1991年的一天，神經學家沃倫·斯特里特馬特請他的老闆檢視一些令人困惑的資料。斯特里特馬特正在研究澱粉樣蛋白-β，它是阿爾茨海默病患者大腦中分子團塊的主要成分。他正在腦脊液中尋找澱粉樣蛋白結合蛋白，並分離出一種稱為載脂蛋白E (ApoE) 的蛋白，它與該疾病沒有明顯的聯絡。
斯特里特馬特的老闆，杜克大學位於北卡羅來納州達勒姆的遺傳學家艾倫·羅西斯立即意識到他的同事偶然發現了一些令人興奮的東西。兩年前，該小組已經確定了阿爾茨海默病與19號染色體區域之間的基因關聯。羅西斯知道編碼 ApoE 的基因也在19號染色體上。“這就像一道閃電，”他說。“它改變了我的生活。”
在人類中，APOE 基因有三種常見的變異或等位基因，編號為 2、3 和 4。羅西斯意識到，顯而易見的步驟是找出個體 APOE 等位基因是否會影響患阿爾茨海默病的風險。可以使用一種稱為聚合酶鏈式反應 (PCR) 的技術來區分這些變異。但羅西斯在 PCR 方面幾乎沒有經驗，因此他要求他團隊中的博士後測試來自患者和健康對照組的樣本。博士後們拒絕了：他們正忙於尋找阿爾茨海默病的潛在基因，而 APOE 似乎不太可能成為候選基因。羅西斯回憶說，實驗室裡的感覺是“老闆又在異想天開了”。
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然後羅西斯與他的妻子安·桑德斯交談，安·桑德斯是一位擅長 PCR 的小鼠遺傳學家。她剛剛生下女兒，正在休產假，所以他們達成了一項協議。“她做實驗，我抱著孩子，”他說。在三週內，他們收集了資料，這些資料將推動一系列具有里程碑意義的論文，表明 APOE4 等位基因與阿爾茨海默病風險的大幅增加有關。
二十年後，APOE4 仍然是阿爾茨海默病（最常見的痴呆症形式）的主要遺傳風險因素（參見 “風險遺傳”）。 遺傳一份 APOE4 副本會使一個人患該疾病的風險增加四倍。 擁有兩份副本，風險增加12倍。 然而，羅西斯的資料在很大程度上受到批評或忽視。 在幾年之內，隨著研究人員紛紛湧向研究澱粉樣蛋白-β，對 ApoE 的興趣已經減弱。 少數繼續追求 ApoE 的實驗室這樣做時，面臨著來自資助機構和神經科學界的漠不關心，並且缺乏用更大規模的研究驗證實驗結果所需的資源。
今天，ApoE 蛋白在大腦中的功能仍然大多未知。 這種對如此重要線索的忽視讓阿爾茨海默病領域之外的一些人感到困惑。 在德國法蘭克福舉行的腦疾病論壇上，巴黎巴斯德研究所的自閉症研究員托馬斯·布林吉翁表達了他的困惑。“如果我有一個這樣的風險因素，我會緊追不捨。”
但對脂蛋白的興趣正在回升，部分原因是針對澱粉樣蛋白-β 的嘗試在主要的臨床試驗中屢屢令人失望。 製藥公司正在從基於澱粉樣蛋白的方法中撤退，一些學者已經開始質疑對該分子的關注。 研究人員首次開發出針對 ApoE4 蛋白的藥物，並引起了業界的關注。
非營利組織“預防阿爾茨海默病 2020”運動主席兼美國國立衛生研究院阿爾茨海默病相關活動前協調員扎文·哈查圖良說：“澱粉樣蛋白假說已成為如此強大的科學正統觀念，以至於它開始在信仰而非證據的基礎上被接受。” 他說，直到最近，“沒有人退後一步來詢問關於該疾病的基本前提是否正確”。
激烈的競爭
對於羅西斯的發現被忽視的原因，意見不一，但許多人認為時機不佳是其中一個原因。 1991年，約翰·哈迪和大衛·奧爾索普提出了“澱粉樣蛋白級聯假說”。 該假說認為，阿爾茨海默病是由澱粉樣蛋白-β 簇或斑塊在大腦中的異常積聚引起的。 其他人紛紛支援這個想法，並且它贏得了該領域迄今為止可用的大部分資金。
但羅西斯並不認同這一理論。“澱粉樣蛋白是由於細胞死亡和大腦萎縮而在斑塊中積聚的眾多物質之一，”他說。“我從來不認為它是原因。” 他這樣說可能阻止了其他人調查可能的 ApoE-澱粉樣蛋白聯絡，並無意中在兩種假說之間為爭奪資金而設定了競爭。 他再也沒有獲得資助來研究 ApoE。
