「神葯」青蒿素的抗脂肪化和糖尿病

青蒿素是一種從植物當中分離出來的倍半萜內脂內過氧化物，它可以被亞鐵血紅素激活進而可以殺死瘧原蟲來治療瘧疾。同時它也幫助我國藥學家屠呦呦獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。最近的研究中，科學家們還發現了青蒿素有更廣泛的應用。在治療I型糖尿病，抗脂肪化以及抗癌領域均有一定的進展。讓我們來看看具體這些文章都說了些什麼。

青蒿素與I型糖尿病[1]

胰腺中有兩種主要的胰島細胞，α細胞和β細胞，維持體內血糖平衡。α細胞可分泌胰高血糖素，促進糖原分解和糖異生作用，以升高血糖；而β細胞則分泌胰島素，促進糖原、脂肪、蛋白質的合成，以降低血糖。兩種激素的平衡使得人體維持血糖內穩態。І型糖尿病患者β細胞失能而不能正常分泌胰島素，具低胰島素血症和高胰高血糖素血症特徵。為此，主要依賴於打胰島素進行治療，另一種有效策略是發展其它類型細胞轉分化為分泌胰島素的細胞。已有的研究將ESC、iPSC、肝細胞、外分泌和內分泌細胞等轉分化為β細胞。這些方法都依賴於過表達某些轉錄因子實現，很少有用到小分子去實現轉換。研究顯示在β細胞極度缺失時，與β細胞發育相近的α細胞也可補充作為產胰島素細胞；在遺傳模型中，過表達β細胞因子Pax4能抑制ARX使得鼠α細胞向β細胞轉換，單獨缺失ARX也能導致α細胞向β細胞轉換。因此通過控制這兩個轉錄因子有望實現α-β的轉分化，進而有望成為І型糖尿病的治療藥物。

作者首先成功設計了強力黴素可誘導ARX表達的鼠β細胞系Min6，通過誘導過表達ARX實現β-α相互轉換。接著，用此穩定細胞系去篩選280個臨床小分子藥物中能作為ARX抑製劑的小分子。作者發現兩種青蒿素(蒿甲醚和它的代謝物雙氫青蒿素)能在Min6細胞中完全抑制ARX過表達表型並在α細胞系αTC1細胞中誘導胰島素表達，蒿甲醚還能在αTC1細胞中降低胰高血糖素和加工胰高血糖素多肽的表達，同時免疫熒光顯示蒿甲醚能誘導ARX從核向胞質轉移。進一步，作者發現青蒿素抗瘧抑製劑N-acetylcysteine能廢除蒿甲醚在α細胞誘導胰島素產生的能力，作者用青蒿素的活性形態青蒿琥酯結合蒿甲醚競爭，用質譜鑒定到橋尾蛋白是最為顯著的特異性相互作用靶標。接著作者用熒光共定位、knockdown橋尾蛋白、單細胞測序等證實橋尾蛋白就是這類化合物的靶標，已有研究表明橋尾蛋白結構能轉運GABAA受體到膜上。隨後作者發現GABAA受體信號分子轉錄水平和蛋白水平都升高，RNA-seq、GO、GABAA受體抑製劑都證實蒿甲醚靶向橋尾蛋白進一步增強GABAA受體信號起作用。作者在斑馬魚和嚙齒動物中證實蒿甲醚能誘導α細胞分泌胰島素和增加β細胞再生。

作者用人原代胰島α細胞結合單細胞轉錄組測序證實了蒿甲醚導致ARX轉移到胞質、使得α細胞降低α細胞特性並獲得了β細胞的特性、依賴於GABAA受體信號的增強。最後，作者用糖刺激胰島素分泌實驗證實蒿甲醚能促進人胰島分泌胰島素。

綜上所述，本文作者首次證實抗瘧藥物青蒿素除抗瘧疾、抗癌等作用外，還能靶向橋尾蛋白抑制ARX並增強GABAA受體信號導致α細胞向β細胞轉換，促進胰島素分泌，有望成為治療І型糖尿病的臨床藥物。靶向GABAA受體信號也將有可能成為治療І型糖尿病的新奇靶點。但是，並沒有直接的證據證實青蒿素的直接作用靶點。

青蒿素與肥胖[2]

目前的抗肥胖藥物主要集中在通過減少脂肪的吸收或抑制食慾，來限制能量攝入。通過白色脂肪組織的棕化(WAT)產生的棕色脂肪組織，它的生熱作用會消耗能量從而來減少肥胖，是一種新的減肥策略。本文章就是篩選並驗證了青蒿素及其幾個衍生物在細胞水平可以使細胞棕化生熱，在小鼠體內的可以使小鼠減少肥胖。

