专业配资门户 Cell | 西地那非（伟哥）有望治疗Leigh综合征

撰文 |咸姐

Leigh综合征（LS）是一种严重且目前无药可治的线粒体疾病，其由核基因或线粒体DNA（mtDNA）中超过100种基因的致病性变异所引起，这些基因多参与氧化磷酸化过程，导致细胞能量工厂——线粒体功能失调。患者通常在婴幼儿期发病，表现为神经发育倒退、肌无力、代谢危象，并在早年死亡。尽管已知多种基因如MT-ATP6、SURF1和NDUFS4的突变与LS相关，但长期以来，有效的治疗手段严重匮乏，其主要障碍在于缺乏能够真实模拟人类疾病、特别是mtDNA缺陷的临床前模型。传统动物模型，如Surf1基因敲除小鼠，未能复现人类LS的核心神经表型；而广泛使用的Ndufs4基因敲除小鼠虽能模拟部分症状，但基于此模型提出的多种干预策略（如抗氧化剂、等）在后续临床试验中均未取得成功【1,2】。近年来，基于患者来源诱导多能干细胞（iPSC）的新型方法学为疾病机制研究和药物筛选提供了新希望。先前研究已利用LS患者的iPSC分化出的神经细胞或脑类器官，揭示了神经元生长缺陷、钙稳态异常及皮质发育受损等病理特征【3】。然而，大规模、系统性的药物筛选在iPSC来源的线粒体疾病模型中尚未开展。

来自德国杜塞尔多夫大学医院的Alessandro Prigione团队前期发现，携带MT-ATP6突变的LS神经前体细胞（NPC）表现出线粒体膜电位（MMP）异常超极化，这一稳定且可量化的表型为高通量药物筛选提供了理想靶点。基于此，近日，该团队于在Cell上在线发表题为Pluripotent stem-cell-based screening uncovers sildenafil as a mitochondrial disease therapy的文章，在LS患者来源的iPSC的神经细胞中，筛选了一个包含5,632种可进行药物再利用的化合物文库，利用患者来源的2D和3D模型确定了磷酸二酯酶5型抑制剂（PDE5i）西地那非为一种可被“老药新用”的药物候选物，其能够在哺乳动物模型中延长寿命，并改善六名 LS患者的临床症状，从而填补了LS治疗领域的空白。

研究人员利用7名携带不同MT-ATP6突变的LS患者来源的NPC所呈现的MMP超极化表型，筛选了一个包含5,632种可再利用化合物的文库。通过建立基于四甲基罗丹明甲酯（TMRM）强度的活细胞高内涵分析（HCA），他们识别出能将该超极化MMP恢复至接近正常水平的轻度解偶联剂，并从中鉴定出两种PDE5i，即T-0156和盐酸伐地那非，两者均能在不造成细胞活力损失的情况下剂量依赖性地使MMP去极化。基于儿科用药安全性，研究人员优先选择了西地那非。实验证实，西地那非同样能剂量依赖性地使来自不同MT-ATP6变异类型的LS NPC的MMP实现约16%的去极化，同时增加细胞内ATP水平、恢复mtDNA拷贝数并改善NAD+/NADH比值。此外，超分辨率显微成像显示西地那非还能部分逆转LS NPC中的线粒体嵴结构缺陷。这些发现确立了西地那非作为一种能够改善多种线粒体相关表型的候选药物。

随后，研究人员通过多组学分析来探究西地那非的作用机制。结果显示，LS的疾病特征涉及神经系统发育、轴突生长及线粒体功能等通路，而西地那非处理可逆转33.5%的失调分子，并影响相似的神经发育和电子传递链通路。西地那非能够上调神经发育相关基因（如HOXA5、DBX1）和保护性蛋白BAG4，并使脑能量代谢物（肌酸、半胱氨酸）趋于正常。通过多组学网络，研究人员还鉴定出20个推定靶基因，其中HOXA5和PDE5下游关键激酶PRKG1最为突出。同时，西地那非可随时间动态调控多个与增殖、突触形成、神经炎症及糖代谢相关的靶基因表达。这些结果表明，西地那非通过调节神经发育相关通路和特定基因网络，有效逆转了LS的疾病分子特征。

