“神药”青蒿素的抗脂肪化和糖尿病
青蒿素是一种从植物当中分离出来的倍半萜内脂内过氧化物，它可以被亚铁血红素激活进而可以杀死疟原虫来治疗疟疾。同时它也帮助我国药学家屠呦呦获得了诺贝尔生理学或医学奖。最近的研究中，科学家们还发现了青蒿素有更广泛的应用。在治疗I型糖尿病，抗脂肪化以及抗癌领域均有一定的进展。让我们来看看具体这些文章都说了些什么。
青蒿素与I型糖尿病[1]
胰腺中有两种主要的胰岛细胞，α细胞和β细胞，维持体内血糖平衡。α细胞可分泌胰高血糖素，促进糖原分解和糖异生作用，以升高血糖；而β细胞则分泌胰岛素，促进糖原、脂肪、蛋白质的合成，以降低血糖。两种激素的平衡使得人体维持血糖内稳态。І型糖尿病患者β细胞失能而不能正常分泌胰岛素，具低胰岛素血症和高胰高血糖素血症特征。为此，主要依赖于打胰岛素进行治疗，另一种有效策略是发展其它类型细胞转分化为分泌胰岛素的细胞。已有的研究将ESC、iPSC、肝细胞、外分泌和内分泌细胞等转分化为β细胞。这些方法都依赖于过表达某些转录因子实现，很少有用到小分子去实现转换。研究显示在β细胞极度缺失时，与β细胞发育相近的α细胞也可补充作为产胰岛素细胞；在遗传模型中，过表达β细胞因子Pax4能抑制ARX使得鼠α细胞向β细胞转换，单独缺失ARX也能导致α细胞向β细胞转换。因此通过控制这两个转录因子有望实现α-β的转分化，进而有望成为І型糖尿病的治疗药物。
作者首先成功设计了强力霉素可诱导ARX表达的鼠β细胞系Min6，通过诱导过表达ARX实现β-α相互转换。接着，用此稳定细胞系去筛选280个临床小分子药物中能作为ARX抑制剂的小分子。作者发现两种青蒿素(蒿甲醚和它的代谢物双氢青蒿素)能在Min6细胞中完全抑制ARX过表达表型并在α细胞系αTC1细胞中诱导胰岛素表达，蒿甲醚还能在αTC1细胞中降低胰高血糖素和加工胰高血糖素多肽的表达，同时免疫荧光显示蒿甲醚能诱导ARX从核向胞质转移。进一步，作者发现青蒿素抗疟抑制剂N-acetylcysteine能废除蒿甲醚在α细胞诱导胰岛素产生的能力，作者用青蒿素的活性形态青蒿琥酯结合蒿甲醚竞争，用质谱鉴定到桥尾蛋白是最为显著的特异性相互作用靶标。接着作者用荧光共定位、knockdown桥尾蛋白、单细胞测序等证实桥尾蛋白就是这类化合物的靶标，已有研究表明桥尾蛋白结构能转运GABAA受体到膜上。随后作者发现GABAA受体信号分子转录水平和蛋白水平都升高，RNA-seq、GO、GABAA受体抑制剂都证实蒿甲醚靶向桥尾蛋白进一步增强GABAA受体信号起作用。作者在斑马鱼和啮齿动物中证实蒿甲醚能诱导α细胞分泌胰岛素和增加β细胞再生。
作者用人原代胰岛α细胞结合单细胞转录组测序证实了蒿甲醚导致ARX转移到胞质、使得α细胞降低α细胞特性并获得了β细胞的特性、依赖于GABAA受体信号的增强。最后，作者用糖刺激胰岛素分泌实验证实蒿甲醚能促进人胰岛分泌胰岛素。
综上所述，本文作者首次证实抗疟药物青蒿素除抗疟疾、抗癌等作用外，还能靶向桥尾蛋白抑制ARX并增强GABAA受体信号导致α细胞向β细胞转换，促进胰岛素分泌，有望成为治疗І型糖尿病的临床药物。靶向GABAA受体信号也将有可能成为治疗І型糖尿病的新奇靶点。但是，并没有直接的证据证实青蒿素的直接作用靶点。
青蒿素与肥胖[2]
