李健蕊,陳金花,李虎,董飚,馬雪梅,彭宗根
黃芩苷抗丙型肝炎病毒的活性研究
李健蕊,陳金花,李虎,董飚,馬雪梅,彭宗根
目的研究黃芩苷抗丙型肝炎病毒(HCV)的活性。
肝炎病毒屬; 黃芩苷; 蛋白酶抑制藥; 藥物協(xié)同作用
丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)屬于黃病毒科丙型肝炎病毒屬[1],是引起病毒性肝炎的主要病原體之一,呈全球性流行。近年來,國外多個靶向 HCV 復制酶的直接抗病毒藥物(DAA)已經(jīng)相繼進入臨床應用,大幅度地提高了患者的治愈率[2],但由于 HCV RNA 聚合酶沒有校正功能,HCV 快速復制易導致耐藥突變,使治療無效或反彈[3-5],因此研發(fā)新的抗 HCV 藥物刻不容緩。我們在尋找抗 HCV 藥物的過程中,發(fā)現(xiàn)天然產(chǎn)物黃芩苷(baicalin)具有抗 HCV 蛋白酶的活性。黃芩苷具有廣泛的藥理作用,除抗炎、抗癌、抗氧化及解熱作用外,還具有抗呼吸道合胞病毒、新城疫病毒、流感病毒、登革熱病毒、人類免疫缺陷病毒、乙型肝炎病毒等病毒的作用[6-11],但未見黃芩苷有抗HCV 活性的報道。本文利用本實驗室建立的一系列抗 HCV 藥物研發(fā)模型分析了黃芩苷的抗 HCV活性。
1.1 材料
1.1.1 細胞和病毒 人肝細胞系 Huh7.5 細胞為美國 Vertex 制藥公司惠贈;感染性 HCV 病毒株為 J6/JFH-1/JC,本實驗室將含有重組全長 HCV cDNA 的 pFL-J6/JFH/JC1 質(zhì)粒(美國 Vertex 制藥公司惠贈)經(jīng) Xba I 酶切純化,得到 HCV cDNA,經(jīng) T7 轉(zhuǎn)錄試劑盒體外轉(zhuǎn)錄得到 HCV RNA,轉(zhuǎn)染正常 Huh7.5 細胞,收集上清獲得具有感染性的病毒液[12]。感染性 HCV 突變株 A156T、D168V 和S282T 為 J6/JFH-1/JC 的定點突變株,按照野生型方法制備具有感染性的 HCV 突變病毒。
1.1.2 藥物、抗體及底物 黃芩苷和黃芩素(baicalein)購自中國食品藥品檢定研究院;特拉匹韋(telaprevir)、西咪匹韋(simeprevir)和索非布韋(sofosbuvir)三種原料藥物均購自MedChemExpress 公司。小鼠抗 β-actin 單克隆抗體購自北京中杉金橋生物技術公司;HCV Core 蛋白單克隆抗體(抗體號 ab2740)、HCV NS3 蛋白單克隆抗體(抗體號 ab13830)購自英國 Abcam 公司??剐∈?IgG HRP-linked 購自美國 Cell Signaling公司;HCV Protease 底物 FRET Substrate(RET S1)購自美國 AnaSpec 公司;HCV Helicase 底物(Cy5 top strand:5'-/CY5/CCTACGCCACCAGCTCCGTA GG/BHQ/-3' 和 HairpinCy5 bottom strand:5' CCTA CGGAGCTGGTGGCGTAGG(T)203')由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。
1.1.3 主要試劑 DMEM、胎牛血清、Penicillin-Streptomycin 雙抗、PBS 和 0.05%-EDTA胰酶均購自美國 Gibco 公司;實時熒光定量試劑盒 AgPath-ID one-step RT-PCR kit 購自美國Invitrogen 公司;CytoBusterTM細胞蛋白提取液購自美國 Novagen 公司;30% 丙烯酰胺溶液購自美國 Bio-Red 公司;PVDF 膜和辣根過氧化物酶(HRP)化學發(fā)光底物購自美國 Millipore 公司;1.5 mol/L Tris-Cl(pH 8.8)和 1 mol/L Tris-Cl(pH6.8)購自北京普利萊基因技術有限公司。
1.2 方法
1.2.1 化合物抑制 HCV-NS3/4A 蛋白酶活性的測定 采用熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)法[13],以特拉匹韋作為陽性對照藥,檢測化合物抑制 HCV NS3/4A 蛋白酶活性,并用 Reed-Muench 法計算化合物抑制蛋白酶活性的半數(shù)抑制濃度(IC50)。
