药学学报  2021, Vol. 56 Issue (3): 793-798     DOI: 10.16438/j.0513-4870.2020-1451   PDF    
天然罗汉松二萜体外抗登革病毒活性研究
汪芳1,2, 严欢3, 姚债文1,4, 罗荣华1, 刘海洋3, 郑永唐1     
1. 中国科学院昆明动物研究所, 中国科学院动物模型与人类疾病机理重点实验室, 云南 昆明 650223;
2. 昆明理工大学医学院, 云南 昆明 650500;
3. 中国科学院昆明植物研究所, 植物化学与西部植物资源持续利用国家重点实验室, 云南 昆明 650201;
4. 苏州大学药学院, 江苏 苏州 215021
摘要: 登革病毒(dengue virus,DENV)是造成热带和亚热带地区登革热和登革出血热季节性大爆发的蚊媒病原体,可导致严重威胁生命的疾病,因此亟需研发DENV疫苗和药物。本研究发现从石栗枝叶中分离的罗汉松型二萜(3α,5β,10α)-13-methoxypodocarpa-8,11,13-triene-3,12-diol(MPTD)具有很强的体外抗DENV作用。噬斑抑制实验检测MPTD对4种不同血清型DENV的抑制作用;MTT实验检测其对Vero和Huh7两种细胞的毒性;qRT-PCR和Western blot实验分别在RNA和蛋白水平检测其抗DENV的活性。结果表明,MPTD处理可显著降低DENV感染Vero细胞的病毒滴度,其对4种DENV(1~4)的半数有效浓度(50% effective concentration,EC50)值分别为2.72±0.39、10.99±5.18、18.72±0.21和0.48±0.28 μmol·L-1。MPTD显著抑制DENV RNA的合成和E蛋白的表达,其可能抑制DENV复制的前期阶段而发挥抗病毒活性。进一步的研究显示,MPTD对DENV感染的抑制作用不是靶向病毒进入细胞阶段。MPTD对DENV具有显著抑制作用,是一种有潜在应用价值的抗DENV化合物。
关键词: 石栗    天然化合物    (3α, 5β, 10α)-13-methoxypodocarpa-8, 11, 13-triene-3, 12-diol    罗汉松型二萜    登革病毒    抗病毒活性    
Anti-dengue virus activity of natural podocarpane-type diterpenoid in vitro
WANG Fang1,2, YAN Huan3, YAO Zhai-wen1,4, LUO Rong-hua1, LIU Hai-yang3, ZHENG Yong-tang1     
1. Key Laboratory of Animal Models and Human Disease Mechanisms of Chinese Academy of Sciences, Kunming Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650223, China;
2. College of Medicine, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;
3. State Key Laboratory of Phytochemistry and Plant Resources in West China, Kunming Institute of Botany Chinese Academy of Sciences, Kunming 650201, China;
4. College of Pharmaceutical Sciences, Soochow University, Suzhou 215021, China
Abstract: Dengue virus (DENV) is the most rapidly transmitted mosquito-borne pathogen, which is the main cause of seasonal outbreaks of dengue fever and dengue hemorrhagic fever in tropical and subtropical regions, and may cause serious life-threatening diseases. There is an urgent need to develop effective vaccines or antiviral therapies. In this paper, we found that a podocarpane-type diterpenoid, (3α, 5β, 10α)-13-methoxypodocarpa-8, 11, 13-triene-3, 12-diol (MPTD), isolated from the stems and leaves of Aleurites moluccana, showed good effect against DENV. The anti-DENV activity of MPTD against four different DENV serotypes was studied by plaque assay. The cytotoxicity of MPTD in Vero and Huh7 cells was tested by MTT assay. qRT-PCR and Western blot assays were used to investigate the anti-DENV activity of MPTD at RNA and protein levels, respectively. The results showed that MPTD greatly reduced the virus titer in DENV infected Vero cells, and its 50% effective concentration (EC50) for DENV (1-4) were 2.72±0.39, 10.99±5.18, 18.72±0.21, and 0.48±0.28 μmol·L-1, respectively. The results showed that MPTD inhibits DENV RNA level and the expression of E protein. In addition, MPTD may inhibit the early stage of DENV replication and exert antiviral activity. Further studies showed that the inhibitory effect of MPTD against DENV infection is not targeting the viral entry stage. Therefore, MPTD has a significant anti-dengue virus effect, and is an anti-DENV compound with potential application value.
Key words: Aleurites moluccana    natural compound    (3α, 5β, 10α)-13-methoxypodocarpa-8, 11, 13-triene-3, 12-diol    podocarpane-type diterpenoid    dengue virus    antiviral activity    

