Cell Discov︱许执恒/秦成峰/胡泽平 团队合作发现NAD+可用于治疗新冠肺炎

撰文︱姜义圣

责编︱王思珍

新冠肺炎（COVID-19）疫情在全球迅速蔓延，已造成600多万人死亡。虽然高效的疫苗已经被研发出来并进行了广泛的接种，但是新冠病毒（SARS-CoV-2）的快速突变能力给COVID-19疫情带来了巨大的不确定性。同时COVID-19在老年患者中更容易引发重症甚至死亡[1]。因此，寻找新冠肺炎的治疗药物具有重要的临床意义。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD⁺）是细胞中三羧酸循环、氧化磷酸化等细胞能量代谢过程中关键的辅酶。同时它也能作为去乙酰化酶SIRTs、环ADP-核糖合成酶（包括CD38和CD157）和ADP-核糖聚合酶PARPs的底物，在细胞存活、衰老、炎症反应等多种生物学过程中发挥重要作用[2-4]。NAD⁺在人体内的含量会随着衰老而降低，从而对健康产生不利的影响。适当补充NAD⁺已被证明能延缓衰老，具有改善机体功能的作用[2-4]。然而，补充NAD⁺是否能用于治疗COVID-19还是未知的。

2022年4月30日，中科院遗传发育所许执恒研究员、军科院军事医学研究院秦成峰研究员、清华大学药学院胡泽平教授课题组合作在Cell Discovery上发表了题为“Treatment of SARS-CoV-2-induced pneumonia with NAD⁺ and NMN in two mouse models”的研究，发现给新冠病毒感染的小鼠补充NAD⁺或者其合成的中间体β-烟酰胺单核苷酸NMN可以部分挽救病毒感染引起的基因表达和代谢过程的异常，并明显减轻小鼠肺部的炎症损伤和减少小鼠死亡。

为了寻找COVID-19的潜在治疗靶点，团队首先对小鼠适应性SARS-CoV-2（MASCp6）感染的小鼠模型[5]进行了全转录组分析，发现还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶的表达显著升高。NADPH氧化酶在免疫反应过程中对中性粒细胞胞外陷阱形成和吞噬体成熟十分重要[6]，这个过程中NADPH会被消耗产生活性氧自由基（图1a）。在动物中，NADPH的主要来源是在磷酸戊糖途径中由NADP⁺还原而来，而NADP⁺则是由NAD⁺合成。在COVID-19病人中，NAD⁺从头合成途径的相关基因表达显著增加，但是NAD⁺在新冠病毒感染中扮演了什么角色还是不清楚的。团队成员发现在MASCp6感染的小鼠模型中，参与NAD⁺从头合成途径的酶Ido1、Kmo和Haao表达增加，这与病人的情况一致（图1c）。并且还发现PARP家族成员Parp9，Parp10，Parp12和Parp14的表达显著性增加（图1b, c）。PARPs能切割NAD⁺并使下游蛋白发生单ADP-核糖化（mono ADP-ribosylation）或聚ADP-核糖化（poly ADP-ribosylation）修饰，在DNA损伤修复和免疫调控过程中发挥重要作用[3]。作者们推测新冠病毒感染后，宿主的免疫反应激活了PARPs和NADPH氧化酶，直接或间接消耗了大量的NAD⁺，造成细胞代谢紊乱，引发细胞功能障碍和细胞死亡。

图1 MASCp6感染引起NAD⁺代谢通路相关基因的表达异常

（图源：Jiang Y, et al., Cell Discov, 2022）

有趣的是，团队之前的研究发现补充NAD⁺可以有效抑制寨卡病毒（Zika virus）感染导致的小鼠大脑神经元的死亡和小胶质细胞的过度激活[7]。因此作者们猜想NAD⁺是否也能用于治疗新冠病毒感染呢？在给予病毒感染的老年小鼠连续3天的NAD⁺注射，与对照组小鼠相比，补充NAD⁺后小鼠肺部的病理特征和损伤明显减轻，炎症细胞的聚集和气道的阻滞显著减少（图2）。

