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三尖杉碱通过阻碍病毒复制和稳定性抑制寨卡病毒感染

期刊:Biochemical and Biophysical Research CommunicationsDOI:10.1016/j.bbrc.2019.12.012

本文属于类型a,即单项原始研究论文。以下是根据该文档内容撰写的学术报告。

一、研究作者、机构与发表信息

该研究的主要作者为Zheng-Zong Lai、Yi-Jung Ho及Jeng-Wei Lu。其中,Zheng-Zong Lai隶属于台湾国防医学中心药理学研究所、三军总医院药学实践科及医学科学研究所;Yi-Jung Ho隶属于台湾国防医学中心药学院及生命科学研究所;通讯作者Jeng-Wei Lu则任职于新加坡国立大学生物科学系。该研究于2019年11月18日投稿,2019年12月2日被接收,2019年12月7日在线发表,刊载于《Biochemical and Biophysical Research Communications》第522卷第1052至1058页。

二、研究背景与目的

寨卡病毒(Zika virus, ZIKV)是一种由蚊媒传播的有包膜RNA病毒,属于黄病毒属、黄病毒科。该病毒于1947年在乌干达寨卡森林附近的恒河猴中首次被分离。ZIKV基因组编码一个多聚蛋白,包括衣壳蛋白、前膜/膜蛋白、包膜蛋白以及七个非结构蛋白(NS1、NS2A、NS2B、NS3、NS4A、NS4B、NS5)。近年来,ZIKV感染已成为全球公共卫生的重大威胁。2015年,ZIKV在中南美洲至少33个国家和地区迅速蔓延,尤其是在巴西,感染者估计达50万至150万人。ZIKV感染与多种神经系统并发症有关,包括成人中的格林-巴利综合征(Guillain-Barré syndrome)和婴儿中的小头畸形(microcephaly)。孕妇感染ZIKV后,胎儿可能出现严重的出生缺陷,如胎儿生长受限、神经系统和眼部异常,甚至围产期死亡。ZIKV还可引起良性发热性疾病,症状与登革病毒(dengue virus, DENV)和基孔肯雅病毒(chikungunya virus, CHIKV)等其他虫媒病毒感染相似,包括发热、皮疹、关节痛、结膜炎等。2016年2月,世界卫生组织(WHO)宣布ZIKV为国际关注的突发公共卫生事件。目前尚无获批的抗ZIKV药物,因此迫切需要开发安全有效的抗病毒药物并阐明其作用机制。

三尖杉碱(cephalotaxine, CET)是从中国海南粗榧(Cephalotaxus hainanensis)中分离和纯化的一种生物碱。CET已显示出对乙型肝炎病毒(HBV)的抗病毒活性和抗白血病活性。其酯类衍生物,如三尖杉酯碱(harringtonine, HT)和高三尖杉酯碱(homoharringtonine, HHT),在前期研究中显示出抑制CHIKV、HBV、冠状病毒(CoV)和水痘-带状疱疹病毒(VZV)的作用。然而,CET是否具有抗ZIKV活性尚不清楚。因此,本研究旨在探讨CET在Vero细胞中对ZIKV感染的抑制作用,并进一步阐明其潜在的抗病毒机制。

三、研究方法与实验流程

本研究采用了多种细胞和病毒模型,以及一系列分子生物学和病毒学实验方法,系统评价了CET的抗ZIKV活性及其机制。研究共包括以下主要实验流程:

  1. 细胞系、病毒和药物准备。研究使用了Vero细胞(非洲绿猴肾细胞,ATCC® CRL-1586™)和A549细胞(人肺腺癌上皮细胞,ATCC® CCL-185™),这两种细胞对ZIKV(PRVABC59株,ATCC® VR-1843™)具有较高的易感性。细胞培养使用含5%胎牛血清的Dulbecco改良Eagle培养基(DMEM),培养条件为37℃、5% CO₂。病毒滴度通过荧光灶单位(fluorescent focus units, FFU)测定,并在-80℃保存。CET(纯度≥98%)购自ChemFaces公司,溶解于100%二甲基亚砜(DMSO)中制成20 mM储备液,-20℃保存。使用时用DMEM稀释至所需工作浓度,并调整各组的DMSO浓度保持一致,以排除溶剂干扰。

  2. 细胞活力测定。使用Cell Counting Kit 8(CCK-8,Dojindo Laboratories)检测CET对Vero细胞的细胞毒性。将Vero细胞单层接种于96孔板,加入不同浓度的CET,37℃孵育48小时后,加入CCK-8溶液,在450 nm波长下测定光密度值,并计算半数细胞毒性浓度(CC₅₀)。

  3. 荧光灶单位(FFU)测定。将Vero细胞接种于12孔板,感染系列稀释的病毒液后,覆盖含1.5%甲基纤维素和2%胎牛血清的DMEM,培养两天后用倒置荧光显微镜(Olympus CKX41)观察和计数病毒荧光灶。

  4. 病毒减少实验(virus reduction assay)。Vero细胞在12孔板中培养16小时后,加入含2%胎牛血清的DMEM、不同浓度CET和400 FFU的ZIKV。再孵育2小时后,用磷酸缓冲盐溶液(PBS)洗涤两次,继续用CET处理48小时。收集上清液用免疫荧光法(immunofluorescence assay, IFA)测定病毒滴度,并用定量逆转录聚合酶链反应(qRT-PCR)测定ZIKV RNA水平。