登革病毒(dengue virus, DENV) 属于黄病毒科黄病毒属, 基因组为11 kb的单义正链RNA。DENV基因组编码3种结构蛋白(核壳蛋白C、膜结合蛋白M、胞膜蛋白E) 和7种非结构蛋白(NS1、NS2A、NS2B、NS3、NS4A、NS4B和NS5)。根据抗原的不同, DENV病毒包括4个血清型(DENV-1、-2、-3、-4), 不同血清型之间的基因序列仅具有65%~70%的同源性[1, 2]。临床上, DENV感染可分为普通登革热(dengue fever, DF)、登革出血热(dengue hemorrhagic fever, DHF) 和登革休克综合症(dengue shock syndrome, DSS) 3种病型。人体感染任何一种血清型时, 通常只会引起较轻型的发热并能产生特异性中和抗体, 而非中和性异型抗体可引起抗体依赖性增强作用(antibody-dependent enhancement, ADE)。流行病学研究表明, 90%的DHF和DSS病例发生于继发性异型血清型DENV感染[3-6]

在过去50年中, 全球每年大约有128个国家、3.9亿人口感染, 其中有9 600万人被确诊为不同严重程度的登革热, 全球近一半人口处于DENV感染的风险中[7]。近年来, 我国多个地区发生登革热暴发流行而且有蔓延趋势。尽管DENV感染导致的发病率和死亡率使全球经济和卫生负担日益增加, 但目前尚无批准上市的抗DENV疫苗和药物[8, 9]。因此, 开发有效的抗登革热药物迫在眉睫。

天然产物特有的化学结构使其具有复杂性和生物活性多样性, 其经过了“进化预选”, 是创新药物的重要来源之一。石栗[Aleurites moluccana (L.) Willd] 为大戟科石栗属乔木植物, 主要产于亚洲的热带和亚热带地区。大戟科植物药用价值显著, 在抗菌、抗炎、抗病毒、抗结核、抗肿瘤以及神经生长因子促进作用等方面都有优良的药理活性[10]。石栗的果实石栗子和枝叶都是传统中药材, 主要成分含有脂肪酸类和萜类化合物, 有镇痛、止血、抗炎、抗病毒和抗肿瘤等功效[11]。石栗树叶提取的半固体药物具有镇痛、抗炎和促进伤口愈合作用[12], 树叶和树皮提取物均具有抗HIV-1病毒活性[13]以及抗金葡菌和绿脓杆菌作用[14], 其树叶提取物在大鼠体内有降血脂作用[15]。至今未检索到石栗及其提取物的抗DENV作用的研究报道。据《中药大辞典》记载, 石栗叶具有活血通经, 止血之功效, 主治闭经、金疮出血。作者前期对其枝叶的化学成分开展了研究, 发现了罗汉松烷型二萜(podocarpane diterpenoids)、3, 4-断裂罗汉松烷型二萜(3, 4-seco-podocarpane diterpenoids)、对映-海松烷型二萜(ent-pimarane diterpenoids) 等多种类型的二萜化合物[16]。作者筛选了这些二萜化合物的抗DENV活性, 发现(3α, 5β, 10α)-13-methoxypodocarpa-8, 11, 13-triene-3, 12-diol (MPTD) 对DENV具有显著抑制作用[17]。本研究旨在探索MPTD抗DENV活性, 并对其作用机制进行初步研究, 期望为开发有效的抗DENV药物奠定科学基础。

材料与方法

药物  化合物MPTD从石栗枝叶分离得到, 为无色方晶(CHCl3), 纯度≥98%; 根据质谱ESI-MS m/z 313 [M+Na]+, 推断其分子式为C18H26O3, 相对分子质量为290。核磁波谱数据为: 1H NMR (CDCl3): δH 1.50 (ddd, J = 13.2, 8.8, 4.0 Hz, H-1a), 2.22 (ddd, J = 12.8, 7.0, 3.2 Hz, H-1b), 1.75 (m, H-2a), 1.83 (m, H-2b), 3.31 (dd, J = 12.9, 3.7 Hz, H-3), 1.30 (dd, J = 10.0, 1.6 Hz, H-5), 1.75 (dd, J = 12.6, 6.6 Hz, H-6a), 1.85 (m, H-6b), 2.60 (ddd, J =17.0, 7.2, 5.2 Hz, H-7a), 2.78 (ddd, J = 16.8, 6.8, 4.0 Hz, H-7b), 6.80 (s, H-11), 6.51 (s, H-14), 1.07 (s, Me-18), 0.88 (s, Me-19), 1.17 (s, Me-20), 3.83 (s, OMe); 13C NMR (CDCl3): δC 37.0 (C-1, t), 28.0 (C-2, t), 78.7 (C-3, d), 38.9 (C-4, s), 49.9 (C-5, d), 18.9 (C-6, t), 30.5 (C-7, t), 126.4 (C-8, s), 142.2 (C-9, s), 37.1 (C-10, s), 110.5 (C-11, d), 143.4 (C-12, s), 144.4 (C-13, s), 110.6 (C-14, d), 28.1 (C-18, q), 15.3 (C-19, q), 24.8 (C-20, q), 55.8 (OMe)。结构如图 1所示。表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate, EGCG, 上海麦克林生化科技有限公司); 利巴韦林(ribavirin, 大连美仑生物技术有限公司); MPTD溶于100%二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide, DMSO) 中, 保存于4 ℃备用。