1.2.2 化合物抑制解旋酶活性的測定 應用FRET 法檢測 HCV NS3 解旋酶活性[14]。96 孔熒光酶標反應板中反應體積為 200 μl,緩沖液 pH值為 7.0,底物終濃度為 5 nmol/L,酶終濃度為5 μg/ml,ATP 的終濃度為 2.5 mmol/L。在 22 ℃開始反應,熒光檢測儀測定反應前后的熒光信號(ex=620,em=665),計算化合物對解旋酶的抑制率。抑制率(%)=(酶對照熒光強度 – 加藥熒光強度)/(酶對照熒光強度 – 空白對照熒光強度)×100%。
1.2.3 化合物對細胞的毒性試驗 用 MTT 染色法檢測化合物對細胞的毒性[15]。Huh7.5 細胞以 3×104個/cm2的密度種入 96 孔板培養(yǎng)。藥物處理細胞 72 h 后,每孔加入 10 μl 濃度為 5 μg/ml 的MTT 溶液,4 h 后,每孔加 100 μl DMSO,室溫振蕩孵育 10 min,測定 570 nm 處的吸光值。用Reed-Muench 法計算化合物的半數(shù)細胞毒性濃度(CC50)。
1.2.4 化合物在細胞培養(yǎng)內(nèi)抗 HCV 活性的檢測 Huh7.5 細胞以 3×104個/cm2的密度接種到6 或 96 孔板中。培養(yǎng) 24 h 后,感染野生型或A156T、D168V 和 S282T 耐藥突變 HCV,用45 IU/細胞的病毒感染量,同時加藥物處理。培養(yǎng)72 h后,用 RNeasy mini kit 提取細胞總 RNA,用細胞蛋白提取液提取細胞總蛋白。細胞內(nèi) HCV RNA 水平用 qRT-PCR 法檢測[16]。細胞內(nèi) HCV Core 及 NS3 蛋白的表達水平用 Western blot 檢測[17]。結果中蛋白條帶信號密度值用 Gelpro 32 軟件掃描分析,并以對照組中目的蛋白/內(nèi)參蛋白的比值為 1.00 作標準化處理。
1.2.5 黃芩苷與已知抗 HCV 藥物聯(lián)用抗 HCV作用 Huh7.5 細胞以 3×104個/cm2的密度接種到 6 孔板中。24 h 后分別給予單劑量的黃芩苷、索非布韋、西咪匹韋、黃芩苷與索非布韋聯(lián)用或黃芩苷與西咪匹韋聯(lián)用,并同時用 HCV 病毒上清液感染 Huh7.5 細胞。感染 72 h 后提取總蛋白,用Western blot 法檢測 HCV Core 蛋白。用金正均 q值法[18]判斷藥物聯(lián)用后的作用性質(zhì)。q=Ea+b /(Ea+Eb–Ea×Eb),Ea 為 A 藥單獨給藥時藥效,Eb為 B 藥單獨給藥時藥效,Ea+b 為兩藥聯(lián)用時藥效,q=1為相加作用,q > 1為協(xié)同作用,q < 1為拮抗作用。
1.3 統(tǒng)計學處理
2.1 黃芩苷抑制 HCV NS3/4A 蛋白酶的活性
FRET 法測定結果(圖 1)顯示,黃芩苷在無細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中抑制 HCV NS3/4A 蛋白酶的IC50值為(74.43 ± 1.16)μmol/L,陽性藥特拉匹韋抑制 HCV NS3/4A 蛋白酶的 IC50值為(0.13 ± 0.13)μmol/L。黃芩素是黃芩苷的苷元,其對 HCV NS3/4A 蛋白酶也具有抑制作用[IC50值為(24.13 ± 3.75)μmol/L]。
2.2 黃芩苷對 HCV NS3 解旋酶無抑制活性
FRET 法分析黃芩苷對 HCV NS3 解旋酶的抑制作用顯示,黃芩苷對 HCV NS3 解旋酶沒有抑制活性(表 1)。
2.3 黃芩苷在細胞培養(yǎng)內(nèi)具有抗 HCV 感染活性
由于黃芩苷在體外無細胞反應系統(tǒng)中有特異性抑制 HCV NS3/4A 蛋白酶的活性,本實驗進一步分析其在 Huh7.5 細胞培養(yǎng)內(nèi)抗野生型 HCV感染的活性。結果見圖 2A,黃芩苷對 Huh7.5 細胞的 CC50為(781.667 ± 144.140)μmol/L,EC50為(31.306 ± 9.559)μmol/L,并呈明顯的劑量依賴關系,選擇指數(shù)(SI)為 25。陽性藥特拉匹韋也具有較強的抗 HCV 作用(圖 2B)。隨后,我們在蛋白水平上對黃芩苷的抗 HCV 活性進行了驗證。結果如圖 3 所示,黃芩苷給藥處理 72 h 后,細胞內(nèi)HCV Core 和 NS3 蛋白均顯著降低,且隨給藥濃度增加其抑制活性增強,說明黃芩苷確有抗 HCV的作用。
