Alzheimer’s disease is a neurodegenerative disorder and the primary cause of dementia among elderly individuals. Unfortunately, there is no known cure for Alzheimer’s disease. Recently, a TRPC6-mediated intracellular signaling pathway was discovered, which plays a vital role in memory formation by regulating dendritic spine stability. Knockdown of TRPC6 expression was found to prevent store-operated calcium entry. The overexpression of TRPC6 or its pharmacological activation restores store-operated calcium entry in hippocampal neurons affected by Alzheimer’s disease [1, 2]. TRPC6 overexpression rescues mushroom spine loss in presenilin and APP knock-in mouse models of Alzheimer’s disease [1] and protects neurons from ischemic brain damage. Mice that overexpress TRPC6 in the brain exhibit improved cognitive function and increased excitatory synapse formation. These findings propose TRPC6 as a promising molecular target for the treatment of synaptic deficiency. We recently demonstrated that compound 51164 (N-(2-chlorophenyl)-2-(4-phenylpiperazine-1-yl) acetamide), a piperazine derivative, enhances TRPC6 channels and induces an upregulation of postsynaptic neuronal store-operated calcium entry. Furthermore, it increases mushroom spine percentage and recovers synaptic plasticity in mouse models of Alzheimer’s disease that have an amyloidogenic nature [2]. However, additional investigations of 51164 have demonstrated that the compound is unstable in plasma and cannot penetrate the blood-brain barrier (unpublished data). As such, the aim of this study is to discover a new piperazine derivative that functions as a positive modulator for TRPC6-specific and showcases neuroprotective qualities.
In this study, we present in silico and in vitro investigations of a novel TRPC6 specific modulator. Based on our in silico research, we narrowed down the selection to 14 compounds through the piperazine derivative 51164 that met all drug-lead likeness criteria and showed a high affinity for the active center of TRPC6. Calcium imaging technique was usedto establish that the compound z12_30 triggered the activation of TRPC6 but not the structurally linked TRPC3 channel. In addition, a molecular dynamics approach revealed that z12_30 forms a stable complex with the TRPC6 active site. As a result, z12_30 was selected as the lead compound for further investigation. Studies showed that z12_30 safeguards hippocampal mushroom spines from amyloid toxicity in vitro and effectively restores synaptic plasticity in brain slices from aged 5xFAD mice. Preclinical trials demonstrate that z12_30 remains stable in both human and mouse plasma samples.
We suggest that z12_30 is a promising prototype of a TRPC6-selective drug suitable for treating synaptic deficiency in hippocampal neurons affected by Alzheimer’s disease.
Болезнь Альцгеймера — нейродегенеративное заболевание, являющееся основной причиной деменции у пожилых людей. Лекарства от болезни Альцгеймера не существует. Недавно обнаруженный транзиторный рецепторный потенциальный канал канонического типа 6 (TRPC6) через внутриклеточный сигнальный путь регулирует стабильность дендритных шипиков и играет роль в формировании памяти. Было обнаружено, что нокдаун экспрессии TRPC6 препятствует поступлению нейронального депо-управляемого входа кальция. Гиперэкспрессия TRPC6 или его фармакологическая активация восстанавливает депо-управляемый вход кальция в нейронах гиппокампа при болезни Альцгеймера [1, 2]. Было показано, что гиперэкспрессия TRPC6 предотвращает потерю грибовидных шипиков на мышиных моделях болезни Альцгеймера [1], а также защищает нейроны от ишемического повреждения головного мозга. Мыши, которые сверхэкспрессируют TRPC6 в головном мозге, демонстрируют улучшение когнитивных способностей и увеличение образования возбуждающих синапсов. Таким образом, TRPC6 является перспективной молекулярной мишенью для разработки средств для лечения синаптической недостаточности. Недавно мы показали, что производное пиперазина, соединение 51164 (N-(2-хлорфенил)-2-(4-фенилпиперазин-1-ил)ацетамид) взаимодействует с каналами TRPC6, вызывает увеличение нейронального депо-управляемого входа кальция, увеличивает процент грибовидных шипов и восстанавливает синаптическую пластичность в амилоидогенных мышиных моделях болезни Альцгеймера [2]. Однако дальнейшие исследования 51164 установили, что соединение нестабильно в плазме и не проникает через гематоэнцефалический барьер (неопубликованные данные).
Цель исследования. Найти новое производное пиперазина, которое действует как позитивный модулятор, специфичный для TRPC6, и демонстрирует нейропротекторные свойства.
В текущем исследовании мы представляем исследования in silico и in vitro нового модулятора, специфичного для TRPC6. В результате исследований in silico мы отобрали лучшие из 14 соединений на основе производного пиперазина 51164, отвечающих всем критериям сходства с лекарственным препарата и проявляющих высокое сродство к активному центру TRPC6. С помощью метода визуализации кальция мы определили, что соединение z12_30 активирует TRPC6, но не структурно родственный канал TRPC3. Более того, используя подход молекулярной динамики, мы обнаружили, что z12_30 образует устойчивый комплекс с активным центром TRPC6. Таким образом, мы выбрали z12_30 в качестве ведущего соединения для дальнейшего исследования. Мы продемонстрировали, что z12_30 защищает грибовидные шипики гиппокампа от амилоидной токсичности in vitro и эффективно восстанавливает синаптическую пластичность в срезах мозга старых мышей 5xFAD. В доклинических исследованиях мы наблюдали, что z12_30 стабилен в образцах плазмы человека и мыши.
Мы предполагаем, что z12_30 является перспективным прототипом TRPC6-селективного препарата, подходящего для лечения синаптической недостаточности в пораженных болезнью Альцгеймера нейронах гиппокампа.