本研究的通讯作者为法国留尼汪大学的Nicolas Diotel与Chaker El Kalamouni,第一作者为Juliano G. Haddad。该研究发表于2019年9月23日的《Molecules》期刊,研究团队主要来自留尼汪大学感染过程热带岛屿环境混合研究单位(UMR PIMIT)及DIABète athérothrombose thérapies Réunion Océan Indien(DéTROI)等单位。研究旨在评估留尼汪岛药用植物Ayapana triplinervis的精油(essential oil,EO)及其主要成分百里氢醌二甲醚(thymohydroquinone dimethyl ether,THQ)对寨卡病毒(Zika virus,ZIKV)的体外抗病毒活性,并利用斑马鱼模型评价THQ的体内急性毒性。
寨卡病毒属于黄病毒科黄病毒属,是一种有包膜的单股正链RNA蚊媒病毒,感染后可引起发热、头痛、肌痛等症状,并与格林-巴利综合征、脑膜脑炎及新生儿小头畸形等严重疾病相关。目前尚无获批的抗寨卡病毒药物或疫苗,因此寻找安全有效的抗病毒天然产物具有重要医学意义。留尼汪岛及马斯克林群岛拥有丰富的本土或地方性药用植物资源,该团队前期已报道多种植物提取物可通过不同机制抑制寨卡病毒感染。Ayapana triplinervis为菊科植物,在留尼汪岛民间医学中用于镇静、兴奋及抗炎等用途。已有研究显示其精油富含THQ并具有抗菌、抗氧化、抗真菌等活性,但其抗寨卡病毒活性尚未明确。
该研究的实验流程主要分为三个层次:体外人肺上皮A549细胞模型中的抗病毒活性评价、THQ抗病毒机制解析以及斑马鱼体内急性毒性评估。首先,研究人员从A. triplinervis新鲜地上部分经蒸汽蒸馏获得精油,通过气相色谱-质谱联用(GC/MS)鉴定其化学成分。结果显示精油中共鉴定出38种挥发性化合物,占总成分的99.18%,其中THQ含量最高,达87.06%。该结果与此前留尼汪岛产A. triplinervis精油中THQ含量为89.9%至92.8%的报道一致。随后通过硅胶柱色谱纯化获得THQ,并经核磁共振氢谱和质谱确证其结构。
在细胞毒性和抗病毒活性筛选中,研究者利用MTT实验评价EO和THQ对人A549细胞的细胞毒性。结果显示EO的最高非细胞毒性浓度(细胞存活率超过90%)为300 µg/mL,其半数细胞毒性浓度(CC50)为475 µg/mL;THQ在低于150 µg/mL时无明显细胞毒性,其CC50为410 µg/mL。利用表达绿色荧光蛋白(GFP)报告基因的寨卡病毒分子克隆(ZIKVGFP)感染A549细胞,并通过流式细胞术定量感染率。结果显示EO以剂量依赖方式抑制寨卡病毒感染,125 µg/mL时GFP阳性细胞数较未处理对照组减少约80%,半数抑制浓度(IC50)为38 µg/mL,选择性指数(selectivity index,SI)为12.5。THQ同样显著抑制寨卡病毒感染,125 µg/mL时抑制率达80%,IC50为45 µg/mL,SI为9.1。为进一步验证,研究者使用2013年法属波利尼西亚分离的流行寨卡病毒株PF-25013-18感染A549细胞,并加入不同浓度的EO或THQ,通过空斑形成实验检测子代病毒产量。结果显示在125 µg/mL的非细胞毒性浓度下,EO和THQ分别使子代病毒产量下降4个对数级和3个对数级,表明THQ及EO对流行病毒株同样具有显著抑制作用。