圖1 化合物抑制 HCV NS3/4A 蛋白酶活性(A:黃芩素;B:黃芩苷;C:陽性對照特拉匹韋)Figure 1 Compounds inhibited HCV NS3/4A serine protease activity detected with FRET assay (A:Baicalein; B:Baicalin; C:Positive compound telaprevir)
表1 黃芩苷對 HCV NS3 解旋酶的抑制活性Table 1 Baicalin did not inhibit HCV NS3 helicase activity detected with FRET
圖2 黃芩苷(A)和特拉匹韋(B)在 Huh7.5 細胞內(nèi)抗 HCV 感染的活性Figure 2 Baicalin (A) and telaprevir (B) inhibited HCV replication at RNA level in Huh7.5 cells with no cytotoxicity
2.4 黃芩苷在細胞培養(yǎng)內(nèi)對 HCV 耐藥突變株的抑制活性
D168V 和 A156T 是臨床上報道最多的針對NS3/4A 蛋白酶抑制劑的耐藥突變株,分別對西咪匹韋和特拉匹韋耐藥,S282T 突變則是針對多聚酶抑制劑索非布韋的耐藥突變株[19]。為分析黃芩苷在細胞培養(yǎng)內(nèi)對 HCV 耐藥突變株的抑制活性,分別用野生型(WT)HCV 和耐藥突變型 HCV 感染Huh7.5 細胞,同時用陽性藥和黃芩苷處理細胞72 h 后,結果見表 2。
圖3 黃芩苷在 Huh7.5 細胞內(nèi)抗 HCV 感染的活性Figure 3 Baicalin inhibited HCV replication at protein level in Huh7.5 cells
表2 藥物在 Huh7.5 細胞培養(yǎng)內(nèi)對野生型和突變型 HCV 的抑制作用Table 2 Compounds inhibited HCV replication against WT and mutant type HCV in Huh7.5 cells
圖4 黃芩苷在 Huh7.5 細胞培養(yǎng)內(nèi)與索非布韋(A)或西咪匹韋(B)聯(lián)合抗 HCV 的作用(Con:溶劑對照組;Bac:25 μmol/L 黃芩苷;Sof:0.05 μmol/L 索非布韋;Sim:0.01 μmol/L 西咪匹韋)Figure 4 Baicalin inhibited HCV replication with sofosbuvir (A) or simeprevir (B) in Huh7.5 cells (Con:Control; Bac:25 μmol/L baicalin; Sof:0.05 μmol/L sofosbuvir; Sim:0.01 μmol/L simperivir)
特拉匹韋對 A156T 突變株 HCV 的抑制作用明顯弱于對野生型 HCV 的抑制作用,耐藥倍數(shù)高達 43 倍,說明 A156T 突變株對特拉匹韋耐藥。而黃芩苷對野生型和 A156T 突變型 HCV 抑制作用無顯著性差異,提示黃芩苷對 A156T 耐藥突變病毒具有高耐藥屏障。
西咪匹韋對野生型和 D168V 突變型 HCV的抑制作用具有明顯差異,其耐藥倍數(shù)為 41 倍,說明 D168V 突變型 HCV 對西咪匹韋耐藥。而黃芩苷對野生型和 D168V 突變型 HCV 的抑制作用則無明顯差異,提示黃芩苷對 D168V 突變型HCV 耐藥突變病毒具有高耐藥屏障。
索非布韋對野生型和 S282T 突變型 HCV 的抑制作用具有明顯差異,但其耐藥倍數(shù)僅為 4 倍,說明索非布韋也具有高耐藥屏障的特性[20]。黃芩苷對野生型和 S282T 突變型 HCV 的抑制作用也沒有明顯差異,提示黃芩苷對 S282T 突變型 HCV具有高耐藥屏障。
2.5 藥物聯(lián)用的抗 HCV 作用
為了進一步探討黃芩苷抗病毒的優(yōu)勢,我們選擇有不同作用機制的上市藥物索非布韋和西咪匹韋聯(lián)用觀察其聯(lián)合抗 HCV 的作用。結果顯示,25 μmol/L 黃芩苷與 0.05 μmol/L 索非布韋聯(lián)合用藥時,兩者具有協(xié)同抗病毒作用(圖4A,q=1.05),但 25 μmol/L 黃芩苷與 0.01 μmol/L 索非布韋聯(lián)合用藥時,兩者具有拮抗作用(圖 4B,q=0.43)。
