC）、超高分辨率荧光显微镜、siRNA基因敲低等。

三、核心实验结果与关键发现

论文结果分为7个核心模块，层层递进阐明Lev的作用机制及人体相关性，所有核心效应均依赖SV2a，SV2b无此作用。

模块1：Aβ42早期积累阶段，降解受损的蛋白特异性富集于兴奋性突触前位点

在AD早期的NL-F小鼠中，Aβ42尚未形成斑块时，蛋白降解系统已出现异常，且降解受损的蛋白并非广泛分布，而是特异性富集于突触前位点（而非突触后），并主要定位于兴奋性突触（VGluT1+），而非抑制性突触（VGAT+）；该现象早于Aβ42的显著积累，提示突触前蛋白降解异常是AD的极早期病理事件。

模块2：突触小泡（SV）是Aβ42产生的关键位点，Aβ42定位于SV管腔

通过差速离心和尺寸排阻色谱分离纯化石触小泡，结合蛋白酶K水解实验证实：

1. SV中存在全长APP、β-CTF/α-CTF等切割产物，且β/γ-分泌酶均定位于SV，为APP的淀粉样变加工提供了酶学基础；
2. APP的N端位于SV管腔，C端朝向胞质，该拓扑结构利于BACE1对APP的切割；
3. Aβ42完全定位于SV管腔（仅当SV膜被去垢剂破坏后，蛋白酶K才能降解Aβ42），且主要存在于兴奋性SV中；

该结果明确了SV是AD早期Aβ42产生的核心亚细胞位点。

模块3：Lev以SV2a依赖的方式减少APP的淀粉样变加工，降低Aβ42水平

在过表达APPSwe/Ind的原代神经元中，Lev处理后：

1. β-CTF（APP淀粉样变加工的中间产物）和Aβ42水平显著降低，而全长APP水平无变化，提示Lev调控APP的加工而非其表达；
2. 敲低SV2a后，Lev的上述效应完全消失，而敲低SV2b无影响，证实Lev的作用严格依赖SV2a；

该结果首次明确了SV2a是Lev发挥抗AD作用的唯一核心靶点。

模块4：Lev纠正AD模型中异常的SV循环，增加APP在神经元质膜的定位

通过TMT-MS定量蛋白质组学和活细胞表面标记实验发现：

1. Lev以SV2a依赖的方式下调SV循环相关蛋白（如Syt1、Rab5c、Snap91等），纠正AD模型中过度活跃的SV内吞/外排循环；
2. Lev显著增加APPSwe/Ind在神经元质膜的定位（质膜APP水平升高），而质膜是APP非淀粉样变加工的特异性位点；

该结果揭示了Lev调控APP加工的中间环节：通过调控SV循环改变APP的亚细胞定位。

模块5：Lev在体内阻止Aβ42的新生成，而非清除已有Aβ，并促进APP的非淀粉样变加工

在NL-F（早期）和NL-G-F（重度）App敲入小鼠中，慢性Lev处理后：

1. 小鼠皮层Aβ42水平显著降低，且非淀粉样变加工产物sAppα水平显著升高，证实Lev促进APP的非淀粉样变加工；
2. 利用15N稳定同位素代谢标记结合MALDI-MS成像，发现Lev显著减少新生成的15N-Aβ42，而对已有14N-Aβ42无影响，明确Lev的核心效应是阻断Aβ42产生，而非清除已有的Aβ；
3. Lev还能逆转NL-F小鼠突触前的蛋白降解异常，减少GFP*传感器的突触前富集。

模块6：Lev在AD转基因小鼠中减少突触丢失，改善突触功能异常

在存在明显突触丢失的J20 AD小鼠中：

1. 电生理记录显示，Lev处理显著降低兴奋性突触后微小电流（mEPSC）的频率，纠正AD模型中突触的过度兴奋，但不改变mEPSC的振幅、上升/衰减时间，提示Lev特异性调控突触传递的频率，而非突触强度；
2. 免疫荧光证实，Lev能显著减少J20小鼠的突触丢失（Bassoon+PSD95+突触密度恢复），是其改善认知功能的结构基础。

模块7：人体DS脑在AD早期存在突触前蛋白富集，且临床数据显示Lev延缓AD患者的病理进展

1. DS人脑样本验证：20-40岁DS患者（Aβ42早期积累，未形成斑块）的额叶皮层中，突触前蛋白（尤其是SV循环相关蛋白）显著富集，且该富集与Aβ42负荷正相关，与小鼠模型的早期病理完全一致，证实突触前蛋白富集是AD早期的保守病理特征；

2. 临床数据支持：NACC的大样本临床数据显示，服用Lev的AD患者，从认知衰退诊断到死亡的时间显著长于服用劳拉西泮或未服用抗癫痫药的患者，证实Lev在人体中能减缓AD的病理进展。

四、Lev发挥抗AD作用的核心分子机制

论文整合所有结果，提出了Lev调控Aβ42产生并保护突触的完整通路，该通路为SV2a依赖的级联反应：

Lev结合突触前SV2a → 纠正AD模型中异常升高的SV蛋白水平和过度活跃的SV循环 → 减少APP的内吞，增加APP在神经元质膜的定位 → 质膜的中性环境促进APP被α-分泌酶切割（非淀粉样变通路），抑制β/γ-分泌酶介导的淀粉样变加工 → 阻断Aβ42的新生成，同时增加无致病性的sAppα → 逆转AD早期的突触前蛋白降解异常，减少突触过度兴奋和突触丢失 → 缓解AD的早期病理和认知缺陷。

