国际阿尔兹海默症研究权威、美国麻省理工学院大脑与认知科学系教授蔡立慧(Li-HueiTsai, MIT)指出:“此研究使用前沿的机器学习算法成功发现新神经元线粒体自噬诱导剂，应用计算机筛选候选药物，再使用细胞、秀丽隐杆线虫和表达人类 P301L Tau 蛋白的小鼠模型的多个系统中验证，最终发现2种小分子化合物山奈酚和丹叶大黄素。值得注意的是，这些线粒体自噬诱导剂能有效改善神经元功能，减少了 AD 相关病理变化，并在动物模型中增强了学习记忆能力。因此，该研究通过计算机药物筛选，并通过多系统验证，从而确定了有效的线粒体自噬诱导剂。此外，他们的研究说明了线粒体自噬在神经元的保护作用和改善记忆功能方面的治疗价值。“

以下为研究背景，方法与结论。

根据《柳叶刀》2020年发布的一项报告，全球约有5000万人患有痴呆症，预计这一数字到2050年将增加到1.52亿 [1]。目前65岁以上老年人约11%患有阿尔兹海默症(AD)，85岁以上的老年人患病比例更是达到42% [2]。然而，与攀升的发病率相对的，是AD药物研发难的困境。2000年到2017年间，33家顶级制药企业累计在AD领域投入超过6000亿美金的研发费用 [3]，由于疾病具体机制不明，这一领域的药物研发失败率超过99%。因此，目前亟需发现新的AD治疗机制与更高效的AD药物研发方案。

■ 调控线粒体自噬为AD治疗指明新方向

在这项研究中，研究团队引入了机器学习方案，为了获得全面的分子表征，对每个分子的一维、二维与三维信息进行了表征学习（图一）。预训练的数据来自ChEMBL和ZINC的共一千九百万小分子数据，并且预训练表征模型综合考虑了分子的各个维度的信息。基于预训练模型所获得向量，研究团队对澳门大学天然分子数据库中共3724个天然小分子和14个已知的线粒体自噬诱导剂进行了聚类与过滤，共筛选出18个天然小分子进入湿实验验证阶段。

■ 小分子的诱导自噬效果的生物学验证

研究团队使用人类赫拉细胞模型和线虫动物模型验证了这些小分子的自噬诱导作用，发现其中8种小分子（槲皮素、槲皮素二水合物、他克莫司、子囊霉素、异鼠李素、松芪、山奈酚和丹叶大黄素）在10μM浓度时有明显的诱导线粒体自噬作用。进一步研究表明，异鼠李素、松芪、山奈酚和丹叶大黄素这4种小分子能以剂量依赖性方式诱导线粒体自噬（图二）。

随后，研究团队使用了一种神经元中表达Rosella的转基因线虫来评估小分子的体内自噬激活效果。通过向转基因线虫模型中分别补充0.2 mM 和 1.0 mM 的不同的天然小分子化合物并分析其线粒体自噬水平，研究人员发现，槲皮素（1 mM）、山奈酚（0.2 mM）和 丹叶大黄素（0.2 mM 和 1 mM）能够在线虫中诱导神经元自噬。同时，免疫印迹表明，山奈酚和丹叶大黄素能降低MFN2（线粒体外膜蛋白）和Tim23（线粒体内膜蛋白）的表达，并增强了线粒体与 LAMP1 抗体标记的溶酶体的共定位，表明线粒体的溶酶体降解增强。另外，研究人员也在野生型和AD模型小鼠脑组织海马区域中观察到了明显的线粒体自噬增强。至此，研究团队通过AI模型成功发现了两种有明显线粒体自噬诱导作用的天然小分子（图三）。

■ 山奈酚和丹叶大黄素显著改善AD动物模型认知能力

在进一步试验中，研究人员继续使用山奈酚和丹叶大黄素对过表达Aβ和Tau的线虫动物模型进行治疗，发现治疗后线虫的学习行为得到明显改善（图四），并且这两个分子都调控了如pink-1、pdr-1、、dct-1、sqst-1、bec-1等自噬关键调控基因的表达。

为了了解两种小分子改善线虫学习记忆能力的具体机制，研究人员建立了上述自噬关键调控基因敲低或敲除的细胞模型，发现山奈酚对自噬调通作用受到pdr-1和dct-1基因决定性影响，丹叶大黄素对自噬调控作用影响受到pink-1的影响。同时，研究人员通过线虫模型验证了山奈酚和丹叶大黄素在Aβ通路和Tau病理通路中的作用，证明了这两种小分子均能显著改善线虫的学习记忆能力。

除了线虫模型外，研究人员还在3xTg AD小鼠模型中进行了持续两个月的山奈酚和丹叶大黄素治疗，发现治疗后的AD小鼠空间学习和记忆能力、视觉识别记忆能力有了明显的提升（图五），并且经过两种小分子处理后，小鼠大脑中自噬标志物由降转升，海马区域的Aβ产生和Tau的聚集明显降低。