目前的抗肥胖药物主要集中在通过减少脂肪的吸收或抑制食欲，来限制能量摄入。通过白色脂肪组织的棕化(WAT)产生的棕色脂肪组织，它的生热作用会消耗能量从而来减少肥胖，是一种新的减肥策略。本文章就是筛选并验证了青蒿素及其几个衍生物在细胞水平可以使细胞棕化生热，在小鼠体内的可以使小鼠减少肥胖。
高通量筛选小分子用的是3T3-L1细胞，它可以分化成典型的白色脂肪细胞。用不同小分子化合物对细胞分化过程进行处理，筛选出有影响脂肪积累的化合物，筛选超过3000个化合物最后确定了一个分子，蒿甲醚ATM。ATM处理的3T3-L1细胞尺寸较小，且包含多个小脂滴，是产热的脂肪细胞的典型特征。并且测定了解偶联蛋白1 (UCP1)的表达水平。UCP1是产热脂肪细胞(棕色脂肪细胞)特有的，它这些细胞形态和功能的标志。同样的作者对青蒿素及其衍生物蒿甲醚、双氢青蒿素DHA、青蒿酯和青蒿乙醚都进行了测定，发现也有同样的功效。
作者继续在C3H10T1 / 2细胞中(间充质干细胞)确认ATM对棕化的影响。ATM处理C3H10T1 / 2细胞呈现产热脂肪细胞典型的形态体积较小多房小脂滴。棕化相关基因的表达水平如UCP1、αPGC和PRDM16以及线粒体基因细胞色素C都有一个ATM剂量依赖性的上调。作者又用小鼠腹腔脂肪组织中分离出来大量前脂肪细胞的间质血管碎片，用ATM处理后，发展为具有特征的多室滴脂肪棕色细胞，并且棕化相关基因表达增强。总结起来就是ATM诱导白色脂肪细胞棕化生热。
探讨是否在体内有可能诱导棕化，通过腹腔注射ATM在高脂饮食诱导的肥胖老鼠与对照组比较，ATM显示可以抑制小鼠体重增加。在小鼠体内，无论是在室温或在4度，UCP1含量都上调，并且细胞形态学改变。小鼠脂肪肝的产生也很大程度上改善。胰岛素耐量试验(ITT)和葡萄糖耐量试验(GTT)显示显着改善代谢。同时，经处理后的小鼠表现出较好的体温维护能力。
和之前的报道一致，p38MAPK / ATF2通路是棕化产热必不可少的，Akt/mTOR通路中在棕化时停止，用ATM和DHA可以诱导C3H10T1/2细胞棕化，验证是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过调节这两条通路来诱导脂肪组织棕化，从而防止肥胖。
青蒿素与癌症[3]
近期研究显示，这种化合物也有一定的抑制肿瘤细胞增殖的作用。作者利用化学蛋白质组学的方法在HCT116细胞系中对青蒿素的作用机制进行研究，证实了在人细胞系中亚铁血红素是青蒿素的主要激活剂，并且进一步分别加入了亚铁血红素合成路线中的化合物和抑制剂，发现细胞活力分别有一定程度的降低和升高。因为亚铁血红素的合成是在线粒体里进行，作者设计并合成了一个含有可以靶向线粒体的TPP基团的一个青蒿素类似物(ART—TPP)，发现抗癌活性显著提高，并通过荧光成像证实这个化合物可以直接靶向线粒体导致线粒体膜电位降低。作者进一步合成了带有炔基和TPP集团的青蒿素类似物(ART-TPP-Alk)进行化学蛋白质组学研究，发现与原有的带炔基的青蒿素类似物相比，这个化合物可以打到更多的、置信度更高的靶点蛋白。因为肿瘤细胞的膜电位比正常细胞的高，且肿瘤细胞中含有更高的亚铁血红素，所以在一定程度上，这一类似物(ART—TPP)应该在肿瘤细胞线粒体中的浓度和激活水平都有显著的提高，是一个很好的候选药物。
这篇文章显示了作用机制研究的重要性，使得我们能够更好地改造天然产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).