  5. 定量逆转录聚合酶链反应(qRT-PCR)。使用TRIzol试剂(Ambion)在CET处理24或48小时后提取细胞总RNA。使用One-Step qRT-PCR SYBR Green试剂盒(Bioman)按照说明书进行基因表达定量。ZIKV、DENV和β-actin的引物序列列于补充表1。使用Roche LightCycler 480进行测定,以β-actin作为内参,采用2⁻ΔΔCt方法计算相对基因表达量。

  6. 免疫荧光法(IFA)。感染细胞用4%多聚甲醛固定1小时,PBS洗涤三次后,用抗黄病毒包膜抗体(4G2)室温染色2小时,再与Alexa Fluor 488标记的羊抗小鼠IgG抗体孵育,最后用倒置荧光显微镜观察。

  7. 时间添加实验(time of addition assay)。为确定CET作用于病毒生命周期的哪个阶段,研究设置了全程处理组、共处理组(感染初始时加入CET)、后处理组(感染后加入CET)和预处理组(感染前3小时加入CET)。Vero细胞用8000 FFU ZIKV感染1小时,洗涤后更换培养基,在不同时间点加入60 μM CET。24小时后裂解细胞进行RNA分析,收集上清液进行FFU测定。此外,为研究CET在ZIKV进入细胞后的抑制作用,Vero细胞先感染ZIKV,用PBS洗涤去除未感染病毒,再加入不同浓度CET,24小时后收集细胞裂解液和上清液进行qRT-PCR和FFU测定。

  8. 蛋白质印迹分析(Western blot)。感染细胞经不同浓度CET处理48小时后收集裂解液,使用抗黄病毒包膜抗体4G2(1:1000)和抗β-actin抗体(1:4000)作为一抗,辣根过氧化物酶标记的抗小鼠或抗人抗体作为二抗。用ECL试剂检测目标蛋白,UVP化学发光成像仪获取图像。

  9. 杀病毒实验(virucidal assay)。将含5×10⁴ FFU的ZIKV悬液与不同浓度CET在37℃共孵育4小时,然后稀释并加入到Vero细胞中,通过IFA计数病毒荧光灶,以评估CET对无细胞状态下病毒稳定性的影响。

  10. 抗其他病毒活性评价。进一步评价CET对登革病毒1型(DENV1,Hawaii株)、DENV2(16681株)、DENV3(H87株)和DENV4(H241株)的抗病毒作用。Vero细胞分别感染不同FFU的DENV血清型,加入不同浓度CET孵育48小时后,用qRT-PCR检测病毒RNA水平。

  11. 统计分析。使用GraphPad Prism软件进行统计分析,数据以三次重复实验的平均值±标准差表示,采用双尾Student’s t检验,P<0.05认为具有统计学意义。

四、主要研究结果

  1. CET抑制ZIKV感染。IFA结果显示,20至100 μM的CET在Vero细胞和A549细胞中均以剂量依赖性方式显著抑制ZIKV感染,表明CET具有抗ZIKV活性。

  2. CET抑制ZIKV的产生。CCK-8实验显示CET对Vero细胞毒性较低,CC₅₀大于300 μM。qRT-PCR结果显示,CET以剂量依赖性方式抑制ZIKV感染,100 μM CET可抑制约98%的ZIKV RNA产生。Western blot结果显示,CET处理可显著降低ZIKV蛋白表达。FFU测定结果表明,CET可剂量依赖性降低ZIKV子代病毒产量。这些证据共同表明CET能有效抑制ZIKV的繁殖。

  3. CET影响ZIKV RNA复制和病毒稳定性。时间添加实验结果显示,CET主要作用于ZIKV感染的晚期阶段,即病毒进入细胞之后。后处理组中,40或80 μM CET可显著降低ZIKV RNA水平;FFU测定也显示20、40或80 μM CET可降低病毒产量。杀病毒实验结果表明,40 μM CET与ZIKV在室温共孵育6小时后,病毒水平显著下降,说明CET可影响病毒稳定性。这些结果表明,CET通过抑制病毒复制和降低病毒稳定性双重机制发挥抗ZIKV作用。

  4. CET抑制不同血清型登革病毒。qRT-PCR结果显示,20至80 μM CET对DENV1-4四种血清型均具有剂量依赖性的抑制作用,说明CET具有广谱抗黄病毒活性,可能也适用于登革病毒感染的治疗。

五、研究结论与意义

本研究首次证明CET在体外具有显著的抗ZIKV活性,其作用机制包括抑制病毒复制和降低病毒稳定性。此外,CET对DENV1-4也具有抑制作用,提示其可能成为广谱抗黄病毒药物。由于CET是FDA批准的药物,安全性较高,并且在本研究中显示较低的细胞毒性,因此CET有望作为治疗ZIKV感染的先导化合物进行进一步开发。该研究为抗ZIKV药物研发提供了新的候选化合物和实验依据,也为CET衍生药物的进一步研究奠定了基础。

六、研究亮点

本研究的亮点在于首次报道了CET对ZIKV的抑制作用,并揭示了其双重抗病毒机制,即不仅抑制病毒复制,还具有杀病毒活性。此外,研究还发现了CET对四种登革病毒血清型的广谱抗病毒作用,拓宽了CET在黄病毒领域的应用前景。这些发现为开发新型抗黄病毒药物提供了重要线索。

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