五、讨论：研究的核心创新与关键启示

1. 首次明确突触前SV功能异常是AD的极早期病理事件

研究证实，突触前蛋白降解异常、SV循环过度活跃早于Aβ42斑块形成，且是Aβ42产生的重要驱动因素，打破了“AD病理始于Aβ斑块”的传统认知，为AD的前驱期干预提供了新的靶点（SV2a、SV循环）。

2. 揭示了Lev抗AD的独特作用模式，规避了传统AD药物的缺陷

现有靶向Aβ的药物多为分泌酶抑制剂/抗体：β/γ-分泌酶抑制剂存在严重的脱靶效应（分泌酶参与多种生理蛋白的切割）；Aβ抗体仅能清除已形成的Aβ，无法阻断其产生。

而Lev不直接调控任何分泌酶，而是通过改变APP的亚细胞定位来调控其加工通路，从源头阻断Aβ42产生，且Lev作为上市数十年的药物，安全性已得到充分验证，具有快速转化为AD临床治疗的潜力。

3. SV2a-Syt1相互作用是调控SV循环和Aβ产生的关键环节

Lev以SV2a依赖的方式下调Syt1（SV2a的互作蛋白，SV循环的核心钙传感器），而此前研究显示Syt1减少可直接降低Aβ水平，提示SV2a-Syt1复合物是开发新型AD药物的核心靶点。

4. DS是研究AD早期病理的理想人体模型

DS患者因APP基因三体，会自发发生AD样的Aβ病理，且病理进程可预测，其脑内的早期突触前蛋白富集验证了小鼠模型的发现，为AD早期病理的人体研究提供了重要工具。

5. Lev的临床应用前景：早期单药/联合用药

Lev可用于AD的前驱期干预（阻断Aβ产生，防止不可逆的神经损伤），也可与现有Aβ清除抗体联用（“阻断产生+清除已有”的双重策略），大幅提升治疗效果。

六、研究的局限性

论文明确指出了研究的不足，为后续研究指明了方向：

1. 动物模型的局限性
   
   ：所用模型均基于家族性AD（APP突变/三体），无法完全模拟占AD患者95%以上的散发性AD，需在散发性AD模型中验证机制；
2. 未研究tau蛋白的作用
   
   ：tau是AD突触功能异常和神经元死亡的关键因子，研究仅聚焦于Aβ通路，未探讨Lev对tau的调控作用，而Aβ与tau的相互作用是AD病理的核心；
3. APP过表达的潜在干扰
   
   ：所用细胞和动物模型均过表达APP，可能导致APP片段的非特异性升高，需在APP正常表达的模型中验证；
4. 临床数据的相关性
   
   ：NACC数据仅为回顾性相关性分析，缺乏随机对照试验（RCT）的验证，需开展前瞻性临床研究证实Lev的AD治疗效果；
5. 物种差异
   
   ：啮齿类动物的突触结构和AD病理与人类存在差异，需在灵长类AD模型中验证Lev的作用机制。

七、研究的理论与应用意义

1. 理论意义

1. 阐明了AD早期突触前SV循环调控APP加工的分子机制，建立了“突触前功能异常→Aβ42产生→突触丢失”的AD早期病理链；
2. 首次揭示了Lev发挥抗AD作用的SV2a依赖的分子通路，为理解抗癫痫药的跨界神经保护作用提供了新的视角；
3. 证实了APP的亚细胞定位是调控其加工通路的核心因素，为开发靶向APP定位的AD药物提供了新的思路。

2. 应用意义

1. 快速临床转化
   
   ：Lev作为FDA批准的安全药物，无需重新开展毒理学研究，可快速启动AD前驱期/早期的临床研究，为AD治疗提供新的候选药物；
2. 新靶点开发
   
   ：SV2a、SV循环相关蛋白（Syt1、Rab5c等）成为AD早期干预的新型分子靶点，为开发特异性更高的AD药物提供了方向；
3. AD早期诊断
   
   ：突触前蛋白的富集是AD的早期保守病理特征，可开发基于突触前蛋白的AD前驱期诊断标志物。

八、总结

这篇研究是AD领域的重要突破性研究，首次将抗癫痫药Lev与AD的Aβ产生通路关联，阐明了其SV2a依赖的分子机制，证实了突触小泡循环是AD早期干预的关键靶点，并通过人体样本和临床数据验证了该机制的保守性和临床转化潜力。研究不仅为AD的早期治疗提供了可快速转化的药物，更重塑了对AD早期病理的认知，为开发新型AD药物和诊断标志物奠定了重要的分子基础。

信息来源

1. Rao NR, Santiago-Marrero I, DeGulis O, et al. Levetiracetam prevents Aβ production through SV2a-dependent modulation of APP processing in Alzheimer’s disease models. Sci Transl Med.2026;18(836):eadp3984.

   DOI: 10.1126/scitranslmed.adp3984. 

2. Rao NR, DeGulis O, Nomura T, et al. Levetiracetam prevents Aβ42 production through SV2a-dependent modulation of App processing in Alzheimer’s disease models. bioRxiv (Preprint). 2024 Oct 28:2024.10.28.620698. 

   DOI: 10.1101/2024.10.28.620698.