近來的一些研究顯示，退化性關節炎的初始步驟是軟骨細胞表面蛋白聚醣 (proteoglycans) 上之醣胺聚醣 (glycosaminoglycans) 的硫酸根會先被硫酸酯酶 (sulfatases) 切掉，接著醣及蛋白部分依序被不同的酶水解，造成軟骨組織的破損，而罹患退化性關節炎病患的軟骨組織液中，「硫酸酯內切酶」的表現量特多，這個酵素過量存在，應和膝蓋的軟骨組織被侵蝕導致關節磨損，脫不了干係。

由於醣胺聚醣為一類具有多個硫酸根且位置不同的多醣體，有關硫酸酯內切酶的受質研究，包括最小的醣單元及怎樣的硫酸根的組成是最佳化受質，至今仍不明瞭。基於此，基因體研究中心洪上程博士、鄭婷仁博士和翁啟惠院士組成的團隊針對這項主題進行深入研究，希望能找出最佳受質，並進一步發展小分子抑制物。

整個研究團隊耗費七年的時間，合成不同長度及不同硫酸根位置的醣分子庫，逐步找出一個含有四個硫酸根的三醣體，為硫酸酯內切酶一型 (Sulf-1) 的極佳受質，並依據此結構，進一步設計及製備可以抑制酵素活性的三醣體抑制劑，可望成為開發緩解退化性關節炎藥物的先驅物，研究成果已在美國化學學會期刊 (J. Am. Chem. Soc.) 發表。

圖：關鍵三醣體（左）與抑制劑（右）

本研究論文第一作者邱莉婷說明該計畫緣起於一場研究討論會，與會的臨床醫師提及，根據臨床數據顯示，退化性關節炎患者的組織液檢體中，硫酸酯內切酶一型的含量特別高。由於這其中包括醣胺聚醣的成分，促成了整個研究的契機。

團隊利用化學合成方式製備出三種不同長度的硫酸乙醯肝素：雙醣體、四醣體以及六醣體，作為Sulf-1的受質候選物。為了驗證這些受質是否具有與酵素反應的活性位點，邱莉婷開發出了一種新的分析方式-競爭性抑制。

她在許多受質候選物之中，添加了市售常用但不是良好受質的 4-MUS，一同與Sulf-1反應，這個市售常用的受質逐漸與酵素反應解離硫酸根之後，形成4-MU產物的螢光強度會逐漸增加。邱莉婷進一步說明：「然而，當加入我們實驗室製備的受質候選物之後，若它是Sulf-1更好的受質，將會與4-MUS競爭，降低4-MUS水解出硫酸根，使得螢光強度下降。」

經過反覆實驗的結果，他們發現四醣體和六醣體，都可以完全降低螢光的強度，這表示四醣或以上的醣體都可能是Sulf-1的受質。接著，研究團隊再進一步從分子庫中，挑選出16個具有不同硫酸根位置的四醣化合物，分別與4-MUS進行競爭反應，確認一個最佳硫酸根組合的受質結構。

藥物的設計本就務求分子的簡化，去蕪存菁才能達到較大效益。研究團隊將上述找到之四醣體旁邊一個不具活性點的醣去除，從四醣變成三醣體，再度證明此三醣體才是 Sulf-1 關鍵的極小化受質。

團隊進一步以這個三醣體為骨架，設計用磺胺基取代葡萄醣胺六號位置的硫酸根，希望能嵌入Sulf-1的活性位置，使其無法水解硫酸根，達到抑制的效果，經化學合成取得這個分子後，實驗測得的數據顯示這個具有磺胺基的三醣體是一個很好的抑制劑。

在打造出退化性關節炎發病機制的模型後，團隊將可以進一步地改良並進行細胞、動物的實驗，期盼sulf-1會是一個關節炎的早期標的，而這個關鍵三醣分子，可以為長者帶來自在活動的春天。

本研究論文可以於線上閱讀：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00005

資訊來源: 中研院基因體中心