但 ApoE 研究也存在技術障礙。 這種蛋白質遍佈全身，因此很難專門針對大腦中的分子。 阿斯利康位於英國麥克爾斯菲爾德的小分子發現研究負責人梅內拉斯·潘加洛斯說，ApoE 與脂肪結合，因此它傾向於粘附在生化分析中的其他分子上，他長期以來一直對 ApoE 感興趣。
與此類蛋白質合作需要對脂質生物化學有深入的瞭解。 華盛頓大學位於密蘇里州聖路易斯市的神經學家大衛·霍爾茨曼說：“如果你想研究 ApoE 生物學，你真的需要投入一個實驗室來理解這些技術。” 霍爾茨曼就是這樣做的，他建立了一個獨立的實驗室，專門開發在中樞神經系統中處理脂蛋白的技術。
澱粉樣蛋白是更容易的目標。 二十年的深入研究已經產生了一系列改變澱粉樣蛋白-β 代謝的藥物，但這些藥物尚未達到預期。 在 2012 年處於 II 期或 III 期臨床試驗的六種藥物中，有一半由於安全問題或缺乏療效而被放棄。 這是在人口老齡化、醫療保健系統不堪重負以及阿爾茨海默病藥物匱乏的背景下發生的。 加州大學舊金山分校格拉德斯通神經疾病研究所所長倫納特·穆克說：“阿爾茨海默病大型失敗試驗的數量非常可怕。” “它真的嚇跑了大型製藥公司。”
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目前正在阿爾茨海默病患者以及患病風險高但尚未出現症狀的個體中測試其餘三種針對澱粉樣蛋白-β 的候選藥物。 影像學研究表明，高風險個體的大腦在阿爾茨海默病發病前幾十年看起來和行為方式與對照組不同，並且遠早於他們開始積累澱粉樣蛋白-β 或失去灰質。 這些試驗將檢查這些藥物是否能預防或延緩疾病的發生； 它們預計將在未來六年內完成。 該領域——包括學術界和行業代表——越來越感覺到，這些努力是澱粉樣蛋白假說的最後機會。 在這些擔憂中，聚光燈又回到了 ApoE。
穆克說，如果預防試驗失敗，學術界將有責任用可靠的臨床前和早期臨床資料來說服公司重返談判桌。 他樂觀地認為，ApoE 研究人員可能很快就會擁有這種影響力。 儘管該領域存在障礙，但人們對 ApoE4 如何增加風險的新理解正在興起，霍爾茨曼和穆克的團隊透過他們開發的轉基因小鼠（表達人類形式的 ApoE）對此進行了探索。
該分子似乎透過兩條不同的途徑促進阿爾茨海默病，其中一條途徑是澱粉樣蛋白依賴性的。 在動物和人類中，與長期以來被認為是阿爾茨海默病風險“中性”形式的 ApoE3 相比，ApoE4 強烈促進大腦中澱粉樣蛋白-β 的沉積。 被認為是保護形式的 ApoE2 減少了積累。 “這些資料令人信服，”霍爾茨曼說。
另一種機制不涉及澱粉樣蛋白。 當神經元處於壓力之下時，它們會產生 ApoE 作為修復機制的一部分。 “不良” ApoE4 形式傾向於分解成有毒片段，這些片段會損害細胞的能量工廠（線粒體）並改變細胞骨架。
霍爾茨曼說，這兩種途徑對阿爾茨海默病風險的相對貢獻尚不清楚，但他和其他人認為，將有害形式的 ApoE 轉變為危害較小的形式可能被證明是一種有希望的治療方法。 在格拉德斯通，心血管科學家羅伯特·馬利與包括神經科學家黃亞東在內的團隊合作，已經確定了可以修飾 ApoE4 蛋白結構使其更像 ApoE3 的小“校正子”分子，從而減少異常片段化。
在細胞培養中，低濃度的這些校正子分子可以減少線粒體損傷和神經元功能障礙。 現在正在一系列動物模型中更嚴格地測試它們。 如果這些分子最終被證明對人類安全有效，穆克預見到有一天醫生會為被認為有患阿爾茨海默病風險的人開出這些藥物，就像他汀類藥物被提供給那些膽固醇高和心血管疾病風險升高的人一樣。
超越
此類藥物也可能對阿爾茨海默病以外的疾病產生影響。 穆克說：“線粒體損傷假說為 ApoE4 為什麼會做壞事提供了一個相當合乎邏輯且簡約的解釋，”“不僅在阿爾茨海默病的背景下，而且可能在其他疾病中也是如此。” 有證據表明，它可能是帕金森病和癲癇的風險因素。 它還與腦損傷後不良結局的風險增加以及未經治療的 HIV 感染的更快進展有關。 十五家生物技術公司已經與格拉德斯通合作開發這些和類似的藥物。
