“饿死”癌细胞后，这帮人还想“饿死”疟原虫

本文来自微信公众号：科学大院（ID： kexuedayuan），作者：氘氘斋（化学博士，药企研发人员），题图来自：视觉中国

不论是癌细胞，还是病原体，都要从人体健康细胞抢夺营养。通过能量代谢途径治疗疾病是近些年非常热门的药物开发策略。这不，继颜宁团队提出“饿死癌细胞”的构想之后，CELL上的一项最新研究又指明了“饿死疟原虫”的可能性。

那么，我们为什么要关注疟疾？

疟疾——穷国顽疾，人类公敌

疟疾，一种中国人熟悉又陌生的古老流行病。

说它熟悉，是因为2015年屠呦呦女士荣获诺贝尔医学或生理学奖，正是因为她及其团队在上世纪70年代研制出抗击疟疾的有效药物青蒿素。自那以来，青蒿素研究成了国内医药学界的一门“显学”，与它紧密相连的疟疾自然也频频进入人们视野。

说它陌生，又是因为绝大部分中国人已经摆脱了这种严重流行病的阴影。疟疾就如“远古杀手”天花一样，渐已淡出中国人的视野。根据世界卫生组织（WHO）的统计，自2016年8月以来，中国本土一直保持着“疟疾零病例”的记录。

据悉，目前中国政府正在24个曾有疟疾报道的省份进行核查，相关工作预计今年年底完成。届时，中国便能向WHO申请“消除疟疾认证”（全球仅38个）。中国取得防控疟疾的伟大成就殊为不易，要知道，新中国成立前大陆约有3000万疟疾感染者，约占当时人口的7%。

上世纪六七十年代，中国仍然有数万疟疾患者，周边的东南亚国家情况更为严重，这也是当年国家组织屠呦呦在内的大量人力物力攻关抗疟药开发的现实需求。

非洲一个疟疾病房（图片来源：Wikipedia）

与中国抗疟的喜人进展形成鲜明对比的是，众多热带国家仍未摆脱疟疾的阴影，那里的人民还在痛苦中煎熬。

疟疾的病原体是疟原虫，而疟原虫颇为复杂的生命周期中，需要蚊子作为媒介传播。潮湿闷热、卫生条件普遍较差的热带国家，蚊子铺天盖地，自然成了疟疾肆虐的“理想”温床。正巧这些热带国家经济较为落后，因此疟疾也是一种著名的“穷国病”。

近些年，全球疟疾病例数呈上升趋势。2018年达到2.28亿，造成约40.5万人死亡，其中93%的病例发生在非洲，3.4%发生在东南亚国家，其他病例则分布在拉丁美洲等地。

疟疾在热带国家的反弹趋势原因有很多，疟原虫耐药性突变是其中非常关键的一点。在青蒿素应用之前，氯喹（及同母核的奎宁）曾是有效的抗疟药物。但随着氯喹的大规模使用，对氯喹耐药的疟原虫株逐渐蔓延，导致氯喹的有效性大幅下降。直到青蒿素的出现，又为人类抗疟事业注入强心针。可惜，青蒿素耐药的突变也已经出现，为彻底消灭疟疾的宏大愿望蒙上了一层阴霾。

全球疟疾分布图  注：统计年为2010年，那时中国南方诸省尚有疟疾病例（图片来源：Wikipedia）

疟原虫总有耐药性，这咋整？

虽然青蒿素耐药株还未大规模蔓延，但人类必须未雨绸缪，从其他机制入手，开发新一代的抗疟药物，以挽救更多生命。

最近，CELL杂志发表了一项来自清华大学、普林斯顿大学的科学家团队的最新研究成果。他们从疟原虫生命周期关键节点入手，成功开发出一类高选择性高活性的疟原虫葡萄糖摄入抑制剂，通俗点讲，他们试图“饿死疟原虫”，阻断疟疾的发生。

疟原虫在人类和蚊子体内共经历3个生命周期：红血球外期、红血球内期和孢子生殖期。携带疟原虫的蚊子叮咬人类后，疟原虫侵入肝脏细胞，形成裂殖体，成熟后使肝细胞破裂，释放出大量裂殖子。

这些裂殖子进入循环系统，会侵染大量红血球（红细胞），并通过环期、滋养体、裂殖体等，成熟的裂殖体使红细胞破裂并进一步侵染新的红细胞，周而复始。不加控制的话，人体的血液就会变成滋养疟原虫的“培养基”。

由于红细胞破裂产生的细胞碎片及释放的疟毒素会引起全身性的炎症反应，并使人产生发热、阵痛等疟疾临床表现。同时，红血球内期的部分疟原虫也会产生静息的雌雄配子体，再次叮咬人类的蚊子会带上这些配子体，雌雄配子在蚊子体内激活并繁殖出新的疟原虫，继续下一个感染周期。

疟原虫在人类-蚊子宿主上的生命周期（图片来源：Wikipedia）

从疟原虫生命周期可以看出，红血球内期是其大量繁殖扩增的关键时期，这期间红血球仿佛是生产裂殖子的工厂。研究人员认为，如果能控制住裂殖子在红血球内的生长和繁殖过程，就可以大大降低疟疾发作的概率和烈性程度。

寄居在红血球内的裂殖子需要大量营养物质以快速增殖，它消耗的葡萄糖是普通红血球的100倍。研究人员发现，裂殖子细胞膜上负责运输大部分葡萄糖的是一类被称为PfHT1的蛋白。如果能开发一种药物分子阻断PfHT1对葡萄糖的运输，疟原虫无糖可用，自然就会“饿死”。