Figure 1 The chemical structure of (3α, 5β, 10α)-13-methoxypodocarpa-8, 11, 13-triene-3, 12-diol (MPTD)

主要试剂  低熔点琼脂糖(美国Amresco公司); 结晶紫(北京索莱宝公司); DMEM、RPMI-1640培养基、胎牛血清(fetal bovine serum, FBS) (Thermo Fisher公司); DENV-2蛋白E抗体(义翘神州公司); 抗甘油醛-3-磷酸脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, GAPDH) 抗体(北京康为世纪公司); MTT (Sigma公司); 二甲基甲酰胺(N, N-dimethyl formamide, DMF) (西陇化工股份有限公司); 逆转录cDNA试剂盒、实时荧光定量PCR (qRT-PCR) 试剂盒、引物及TaqMan探针(Takara公司), RNA提取试剂盒Roche High Pure Viral RNA Kit (Roche公司)。

细胞与病毒  非洲绿猴肾细胞(Vero)、人肝癌细胞(HepG2) 和人肝细胞系(Huh7) 均购自中国科学院昆明动物研究所细胞库。白纹伊蚊细胞(C6/36) 购自中国科学院上海细胞库。Vero、Huh7和HepG2细胞在含10% FBS的DMEM培养基中培养, C6/36细胞于含10% FBS的RPMI-1640培养基中培养, 细胞维持液含2% FBS。所有培养液均含有100 u·mL-1青霉素和100 μg·mL-1硫酸链霉素。DENV-1 D06063株(GenBank: JQ3177413.1)、DENV-2 New Guinea C株(GenBank: KM204118.1)、DENV-3 YNSW1株(GenBank: KR296743.1) 和DENV-4 LD34株(GenBank: 未发表) 均由中国医学科学院昆明医学生物研究所孙明强研究员提供。采用C6/36细胞进行病毒扩增, 噬斑法测定病毒滴度。实验用DENV-1、-2、-3和-4病毒滴度分别为1.07×104、5.6×104、8.69×103和2.32×103 PFU·mL-1

噬斑法检测MPTD对DENV的抑制活性  将对数生长期Vero细胞用含10% FBS的DMEM培养基重悬并调浓度为每毫升3×105个, 每孔1 mL加至12孔板, 在5% CO2、37 ℃的培养箱中培养过夜。待细胞长至单层后弃掉培养上清, 加入DENV感染2 h, 磷酸缓冲盐溶液(phosphate-buffered saline, PBS) 洗涤细胞3次以除去游离病毒, 待测MPTD用4% FBS进行5倍梯度稀释, 每个浓度设3个复孔, 分别设置含病毒和细胞的阳性对照孔(positive control, PC) 和仅含细胞的阴性对照孔(blank control, BC)。每孔加入1 mL药物稀释液和1 mL 2%低熔点琼脂的混合培养基, 待琼脂糖凝固后转移至培养箱连续培养5天, 用4%多聚甲醛固定琼脂块10~15 min, 用PBS洗涤3次, 再用0.8%的结晶紫染色, 用清水清洗残余结晶紫溶液后烘干。酶联荧光斑点分析仪计数噬斑, 用GraphPad Prism软件计算化合物的半数有效浓度(50% effective concentration, EC50)[18]