黃芩苷屬于黃酮類化合物,是中草藥中常見的天然化合物,功能多效,不良反應少,具有抗多種病毒的活性[6-11],是一種廣譜抗病毒候選物。我們首先發(fā)現(xiàn)黃芩苷具有抗 HCV 的作用。機制研究結果顯示,黃芩苷抗 HCV 的作用是通過抑制 HCV NS3/4A 蛋白酶活性發(fā)揮,而對 HCV NS3 解旋酶則沒有抑制活性。
現(xiàn)有 NS3/4A 蛋白酶抑制劑根據(jù)其作用特點可分為兩類:一類是基于 NS3/4A 蛋白酶的底物設計的,其抑制原理是利用不易被切割的底物類似物來競爭 NS3/4A 蛋白酶反應中心;另一類是基于NS3/4A 蛋白酶的酶切產(chǎn)物而設計,其抑制原理是NS3/4A 蛋白酶產(chǎn)生的酶切 N 末端產(chǎn)物可占據(jù)NS3/4A 蛋白酶的活性位點,這兩類均為擬肽類大分子抑制劑[21-24]。黃芩苷是小分子黃酮類化合物,與現(xiàn)有多肽類蛋白酶抑制劑結構差異很大,雖然其活性尚不如現(xiàn)有 DAA 藥物的活性,但可作為先導化合物,為今后的結構改造和優(yōu)化提供可能。
由于 HCV RNA 聚合酶沒有校正功能,HCV快速復制易導致耐藥突變。這些突變的出現(xiàn),使治療無效或反彈。我們的結果顯示,黃芩苷對這些耐藥突變位點均具有抑制作用,其活性與其抑制野生型的相當,顯示了黃芩苷具有高耐藥屏障的優(yōu)勢。這可能是其與現(xiàn)有 DAA 藥物的結構類型不同的緣故,這為產(chǎn)生耐藥的患者提供了一種選擇。
由于黃芩苷結構的獨特性,有望與其他 DAA藥物聯(lián)用產(chǎn)生協(xié)同作用。但我們的結果顯示,黃芩苷只與有不同作用機制的索非布韋有協(xié)同抗 HCV的作用,與有相同作用機制的西咪匹韋聯(lián)用則顯示出了拮抗作用,提示黃芩苷在蛋白酶上的作用位點與現(xiàn)有蛋白酶抑制劑的作用位點有重疊,或由于黃芩苷與蛋白酶結合后導致構象改變從而影響了西咪匹韋的活性,也或由于其他因素如代謝等問題影響了它們之間的聯(lián)合抗 HCV 的作用,其機制有待深入研究。
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The inhibitory activity of baicalin and its mechanism against hepatitis C virus in vitro
LI Jian-rui,CHEN Jin-hua,LI Hu,DONG Biao,MA Xue-mei,PENG Zong-gen
ObjectiveTo evaluate the inhibitory activity of baicalin against hepatitis C virus (HCV) in vitro.MethodsThe effect of compounds against HCV NS3/4A protease and NS3 helicase was detected with fluorescence resonance energy transfer assay in cell free system.The anti-HCV activity on wild and mutant type HCV replication was evaluated in HCV-infected Huh7.5 cells at RNA and protein levels.ResultsBaicalin showed inhibitory activity on HCV NS3/4A protease with no effect on HCV NS3 helicase.In Huh7.5 cells,baicalin inhibited wild type of HCV replication with half maximum effective concentration (EC50) of (31.306 ± 9.559) μmol/L,and inhibited A156T,D168V and S282T drug-resistance mutant HCV replication with