高通量篩選小分子用的是3T3-L1細胞，它可以分化成典型的白色脂肪細胞。用不同小分子化合物對細胞分化過程進行處理，篩選出有影響脂肪積累的化合物，篩選超過3000個化合物最後確定了一個分子，蒿甲醚ATM。ATM處理的3T3-L1細胞尺寸較小，且包含多個小脂滴，是產熱的脂肪細胞的典型特徵。並且測定了解偶聯蛋白1 (UCP1)的表達水平。UCP1是產熱脂肪細胞(棕色脂肪細胞)特有的，它這些細胞形態和功能的標誌。同樣的作者對青蒿素及其衍生物蒿甲醚、雙氫青蒿素DHA、青蒿酯和青蒿乙醚都進行了測定，發現也有同樣的功效。

作者繼續在C3H10T1 / 2細胞中(間充質幹細胞)確認ATM對棕化的影響。ATM處理C3H10T1 / 2細胞呈現產熱脂肪細胞典型的形態體積較小多房小脂滴。棕化相關基因的表達水平如UCP1、αPGC和PRDM16以及線粒體基因細胞色素C都有一個ATM劑量依賴性的上調。作者又用小鼠腹腔脂肪組織中分離出來大量前脂肪細胞的間質血管碎片，用ATM處理后，發展為具有特徵的多室滴脂肪棕色細胞，並且棕化相關基因表達增強。總結起來就是ATM誘導白色脂肪細胞棕化生熱。

探討是否在體內有可能誘導棕化，通過腹腔注射ATM在高脂飲食誘導的肥胖老鼠與對照組比較，ATM顯示可以抑制小鼠體重增加。在小鼠體內，無論是在室溫或在4度，UCP1含量都上調，並且細胞形態學改變。小鼠脂肪肝的產生也很大程度上改善。胰島素耐量試驗(ITT)和葡萄糖耐量試驗(GTT)顯示顯著改善代謝。同時，經處理后的小鼠表現出較好的體溫維護能力。

和之前的報道一致，p38MAPK / ATF2通路是棕化產熱必不可少的，Akt/mTOR通路中在棕化時停止，用ATM和DHA可以誘導C3H10T1/2細胞棕化，驗證是p38 MAPK / ATF2通路被激活，Akt / mTOR通路失活。所以，青蒿素衍生物可能通過調節這兩條通路來誘導脂肪組織棕化，從而防止肥胖。

青蒿素與癌症[3]

近期研究顯示，這種化合物也有一定的抑制腫瘤細胞增殖的作用。作者利用化學蛋白質組學的方法在HCT116細胞系中對青蒿素的作用機制進行研究，證實了在人細胞系中亞鐵血紅素是青蒿素的主要激活劑，並且進一步分別加入了亞鐵血紅素合成路線中的化合物和抑製劑，發現細胞活力分別有一定程度的降低和升高。因為亞鐵血紅素的合成是在線粒體里進行，作者設計併合成了一個含有可以靶向線粒體的TPP基團的一個青蒿素類似物(ART—TPP)，發現抗癌活性顯著提高，並通過熒光成像證實這個化合物可以直接靶向線粒體導致線粒體膜電位降低。作者進一步合成了帶有炔基和TPP集團的青蒿素類似物(ART-TPP-Alk)進行化學蛋白質組學研究，發現與原有的帶炔基的青蒿素類似物相比，這個化合物可以打到更多的、置信度更高的靶點蛋白。因為腫瘤細胞的膜電位比正常細胞的高，且腫瘤細胞中含有更高的亞鐵血紅素，所以在一定程度上，這一類似物(ART—TPP)應該在腫瘤細胞線粒體中的濃度和激活水平都有顯著的提高，是一個很好的候選藥物。

這篇文章顯示了作用機制研究的重要性，使得我們能夠更好地改造天然產物使其具有更高的生物活性。

References：

1、Li, J. etal., Artemisinins Target GABAA Receptor Signaling and Impair α CellIdentity. CELL (2016).

2、Lu, P. et al.,Artemisinin derivatives prevent obesity by inducing browning of WAT and enhancing BAT function. CELL RES 26 1169 (2016).

3、Zhang, C. et al.,Mechanism-Guided Design and Synthesis of a Mitochondria-Targeting Artemisinin Analogue with Enhanced Anticancer Activity. Angewandte Chemie International Edition 55 13770 (2016).