细胞毒性检测  将Vero细胞接种到96孔板中培养过夜, 加入5倍梯度的化合物稀释液(每孔100 μL), 设置实验组和空白对照组, 每个浓度设3个复孔。在37 ℃培养箱中孵育72 h后, 加入20 μL 5 mg·mL-1 MTT, 于37 ℃孵育4 h, 再加入100 μL的12% SDS-50% DMF溶液并在37 ℃孵育过夜。待结晶甲臜完全溶解后, 使用Elx800酶标仪测量吸光度(A) 值, 波长为570 nm, 参比波长为630 nm, 计算其半数细胞毒性浓度(50% cytotoxic concentration, CC50)。

qRT-PCR检测DENV-2 RNA  用试剂盒Roche High Pure Viral RNA Kit提取细胞上清中的病毒RNA, Trizol法提取细胞内的RNA, 实验步骤遵循试剂盒说明书。在37 ℃下, DENV-2分别感染Vero和Huh7细胞2 h, PBS洗涤3次, 然后加入待测MPTD, 并使用DMSO和未感染的细胞分别作为阳性和阴性对照, 设置3个复孔。在5% CO2、37 ℃的培养箱中共同培养72 h后, 收获细胞上清液提取病毒RNA。使用一步法试剂盒RNA-directTM Real-time PCR Master Mix和TaqMan探针定量检测培养上清中释放的子代病毒RNA。应用DENV-2引物(序列为5'-TTCCTATCCATGTGATAAT GACTCCTA-3'和5'-AGGCTCTCCACCAAGTTTTCG G-3') 及TaqMan探针(序列为5'-FAM/TCCAGGCTCA GATGCTTTTT/TAMRA-3') 进行扩增。qRT-PCR反应条件为: 95 ℃预变性30 s; 95 ℃ 3 s, 60 ℃ 30 s, 共40个循环。

Western blot实验  检测MPTD对DENV-2 E蛋白表达的抑制作用。将Vero细胞加入12孔板(3×105个/孔), 在5% CO2、37 ℃条件下培养过夜。待细胞长成单层, 经DENV-2感染和梯度稀释的MPTD处理后继续共培养72 h, 弃上清并用PBS洗涤3次, 加入含有蛋白酶抑制剂的蛋白裂解液(每孔200 μL) 于冰上裂解30 min, 每10 min晃动细胞板, 轻轻将贴壁细胞吹下后转移至1.5 mL离心管中。离心机提前预冷设置4 ℃、12 000 r·min-1离心10 min, 所得上清即细胞内总蛋白, 用BCA试剂盒测定蛋白浓度。通过SDS-PAGE (sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis) 法检测, 并将其转移到聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF) 膜上, 5%脱脂牛奶封闭, 将PVDF膜与抗DENV-2 E抗体于4 ℃孵育过夜。用化学发光底物呈现特异性信号, 并使用Tanon-5200 Multi Imaging System软件进行分析。

分时给药实验  采用分时给药实验观察MPTD作用的DENV生命周期阶段。将Vero细胞加入到12孔板(3×105个/孔), 在5% CO2、37 ℃条件下培养过夜。DENV-2感染Vero细胞2 h, 用PBS洗去游离病毒。分别在感染后(0、1、2、4、6、12、24 h) 加入50 μmol·L-1 MPTD, 培养24 h后收集病毒上清。qRT-PCR定量检测上清中的DENV-2 RNA。

病毒结合实验  Vero细胞接种DENV-2后, 将MPTD和细胞添加到12孔板中, 并在4 ℃下孵育2 h, PBS洗涤未结合的病毒颗粒和残留MPTD。然后, Trizol法提取细胞内的RNA并通过qRT-PCR方法检测细胞中DENV的载量。

统计学方法  实验数据采用GraphPad Prism 6软件进行分析, 数据以x±s表示, 组间比较采用t检验, 以P < 0.05为差异有统计学意义。

结果 1 MPTD抑制不同血清型DENV的复制

据文献报道[19], 利巴韦林具有抗DENV作用, 因此将其设置为阳性对照。应用噬斑法检测利巴韦林和MPTD对不同血清型DENV的抑制效果, 通过统计在不同药物浓度下的噬斑数并与PC组进行比较, 计算化合物对DENV的抑制率。结果显示(图 2), 利巴韦林和MPTD对DENV的抑制均呈剂量依赖关系。利巴韦林对DENV-2的EC50为40.78 ± 1.02 μmol·L-1, MPTD对DENV-1、-2、-3和-4的EC50分别为2.72 ± 0.39、10.99 ± 5.18、18.72 ± 0.21和0.48 ± 0.28 μmol·L-1, 表明MPTD的抗DENV活性优于利巴韦林。

Figure 2 Inhibitory effects of MPTD on dengue viruses (DENVs) by plaque assay. A: Inhibition of plaque formation of ribavirin on DENV-2; B: Dosage-dependent inhibition of MPTD on different DENV serotypes by plaque assay. PC: Positive control; BC: Blank control; EC50: 50% effective concentration
2 MPTD对宿主细胞的毒性

