膽紅素新發(fā)現(xiàn)：一種基于代謝產(chǎn)物的抗瘧疾機制
黃疸是惡性瘧原蟲（P. falciparum）瘧疾的常見表現(xiàn)，它是由循環(huán)膽紅素的積累引起的。近期，國際研究團隊在《Science》上發(fā)表了題為“A Metabolite-Based Resistance Mechanism Against Malaria”的研究成果。研究發(fā)現(xiàn)，未結(jié)合膽紅素通過靶向紅細(xì)胞中瘧原蟲線粒體、抑制嘧啶合成和干擾瘧原蟲血紅素結(jié)晶（hemozoin，Hz），形成代謝防御機制。這一發(fā)現(xiàn)表明黃疸可能是一種對瘧原蟲感染的代謝反應(yīng)，能夠限制瘧疾的嚴(yán)重程度。該研究為抗瘧研究提供了新視角，基于膽紅素的作用機制，有望開發(fā)出新一代抗瘧藥物，通過增強人體自身的防御機制來對抗瘧疾。
對一組感染惡性瘧原蟲無癥狀或有癥狀瘧疾患者的分析表明，無癥狀惡性瘧原蟲感染者血漿中未結(jié)合的膽紅素與寄生蟲負(fù)荷的比值比有癥狀虐疾患者高出10倍以上。由于未結(jié)合膽紅素在體外可抑制惡性瘧原蟲的增殖，作者推測血漿中未結(jié)合膽紅素的積累是對惡性瘧原蟲感染的一種適應(yīng)性反應(yīng)。為了驗證這一假設(shè)，作者用P. chabaudi chabaudi AS（Pcc）感染C57BL/6J小鼠，這是一種成熟的非致死性瘧疾實驗?zāi)Ｐ?。結(jié)果發(fā)現(xiàn)循環(huán)中未結(jié)合膽紅素的濃度在感染后第4至7天急劇增加，與惡性瘧原蟲瘧疾患者的范圍相當(dāng)。而缺乏膽綠素還原酶A（biliverdin reductase A，BVRA）的Blvra-/-小鼠都在7-10天內(nèi)死于感染。這表明BVRA產(chǎn)生的膽紅素對瘧原蟲感染具有保護作用。
未結(jié)合膽紅素的藥理學(xué)給藥能保護Blvra-/-小鼠免于Pcc感染。較高劑量的膽紅素使感染Pcc的Blvra-/-小鼠的存活率恢復(fù)到與感染Pcc的Blvra+/+小鼠相同的程度。這表明Pcc感染導(dǎo)致Blvra-/-小鼠死亡的原因是缺乏膽紅素的產(chǎn)生，這意味著BVRA對抗瘧疾的保護作用是由膽紅素介導(dǎo)的。
同時，作者發(fā)現(xiàn)，與未感染的對照組相比，小鼠在感染瘧原蟲7天后其肝臟中Ugt1a1 mRNA和UGT1A1蛋白的相對表達水平顯著降低。這表明瘧原蟲感染后循環(huán)膽紅素的積累是通過抑制肝臟UGT1A1蛋白的表達得以持續(xù)的。隨后作者通過CRISPR-Cas9技術(shù)對DBA/2小鼠肝臟進行靶向Ugt1a1的gRNA轉(zhuǎn)導(dǎo)來抑制其肝臟中UGT1A1的表達。和對照組相比，轉(zhuǎn)導(dǎo)Ugt1a1 gRNA組小鼠的血漿中未結(jié)合膽紅素的濃度明顯升高，且更具有顯著的生存優(yōu)勢。這些結(jié)果表明，肝臟UGT1A1在瘧原蟲感染時受到抑制，對預(yù)防瘧疾有保護作用。
圖1.非結(jié)合型膽紅素可以抵抗瘧疾
（圖片源自《Science》）
為了探究膽紅素降低瘧原蟲毒力的機制，作者研究了膽紅素是否直接靶向體外紅細(xì)胞內(nèi)的惡性瘧原蟲。作者發(fā)現(xiàn)，未結(jié)合膽紅素抑制了惡性瘧原蟲3D7的增殖，且這種抗增殖效應(yīng)具有劑量依賴性，即膽紅素濃度越高，惡性瘧原蟲的增殖越低。另外，與對照循環(huán)感染紅細(xì)胞（iRBC）相比，未結(jié)合膽紅素導(dǎo)致葡萄糖和6-磷酸葡萄糖在惡性瘧原蟲3D7感染的iRBC中顯著積累。此外，未結(jié)合膽紅素降低了惡性瘧原蟲3D7感染的iRBC中琥珀酸、天冬氨酸、富馬酸和單磷酸腺苷（AMP）的相對水平。這表明膽紅素?fù)p害了惡性瘧原蟲的中心碳代謝。和對照Blvra+/+小鼠相比，Blvra-/-小鼠的Pcc環(huán)狀期和滋養(yǎng)體顯示出糖酵解和線粒體ATP代謝相關(guān)基因表達的增加，這表明未結(jié)合膽紅素通過靶向寄生蟲糖酵解基因表達的機制損害瘧原蟲的中心碳代謝和線粒體功能。
膽紅素瘧原蟲屬（Plasmodium spp.）復(fù)制依賴于從頭嘧啶合成，通過線粒體內(nèi)膜二氫乳清酸脫氫酶（DHODH）催化二氫乳清酸（DHO）轉(zhuǎn)化為乳清酸。惡性瘧原蟲3D7感染iRBC暴露于未結(jié)合膽紅素會導(dǎo)致DHO和尿苷單磷酸（UMP）顯著減少，UMP是寄生蟲從頭嘧啶合成中DHODH的下游產(chǎn)物。這表明未結(jié)合膽紅素的抗增殖作用是通過一種損害線粒體依賴性嘧啶合成的機制發(fā)揮的。
圖2.膽紅素抑制惡性瘧原蟲增殖并破壞其線粒體完整性和功能
（圖片源自《Science》）
通過活細(xì)胞共聚焦顯微鏡成像觀察到惡性瘧原蟲3D7在體外暴露于未結(jié)合的膽紅素與iRBC中Hz晶體的分散有關(guān)，而等摩爾量的膽綠素對Hz沒有影響。這表明膽紅素直接或間接地干擾從血紅蛋白中提取的血紅素到Hz晶體的解毒作用。
與膽紅素在體外抑制血紅素結(jié)晶的觀點一致，與Blvra+/+小鼠相比，在感染Pcc的Blvra-/-小鼠中循環(huán)iRBC中血紅素結(jié)晶的積累水平更高。這表明膽紅素作為一種“生理性”抗瘧代謝物，干擾血紅素結(jié)晶，類似于基于喹啉的抗瘧藥物。基于喹啉的抗瘧藥物對血紅素結(jié)晶的抑制會損害寄生蟲的消化性食物泡，作者推測膽紅素也會破壞寄生蟲的食物泡。隨后，作者通過共聚焦顯微鏡活體成像量化技術(shù)和透射電子顯微鏡證明了這一假設(shè)。
圖3. 膽紅素抑制Hz的形成并破壞惡性瘧原蟲的食物泡
（圖片源自《Science》）
本研究表明，瘧原蟲感染誘導(dǎo)膽紅素產(chǎn)生是一種基于代謝物的抗瘧疾機制，這一機制揭示了瘧疾患者黃疸現(xiàn)象的進化意義。
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