Science | 抗疟新理论——未结合胆红素是一种内源性抗疟因子

撰文 |Sure

疟原虫寄生在红细胞中，导致溶血释放出血红蛋白【1】。接着血红蛋白会被氧化降解，释放出游离的血红素，从而引起血液中胆红素增加【2】。游离的血红素具有强氧化性和毒性，是疟疾等疾病中重要的病理因子。为了抵御游离血红素的毒性，机体会启动解毒机制：（1）通过血红素氧合酶1（OH-1）把血红素分解为胆绿素；（2）胆绿素还原酶A（BVRA）将其进一步还原为疏水性的未结合胆红素；（3）未结合的胆红素无法直接溶于水，需通过与白蛋白结合运输到肝脏后，由UDP葡萄糖醛酸转移酶UGT1A1催化生成可溶性的结合胆红素；（4）结合胆红素最终通过胆汁排入肠道或经尿液排出体外【3-7】。在严重疟疾中，血浆胆红素水平升高到一定程度时，会出现黄疸，这种情况被称为疟疾性黄疸。过去的观点普遍认为黄疸是疟疾严重的表现，现在有人提出了不同的观点，即胆红素积累可能是宿主应对疟原虫感染的适应性反应。

近日， 来自 葡萄牙 古尔班基安分子医学研究所 的 Miguel P. Soares 在 Science 上 发表了 研究论文 A metabolite-based resistance mechanism against malaria 。 在本研究中， 作者发现宿主代谢物——未结合胆红素是一种内源性抗疟因子，通过多靶点机制限制疟原虫感染。

传统的研究手段发现疟疾症状严重程度与寄生虫负荷量、总胆红素、结合胆红素以及未结合胆红素含量成正比，这些结果从表象上反映了黄疸和胆红素含量升高是更严重感染的副产物。但是，作者指出临床标准的胆红素检测方法在疟疾背景下并不准确，主要是由于未结合胆红素与白蛋白结合，影响了比色法测定的结果。在本研究中，作者使用一种胆红素感应荧光蛋白UnaG，发现无症状感染者的未结合胆红素浓度为8-50 μM ，有症状感染者浓度为14-67 μM ，这两组数据都远高于临床检测结果。无症状感染者中，未结合胆红素/寄生虫负荷比值10倍高于有症状感染者。这些发现改变了我们对胆红素的理解：它可能不仅是症状指标，同时还可能是影响疾病状态的代谢产物。

接下来，作者对未结合胆红素/寄生虫负荷比值在无症状感染者中更高这一现象进行了详细解析。利用小鼠感染非致死性疟原虫 Pcc AS，UnaG检测发现感染后4-7天血浆中未结合胆红素水平迅速升高，这是由BVRA催化产生。然而，在BVRA基因敲除小鼠（ Blvra −/− ）中，由于无法合成胆红素，即使是感染非致死性疟原虫 Pcc 也会导致小鼠在7-10内全部死亡。如果给 Blvra −/− 小鼠注射外源未结合胆红素，则可以提高其存活率。这些结果证实了作者的猜测，即 未结合胆红素的产生不仅仅是感染的副产物，还对感染具有明显的保护作用 。进一步研究发现，疟原虫感染并不增加BVRA表达，而是强烈诱导HO-1表达，同时抑制UGT1A1表达，即抑制胆红素在肝脏被结合转化为可排泄形式。

机制层面，作者发现 胆红素能有效抑制寄生虫数量的增长，这是通过阻碍疟原虫生长发育和抑制其毒力来实现的 。根据单细胞疟原虫图谱将单个寄生虫转录组归入特定的发育阶段，作者发现 Blvra −/− 小鼠感染的疟原虫发育周期中早期滋养体（ trophozoites ）的数量显著增加，这是寄生虫开始活跃摄取营养，快速生长变大的关键时期。而在 Blvra + / + 小鼠中，由于胆红素可以正常合成，疟原虫则处于正常生长发育阶段，这表明胆红素对于抑制疟原虫进入早期滋养体阶段至关重要。此外，单细胞RNA-seq数据还表明，在 Blvra −/− 小鼠中生长的寄生虫毒力基因表达显著上调，包括免疫逃逸基因和多种毒力因子。

胆红素是如何发挥抗疟原虫感染的作用？作者继续对这个问题进行研究。通过扫描电镜和荧光技术，研究发现胆红素可以特异性积聚于感染的红细胞，而在正常红细胞中几乎不存在。胆红素暴露导致寄生虫糖酵解中间产物异常积累（如葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸），而能量代谢终产物如AMP、琥珀酸等显著减少。此外，胆红素能诱导疟原虫线粒体功能损伤，抑制线粒体依赖的嘧啶合成途径，说明 胆红素可以直接作用于疟原虫的核心代谢系统，使其能量供应异常 。有趣的是作者发现不依赖线粒体合成嘧啶的工程化疟原虫也可以被胆红素抑制生长。这表明胆红素的作用并不止于抑制寄生虫的代谢系统。

文章的最后，作者对胆红素的其他机制进行了揭示。氯喹是一种经典的抗疟药物，它的作用机制是靶向疟原虫的食物空泡系统，感染其解毒过程。在本研究中，作者发现胆红素也可以靶向食物空泡系统，抑制疟原虫将有毒的血红素转化为无毒晶体形式，虽然效果弱于氯喹，但作用机制非常类似。同时，胆红素还可以导致滋养体阶段寄生虫食物空泡结构破裂。这些结果表明， 胆红素破坏了疟原虫最基本的营养获取系统，并阻碍其解毒系统的正常运行 。

总的来说， 作者揭示了疟原虫感染时宿主的中间产物胆红素在抗疟疾中意想不到的重要作用。胆红素抗疟作用类似于氯喹，但靶点更多，机制更广，具有交互增强作用。这一发现对于未来基于胆红素开发新一代抗疟药提供了关键理论支持。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq6741

制版人： 十一

参考文献

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