应用MTT法测定MPTD对病毒感染宿主细胞Vero和Huh7的细胞毒性。结果显示, MPTD对Vero和Huh7细胞的毒性都很小, 其CC50均大于200 μmol·L-1 (图 3)。MPTD对DENV 1~4血清型的治疗指数(CC50/EC50) 分别为: > 73.53、> 18.2、> 10.68和 > 416.67。

Figure 3 The cytotoxicity of MPTD on Vero and Huh7 cells by MTT assay
3 MPTD抑制DENV-2复制和病毒E蛋白表达

采用实时荧光定量PCR法检测MPTD对DENV-2的RNA复制的抑制作用, 以利巴韦林给药组为对照实验组。结果表明, 利巴韦林在Vero细胞和Huh7细胞中抑制DENV-2产生病毒RNA的EC50分别为 > 50和7.28 ± 1.23 μmol·L-1, MPTD在Vero细胞和Huh7细胞中抑制DENV-2产生病毒RNA的EC50分别为3.88 ± 0.24和4.125 ± 0.74 μmol·L-1 (图 4A)。因此, MPTD能够有效抑制DENV-2病毒的复制, 其活性略优于利巴韦林。应用免疫印迹实验检测MPTD对DENV-2 E蛋白表达的作用, 结果表明, MPTD对DENV-2 E蛋白的表达呈剂量依赖性抑制作用(图 4B)。以上结果提示, MPTD对DENV-2 RNA的复制及E蛋白的表达均具有显著抑制作用。

Figure 4 MPTD inhibits DENV-2 RNA production and protein E expression. A: Inhibition of MPTD and ribavirin on DENV-2 RNA production in Vero or Huh7 cells; B: Inhibition of MPTD on DENV-2 protein E (DENV-E) expression. GAPDH: Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
4 MPTD作用于DENV-2复制周期的早期阶段

应用分时给药实验研究MPTD在不同时间点处理感染细胞的作用, 以观察其作用于DENV生命周期的阶段(图 5A)。结果显示, 用MPTD在病毒感染Vero细胞后的早期阶段(0、2、6 h) 处理, DENV-2 RNA的产生显著减少(图 5B), 提示MPTD对DENV-2的抑制作用可能在病毒复制的早期阶段。已有研究证实EGCG是DENV-E蛋白抑制剂[20], 因此分别设置EGCG给药组和MPTD给药组, 检测MPTD对病毒结合宿主细胞的影响, 分别与感染DENV-2的Vero细胞于4 ℃条件下共培养2 h。结果显示, MPTD组和EGCG组的DENV-2 RNA水平无显著差异, 提示MPTD可能不会影响DENV的结合(图 5C)。

Figure 5 MPTD inhibits the early phase of the DENV replication cycle. A: Schematic diagram of time of drug addition assay; B: The inhibition of RNA production at 50 μmol·L-1 MPTD on DENV-2 replication cycle by time of drug addition assay; C: Inhibition of DENV-2 entry by 50 μmol·L-1 MPTD. *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001. EGCG: Epigallocatechin gallate
讨论

随着对DENV的蛋白结构和功能、病毒与宿主的相互作用、天然免疫通路以及病毒免疫逃逸功能等方面的深入研究, 同时结合天然产物分离鉴定技术和化合物合成等技术的不断进步, 越来越多的抗病毒药物将被发现[21, 22]

本文发现MPTD在体外具有抗DENV活性, 其在细胞水平对DENV的抑制作用优于利巴韦林。病毒的侵入过程是感染宿主的重要阶段, 研发可抑制DENV进入细胞早期阶段的药物具有重要意义。通过分时给药实验发现, MPTD在0、2、6 h对DENV具有抑制作用, 推断其可能作用于病毒复制的早期阶段。E蛋白介导DENV与细胞受体的结合和融合过程, 表没食子儿茶素没食子酸酯EGCG是E蛋白抑制剂, 比较EGCG与MPTD对DENV的抑制活性发现, MPTD不通过抑制DENV-E蛋白而使病毒失去感染能力。由于MPTD在2~6 h同样对DENV的复制具有较强抑制作用, 因此作者推测MPTD的抗DENV作用机制可能是抑制病毒的蛋白质合成过程。本研究结果发现, MPTD为植物来源的化合物且具有较好的抗DENV活性, 将为研发抗DENV感染的新型先导化合物并为临床治疗DENV感染引起的严重疾病奠定基础。

作者贡献: 汪芳、姚债文和罗荣华负责抗病毒活性实验实施并采集整理实验数据; 严欢负责化合物纯化和鉴定; 刘海洋和郑永唐负责指导实验设计、研究经费支持及论文修改。

利益冲突: 所有作者均声明不存在利益冲突。

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