这一理念是不是有点熟悉的味道？没错，这篇文章的主要合作方之一正是因为“饿死癌细胞”概念登上过新闻联播的颜宁教授团队。他们曾成功解析了人体细胞摄入葡萄糖的关键蛋白GLUT1、GLUT3的晶体结构，在该领域处于领先地位。快速扩增、无限繁殖的癌细胞跟裂殖子一样，对葡萄糖如饥似渴。“饿死癌细胞”的idea也自然演变成“饿死疟原虫”。

通过抑制PfHT1对葡萄糖的转运杀死寄居在红血球内的疟原虫（图片来源：CELL）

怎样能“饿死”疟原虫？

研究人员首先解析了PfHT1蛋白与探针分子C3361结合后的晶体结构。

为什么要选择C3361分子呢？这个分子的半数抑制浓度IC₅₀约为33 μM，只能算中等活性（半数抑制浓度就是指一种药物将细胞生长或病毒复制抑制50%所需的浓度）。它的优点在于活性证据较多，且选择性很好。

由于裂殖子相当部分时间蛰伏在红血球内，它吸收的葡萄糖实际上需要红血球上的转运蛋白GLUT1、GLUT3先转运一次。这些转运蛋白底物都是葡萄糖，结构上较为相似，非特异性的抑制会对正常红血球造成影响，产生副作用。好在，C3361虽然活性不高，但选择性很好。在高达125 μM浓度下，它对GLUT1、GLUT3也没有明显的抑制作用。

C3361选择性抑制PfHT1，而不影响人体的GLUT1、GLUT3（图片来源：CELL）

相比于今年年初Qureshi等人在Nature上的报道（可见结构生物学领域竞争之激烈），新研究获得的晶体结构精度更高，最重要的是获得了C3361与PfHT1蛋白结合的口袋信息，为理性设计活性更高的分子打下了坚实基础。

C3361分子由一个D型葡萄糖分子和一个长长的碳链尾巴组成。有趣的是，PfHT1蛋白与C3361结合后，小分子头部的结合位置与葡萄糖分子基本一致，但碳链却“自行”在氨基酸残基的世界中开辟出一个蜿蜒的疏水空间。同时，PfHT1蛋白的构象也发生明显变化，这时C3361的抑制机理不同于传统的底物竞争模式，蛋白质别构也贡献了部分活性。

结合后，C3361影响PfHT1构象（上图）；绿色圈内可看出碳链末端仍有较大口袋可供结合（下图）（图片来源：CELL）

得益于晶体结构的高分辨率，研究人员发现C3361形成的新疏水口袋的末端仍有一块空白区域。如果设计新的分子将这块空白口袋填补上，或许能提高抑制剂的活性。按照这一思路，研究人员进行了简洁有效的理性设计。他们在C3361分子末端连上体积较大的疏水基团，如苯基、萘基、喹啉基等。此外也合成了不同碳链长度的分子进行比较。

最后综合活性和毒性，研究人员获得了该系列抑制剂的最优分子HTI-1。它对PfHT1的IC₅₀达到0.513 μM，相较于C3361，活性提高了近65倍，并仍然保持了对GLUT1、GLUT3的高选择性。在另一篇文章预印本中，研究人员更为详细地探讨了该系列分子的构效关系。

C3361（上图））和HTI-1（下图）结构式（图片来源：自制）

研究人员还证明了“饿死疟原虫”新机制设计的抑制剂能够有效消灭耐药疟原虫。Dd2疟原虫株是实验室常用的多重耐药株，对包括氯喹在内的多种抗疟药物有耐药性，不过对青蒿素敏感。

结果表明，培养条件的葡萄糖浓度越低，HTI-1的活性越强，在与人体血糖相若的4 mM葡萄糖环境中，其杀死疟原虫的半数致死浓度EC₅₀为252 nM，同等条件下青蒿素EC₅₀为22.4 nM。新分子活性仍不及青蒿素，但也不算坏，最可贵的还是在于新机制的提出和验证。

HTI-1能够有效杀死多重耐药株Dd2，活性与葡萄糖浓度正相关（图片来源：CELL）

调控疟原虫侵袭的能量代谢无疑为人类彻底消灭疟疾指明了新方向。未来，C3361/HTI-1系列分子成药性潜力仍需进一步评价，特别是在活体中验证新分子的活性以及对红血球外期疟原虫的作用也是重要的探索方向。

此外，另一个有趣的问题是，新分子能否对青蒿素耐药的疟原虫产生作用？但目前还没有可用于实验室研究的青蒿素耐药株，相信未来这一答案将会揭晓。

参考文献：

1.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%96%9F%E7%96%BE

2.https://www.who.int/zh/news-room/fact-sheets/detail/malaria

3. https://news.un.org/zh/story/2019/07/1037941

4. WHO: World Malaria Report 2019

5.Structural basis for blocking sugar uptake into the malaria parasite Plasmodium falciparum. Cell. 2020, 183, 1-11

6.Orthosteric-allosteric dual inhibitors of PfHT1 as selective anti-malarial agents. bioRxiv preprint doi: https://doi.org/10.1101/2020.08.25.260232.

7.The molecular basis for sugar import in malaria parasites. Nature. 2020, 578, 321-325

8.Plasmodium falciparum carbohydrate metabolism: a connection between host cell and parasite. Blood Cells. 1990. 16, 453–460, 461–466

9.Regulation of Aerobic Glycolysis to Decelerate Tumor Proliferation by Small Molecule Inhibitors Targeting Glucose Transporters. Protein Cell. 2020, 11, 446-451

本文来自微信公众号：科学大院（ID： kexuedayuan），作者：氘氘斋（化学博士，药企研发人员）