本研究由广州中医药大学药学院的陈玉婷、广州中医药大学实验动物中心的李兆鑫、暨南大学第一附属医院的潘攀等多位研究者共同完成,通讯作者为吴祎娜、王文波和李耿。论文发表于《Antiviral Research》期刊第192卷,于2021年6月24日在线发表。
该研究属于抗病毒药物研发领域。寨卡病毒(ZIKV)是一种主要通过伊蚊叮咬传播的虫媒病毒,感染后可导致新生儿小头畸形和成人格林-巴利综合征等严重疾病。目前尚无针对ZIKV的特效药物或疫苗,因此开发抗ZIKV药物具有重要的临床意义。肉桂酸是一种主要从桂枝中分离得到的有机酸,已有研究表明其具有抗病毒、抗氧化、抗肿瘤等多种生理活性,且可抑制HIV和SARS-CoV假病毒。本研究旨在评价肉桂酸体内外抗ZIKV的活性,并初步阐明其作用机制。
研究采用多种体外实验体系评价肉桂酸的抗病毒效果。首先,研究者在Vero、Huh7和A549三种细胞系中检测了肉桂酸的细胞毒性和抗ZIKV活性。在Vero细胞中,肉桂酸的半数细胞毒性浓度(CC50)大于4000 μM,半数有效浓度(EC50)为49.55 μM,治疗指数大于80;在Huh7细胞中,CC50为3752 μM,EC50为83.96 μM,治疗指数为44.7;在A549细胞中,CC50为1665 μM,EC50为103.8 μM,治疗指数为16。此外,研究还以已知的嘧啶合成抑制剂布喹那作为阳性对照药物。结果显示肉桂酸在多种细胞类型中均具有抗ZIKV感染的作用。
蛋白免疫印迹实验显示,肉桂酸处理可剂量依赖性地降低ZIKV包膜蛋白(E蛋白)和非结构蛋白5(NS5蛋白)的表达水平。免疫荧光检测表明,100 μM的肉桂酸可有效减少病毒感染量,200 μM时几乎完全抑制病毒感染。空斑形成实验也证实肉桂酸可减少子代病毒的产生。为进一步确定肉桂酸作用于ZIKV生命周期的哪个阶段,研究进行了加药时间实验,结果显示在病毒感染前2小时至感染后10小时加入肉桂酸均可在一定程度上降低病毒RNA水平,提示其可能作用于病毒感染后的阶段。通过温度差异结合的实验设计,研究者分别检测了肉桂酸对病毒结合、进入和进入后阶段的影响。结果显示,肉桂酸不能通过抑制病毒结合或病毒进入来阻断感染,但可抑制病毒RNA的翻译和复制,说明其作用于ZIKV复制周期的进入后阶段。
在机制研究中,研究采用细胞热迁移实验(CETSA)检测肉桂酸是否与ZIKV NS5蛋白直接结合。结果显示,肉桂酸使NS5蛋白的表观聚集温度从52.4℃升高到55.1℃,表明肉桂酸可直接与NS5蛋白结合并增强其热稳定性。进一步的体外RNA聚合酶实验显示,肉桂酸以剂量依赖方式直接抑制RNA依赖性RNA聚合酶(RdRp)活性。600 μM肉桂酸对RdRp活性的抑制率为73.32%,半数抑制浓度为255.7 μM。分子对接模型预测肉桂酸可与RdRp的棕榈结构域中的Arg354残基形成相互作用,并优先与Ser56、Lys105、His110、Asp131、Val132和Asp146通过氢键结合。这些结果表明肉桂酸通过抑制RdRp活性来阻断ZIKV复制。
在体内实验中,研究者使用I/II型干扰素受体缺陷的C57BL/6(AG6)小鼠建立ZIKV感染模型。小鼠通过腹腔注射感染105 PFU的ZIKV后,分别给予150 mg/kg或75 mg/kg的肉桂酸灌胃处理,持续12天。结果显示,ZIKV感染组小鼠在感染后第8天开始死亡,而高剂量肉桂酸组和低剂量组分别在第10天和第9天开始出现死亡。高剂量肉桂酸可保护80%的小鼠免于ZIKV感染导致的死亡。体重监测显示,肉桂酸组小鼠的体重下降趋势较ZIKV组更为缓和。在感染后第3天和第5天,高剂量组的血液病毒载量显著低于ZIKV组。脑组织蛋白免疫印迹检测也显示,肉桂酸处理可降低小鼠脑内的ZIKV蛋白含量。这些结果证实肉桂酸在体内具有抗ZIKV作用。
本研究的结论是,肉桂酸通过抑制RdRp活性来抑制ZIKV复制,在体内可提高感染小鼠的存活率、降低病毒血症和脑内病毒蛋白含量。这表明肉桂酸具有作为抗ZIKV候选药物的潜力。然而,由于ZIKV感染对孕妇和胎儿危害尤为严重,肉桂酸若用于孕妇治疗仍需进一步的安全性评价。
该研究的亮点在于发现了一种来源天然、安全性较高的化合物肉桂酸具有明确的体内外抗ZIKV活性,并通过CETSA、体外聚合酶实验和分子对接等多种手段较为完整地阐明了其作用于NS5蛋白RdRp结构域的机制。研究将体外多种细胞系的药效评价、病毒生命周期阶段分析、靶蛋白结合验证以及动物模型疗效验证相结合,形成了较为系统的抗病毒药物评价流程,为后续抗ZIKV药物研发提供了有价值的候选分子和实验依据。