儘管無法獲得資助，但羅西斯從未放棄 ApoE。 但在他的團隊發現 ApoE 和阿爾茨海默病之間的聯絡幾年後，他厭倦了為資金進行的持續鬥爭。 他離開了學術界，在工業界工作了十年——在那裡他繼續研究 ApoE 以及其他事情——然後在 2008 年回到杜克大學。
2009 年，他的團隊描述了位於 19 號染色體上 APOE 旁邊的名為 TOMM40 的基因中的一段非編碼 DNA。 這段 DNA，以簡寫 523 為人所知，長度各不相同。 523 的長度可以決定 TOMM40 和 APOE 的表達程度。
羅西斯說，這一發現很重要，因為 TOMM40 編碼的蛋白質 Tom40 對健康的線粒體至關重要。 Tom40 線上粒體外膜中形成一個通道，用於匯入蛋白質。 如果沒有這些蛋白質，線粒體就無法在其整個生命週期內正常分裂。 羅西斯說：“這是一個已經為人所知十年之久的重大影響，”“但這在阿爾茨海默病領域並不廣為人知。”
羅西斯繼續建議可以利用 523 來開發療法和改進阿爾茨海默病風險的測試。 大多數人如果活得足夠長都會患上阿爾茨海默病，但只有約 25% 的人攜帶 APOE4 等位基因。 因此，APOE4 的預後測試永遠只能提供部分資訊。 但羅西斯說，對 APOE 和 TOMM40 進行基因分型可以提供有關更廣泛人群的資訊。 例如，他的團隊發現，APOE3——迄今為止人類中最常見的 APOE 等位基因——通常與短或非常長的 523 片段一起遺傳。 在那些遺傳了兩個 APOE3 等位基因的人中，發病年齡因他們也遺傳的兩種 523 變體的組合而異。
其他實驗室發現了支援羅西斯假設的證據，但一些嘗試複製他的 TOMM40 發現的嘗試失敗了。 2012 年，現在在倫敦大學學院的哈迪和他的同事，遺傳學家麗塔·格雷羅寫了一篇評論文章，其中他們認為 TOMM40 並沒有獨立影響阿爾茨海默病風險。
羅西斯對他的假設的信念並沒有動搖：他相信他對他的發現有一個合理的機制解釋。 他說，未能重現他的結果的全基因組研究缺乏足夠的力量來揭示 TOMM40 與阿爾茨海默病之間的關聯。 哈查圖良說，尚未對羅西斯的發現進行適當的測試——在更大的患者佇列中使用羅西斯的方法。
羅西斯希望很快能夠用更多的臨床資料來支援他的發現，併成立了一家名為 Zinfandel Pharmaceuticals 的公司，部分資金來自他自己的資金。 Zinfandel 目前正與位於大阪的日本製藥公司武田共同資助一項名為 TOMMORROW 的 III 期試驗，該試驗將檢驗他的想法。 TOMMORROW 預計將執行約 5 年，並將招募近 6,000 名健康的老年人。 它將評估一種基於年齡、APOE 和 TOMM40 的風險評估演算法。
該試驗還將調查低劑量的吡格列酮（已獲准以高得多的劑量用於某些 2 型糖尿病患者）是否可以延緩演算法認為患阿爾茨海默病高風險個體的疾病發作。 來自動物和小規模人體研究的證據表明，吡格列酮可能預防或逆轉阿爾茨海默病相關的病理和症狀。 羅西斯認為它可能是透過刺激線粒體分裂來實現這一點的。
正在進行的試驗可能會產生重大影響，即使沒有產生治癒方法：研究表明，即使一項干預措施可以將阿爾茨海默病的發病時間延遲僅 2 年，50 年後，美國患該疾病的病例也將比原先預計的減少近 200 萬例。 未來幾年內獲得的結果可能會迫使研究人員重新評估他們對痴呆症的理解。 哈查圖良說，現在是時候認識到它的本質了：複雜、相互作用的生理系統的失敗。 孤立地看待任何一個系統——即使是涉及 ApoE4 的系統——也不太可能完全解釋行為的變化。 “該領域將認識到當前方法的侷限性並退後一步，”他說。“如果我們對自己誠實，我們將開始開闢新的方向。”