EC50of (53.175 ± 19.141) μmol/L,(66.722 ± 30.994) μmol/L,and (63.673 ± 19.770) μmol/L,respectively.Baicalin also showed synergistic effect against HCV with polymerase inhibitor sofosbuvir,but showed antagonistic action with protease inhibitor telaprevir.ConclusionBaicalin shows anti-HCV effect with the action mechanism of inhibiting HCV protease and it is effective for common drug-resistant mutant HCV and exerts synergistic antiviral effect with polymerase inhibitor.
Hepacivirus; BAICALIN; Protease inhibitor; Drug synergism
PENG Zong-gen,Email:pumcpzg@126.com
國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金(81322050);教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-12-0072);中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院協(xié)和學者特聘教授項目(2016)
100050 北京,中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院醫(yī)藥生物技術研究所病毒室(李健蕊、陳金花、李虎、董飚、彭宗根);100124 北京工業(yè)大學生命科學與生物工程學院(馬雪梅)
彭宗根,Email:pumcpzg@126.com
2017-02-07
10.3969/j.issn.1673-713X.2017.02.002
方法在體外無細胞系統(tǒng)中應用熒光共振能量轉(zhuǎn)移法檢測黃芩苷對 HCV NS3/4A 蛋白酶和 NS3 解旋酶的抑制活性;在 Huh7.5 細胞培養(yǎng)內(nèi)分析其對野生型及臨床常見耐藥型 HCV 感染的抑制作用,并考察與目前臨床應用的抗病毒藥物聯(lián)合抗 HCV 的活性。
結果黃芩苷具有抑制 HCV NS3/4A 蛋白酶活性,但對NS3 解旋酶無抑制作用。細胞培養(yǎng)內(nèi)抗 HCV 活性測定顯示,黃芩苷抑制野生型 HCV 復制的半數(shù)抑制濃度(EC50)為(31.306 ± 9.559)μmol/L,抑制蛋白酶抑制劑常見耐藥突變 A156T 和 D168V 突變 HCV 復制的 EC50分別為(53.175 ± 19.141)μmol/L 和(66.722 ± 30.994)μmol/L,抑制多聚酶抑制劑常見耐藥突變 S282T 突變 HCV 復制的 EC50為(63.673 ± 19.770)μmol/L。黃芩苷與多聚酶抑制劑索非布韋聯(lián)用還具有協(xié)同抗病毒效果,但與具有相同作用機制的西咪匹韋聯(lián)用有拮抗作用。
結論黃芩苷具有抗 HCV 作用,其機制為抑制 HCV 蛋白酶,對蛋白酶抑制劑常見耐藥突變病毒有效,與多聚酶抑制劑聯(lián)用有協(xié)同抗病毒作用。
Author Affiliations:Department of Antiviral Research,Institute of Medicinal Biotechnology,Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College,Beijing 100050,China (LI Jian-rui,CHEN Jin-hua,LI Hu,DONG Biao,PENG Zong-gen); College of Life Science and Bioengineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China (MA Xue-mei)