进一步地，研究人员利用两种不同方案生成的皮层脑类器官模型，探究了西地那非对人类神经发育的影响。结果显示，携带MT-ATP6突变的LS脑类器官出现了神经源性区域形成受损、早期神经元与神经祖细胞比例改变等神经发育缺陷。通过单细胞核RNA测序分析，研究人员识别出多个受影响的细胞群体，并发现LS类器官中神经祖细胞和未成熟神经元群体的比例发生改变。重要的是，西地那非处理能够纠正这些细胞群体的比例失衡，特别是对神经祖细胞群体产生显著影响，部分恢复了LS类器官中异常的细胞组成。此外，转录组分析也支持了西地那非对神经发育相关通路的调节作用。这些发现表明，西地那非通过作用于神经祖细胞群体，改善了LS脑类器官模型中的神经发育缺陷。与此同时，利用皮层脑类器官切片进行活细胞钙成像，研究人员发现LS脑类器官在急性代谢应激下表现出异常增强的钙信号，而西地那非预处理可显著降低该钙信号反应。在LS NPC中，西地那非同样能减少由寡霉素诱导的钙信号升高。机制研究显示，cGMP类似物可模拟西地那非对MMP的恢复作用，而PRKG1抑制剂则能阻断该效应，表明西地那非通过PDE5-cGMP-PRKG1通路发挥作用。值得一提的是，在SURF1突变的NPC中，尽管其MMP表现为去极化而非超极化，西地那非依然能够恢复其MMP，提示其作用可能不限于特定MMP改变类型。此外，西地那非显著促进了多种LS突变神经元的神经突生长。PRKG1在LS神经元中表达下调，而敲低对照神经元中的PRKG1可模拟LS神经元的神经突生长缺陷，表明PRKG1在此过程中发挥关键作用。这些结果共同阐明西地那非通过调控PDE5-cGMP-PRKG1信号通路，同时改善了LS神经模型的钙稳态异常和神经突生长能力。

基于以上发现，研究人员评估了西地那非在动物模型中的体内疗效及其血脑屏障（BBB）穿透能力。在Ndufs4基因敲除小鼠模型中，西地那非治疗显著延长了LS小鼠的寿命，改善了肌无力、共济失调和能量代谢缺陷，并减少了小脑和脑干中活化的caspase-3阳性细胞和Iba1阳性小胶质细胞，且改善了浦肯野细胞的丢失。在更接近人类病理的SURF1基因敲除猪模型中，西地那非同样改善了新生LS仔猪的活动力和吸吮行为，帮助其度过围产期并延长生存期，同时恢复了神经前体细胞标志物和复合物IV的活性。在大部分治疗动物中，基底节区降低的PRKG1蛋白水平也得到恢复。此外，利用LS患者iPSC分化的BBB模型证实，西地那非及其临床制剂能够有效穿透LS患者的BBB。这些体内实验数据共同表明，西地那非在哺乳动物LS模型中具有治疗潜力，并具备中枢神经系统给药所需的关键穿透能力。

最后，研究人员基于西地那非在儿科疾病中的已知安全性，对六名携带MT-ATP6基因变异的LS患者开展了西地那非的个体化标签外治疗。参考儿科肺动脉高压的用药剂量，患者接受了低至中剂量的西地那非治疗，其平均血药浓度约1 μM，接近体外实验的有效浓度。经过6个月治疗，除一名患者因皮疹停药外，其余五名患者均耐受良好。在临床改善方面，患者的运动功能、肌力、吞咽能力和运动耐量得到提升，代谢危象的发生频率显著减少，部分患者甚至恢复了独立呼吸和行走能力。尤其值得注意的是，两名患者停药后症状复发，重新用药后再次改善，为疗效提供了有力证据。由此表明，西地那非作为一种可口服、安全性相对较好的药物，能够显著改善特定基因型LS患者的临床症状和生活质量。

综上所述，本研究通过整合患者来源的iPSC模型、多组学分析、动物实验及初步临床观察，系统地揭示了PDE5i西地那非作为治疗LS的候选药物的潜力。西地那非不仅能纠正线粒体功能、改善钙稳态和神经发育缺陷，还能在动物模型中延长寿命，并在六名患者中显示出初步的临床获益。这些发现为线粒体疾病的药物再利用提供了重要范例，并为后续的临床试验奠定了基础。

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

制版人：十一

参考文献

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.

学术合作组织

（*排名不分先后）