在抗病毒机制研究中,研究者采用分时加药实验策略来区分THQ作用于病毒生命周期的哪个阶段。实验设计包括:将寨卡病毒与THQ同时加入细胞2小时以评价病毒进入阶段;病毒先感染细胞2小时后再加入THQ以评价复制阶段;将病毒颗粒与THQ预孵育2小时后50倍稀释再进行感染以评价直接灭活病毒效应;以及THQ全程存在作为阳性对照。结果显示,THQ预孵育病毒颗粒不降低后续感染率,说明THQ无直接灭活病毒作用;病毒进入后加入THQ对复制也无显著影响;而仅在病毒进入阶段加入THQ则可强烈抑制感染。上述结果提示THQ靶向寨卡病毒感染的早期阶段。进一步将进入阶段细分为吸附和内化两个过程。为检测吸附步骤,将ZIKVGFP与THQ在4°C条件下共同加入A549细胞1小时,此温度允许病毒与细胞结合但阻止内化,然后移除THQ并将温度升至37°C以允许病毒进入。结果显示THQ处理组与未处理对照组荧光阳性细胞比例相似,而阳性对照表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)显著抑制寨卡病毒吸附,证明THQ不影响病毒结合。为检测内化步骤,先将病毒在4°C结合细胞1小时,随后在37°C内化阶段加入THQ。结果显示THQ处理组的感染细胞比例显著降低,与已知内化抑制剂异槲皮苷(isoquercitrin,Q3G)效果类似,表明THQ可抑制寨卡病毒的内化过程。综合来看,THQ的抗病毒机制发生在病毒与细胞膜结合后的内化阶段,其可能通过干扰网格蛋白介导的内吞或相关AXL/Gas6进入因子发挥作用,但具体靶点尚待进一步研究。
在体内毒性评价中,研究者采用成年雄性斑马鱼模型,以腹腔注射方式给予THQ,剂量为0.15 mg/g体重,该剂量对应体外最大非细胞毒性浓度。对照组注射含0.4% DMSO的载体溶液。注射后连续6天观察鱼的运动活性、摄食行为和应激迹象,并绘制Kaplan-Meier生存曲线。结果显示,THQ处理组斑马鱼未出现明显行为异常或应激表现,6天存活率为100%,与对照组一致。该结果提示THQ在有效抗病毒剂量下不引起斑马鱼急性毒性,为其作为潜在抗病毒化合物提供了初步安全性证据。
本研究的核心结论是,留尼汪岛药用植物A. triplinervis的精油及其主要成分THQ能显著抑制寨卡病毒感染人肺上皮A549细胞,且THQ通过阻断病毒内化过程发挥抗病毒作用。在斑马鱼模型中,THQ在有效抗病毒浓度下未显示急性毒性。该研究首次证明A. triplinervis精油及THQ对具有重要公共卫生意义的蚊媒RNA病毒具有抗病毒活性,并为从留尼汪岛药用植物中发现靶向病毒进入环节的天然抗病毒物质提供了新证据。
该研究的亮点主要体现在以下几个方面。首先,本研究首次报道了A. triplinervis精油及其主要单萜类成分THQ对寨卡病毒的有效抑制作用,且EO和THQ均对流行病毒株表现出强效抑制,子代病毒产量可下降3至4个对数级。其次,机制研究表明THQ的抗病毒靶点位于病毒内化阶段而非吸附或复制阶段,这一发现将THQ与已知内化抑制剂Q3G归入类似作用模式,为理解植物来源小分子干预病毒进入提供了新的实例。第三,研究结合体外细胞模型与斑马鱼体内模型,对THQ的急性毒性进行了初步评估,结果为THQ的生物安全性提供了正向数据。值得一提的是,斑马鱼与人类基因组同源性超过70%,在药物毒性和发育生物学评价中具有重要价值,该研究利用这一模型拓展了天然抗病毒化合物的安全性评价路径。此外,研究还发现同一种植物的非挥发性提取物此前未显示抗寨卡活性,而其挥发性精油有效,提示植物中不同化学组分对病毒的作用差异,为后续植物化学与抗病毒活性关联研究提供了线索。
不过,该研究尚存在一定局限。例如,THQ抑制内化的具体分子靶点尚未明确,是否涉及AXL/Gas6通路仍需进一步验证;体内毒性实验仅在斑马鱼中进行急性评价,未涉及慢性毒性、药代动力学或体内抗病毒疗效;EO和THQ对登革病毒、黄热病毒、西尼罗病毒等其他黄病毒是否具有广谱抗病毒活性也有待探索。未来研究可围绕上述方向展开,以推动THQ作为抗病毒候选化合物的进一步开发。总体而言,该研究为从热带岛屿药用植物中发现抗寨卡病毒天然产物提供了新的实证支持,同时强调了病毒进入抑制剂作为抗病毒药物研发重要方向的潜力。