图2 补充NAD⁺可以减轻MASCp6感染引起的肺炎表型

（图源：Jiang Y, et al., Cell Discov, 2022）

为了探究补充NAD⁺是否可以减轻新冠病毒感染引发的临床症状，团队采用了临床症状更加严重的致死性小鼠适应性SARS-CoV-2 (MASCp36)感染的小鼠模型[8]。MASCp36感染的小鼠肺组织发生了严重的炎症细胞浸润和肺泡间隔增厚，而给予NAD⁺或NMN后，这些病理损伤明显减轻（图3a, b）。同时NMN的补充还减少了30% MASCp36感染的老年小鼠的死亡（图3c）。免疫染色结果表明补充NAD⁺或NMN后，小鼠肺部巨噬细胞（CD68⁺）的聚集减少，细胞凋亡（Cas3⁺）也明显减少（图3d, h）。通过qPCR实验，作者们发现NAD⁺和NMN能有效抑制参与免疫细胞激活信号传递的CD200受体-Cd200r3的表达，而NMN还能抑制Cd200r4和凋亡因子Apaf1的表达（图3f, g, j）。

图3 补充NAD⁺或NMN可以减轻MASCp36感染引起的肺炎表型

（图源：Jiang Y, et al., Cell Discov, 2022）

最后，团队对MASCp36感染的小鼠肺组织进行了代谢组分析，发现MASCp36感染造成了多条氨基酸代谢通路的紊乱（图4a, b）。在MASCp36感染的小鼠肺组织中，γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid）、胆碱（choline）、烟酰胺（NAM）等含量显著降低，而谷氨酸盐（glutamate）、犬尿氨酸（kynurenine）、NADP⁺、ADP-核糖等含量显著升高（图4c）。在COVID-19病人中，胆碱的降低、谷氨酸盐和犬尿氨酸的升高与病人的严重程度相关。因此在代谢水平，MASCp36感染的小鼠模型可以较好地模拟COVID-19重症病人的情况。NMN的补充能部分挽救MASCp36感染造成的代谢物含量的改变，其中就包括了胆碱（图4d）。同时从整体上看，MASCp36感染造成的三羧酸循环异常也得到了部分的改善（图4e）。

图4 补充NMN可以部分挽救MASCp36感染引起的代谢紊乱

（图源：Jiang Y, et al., Cell Discov, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究发现新冠病毒感染能导致小鼠NAD⁺代谢相关基因的表达失调和代谢物的紊乱，这与COVID-19患者的情况类似。补充NAD⁺或其中间体NMN可以部分挽救病毒感染引起的基因表达异常，显著降低肺部炎症细胞过度浸润、溶血和气道堵塞等病理表型，并能显著抑制细胞凋亡。在致死性新冠病毒感染的小鼠模型中，补充NMN可以改善病毒感染造成的代谢通路紊乱，减少老年小鼠的死亡。该研究从保护宿主细胞、维持细胞稳态的角度为新冠肺炎的治疗提供了新思路。不过该研究还需对NAD⁺/NMN的给药方式和剂量做进一步探索，并对用药后的小鼠进行更多生理指标的长期监测，才能更好地指导临床应用。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41421-022-00409-y

中科院遗传发育所博士生姜义圣和马甜甜、军科院军事医学研究院邓永强博士、清华大学药学院庞欢欢博士为该工作的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金(31921002, 31730108, 32061143026, 81925025, 81621005, 82174055)、中国战略重点研究计划和创新计划(XDB32020100, YJKYYQ20200052)、科技部重大项目(2021ZD0202300)、中国医学科学院医学科学创新基金(2019-I2M-5-049)和清华大学春风基金(2021Z99CFY031)的资助。

通讯作者：许执恒（左），秦成峰（中），胡泽平（右）。

（照片提供自：许执恒/秦成峰/胡泽平团队）

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参考文献（上下滑动阅读）  

[1] Chen, Y. et al. Aging in COVID-19: vulnerability, immunity and intervention. Ageing Res. Rev. 65, 101205 (2021).

[2] Katsyuba, E., Romani, M., Hofer, D. & Auwerx, J. NAD(+) homeostasis in health and disease. Nat. Metab. 2, 9-31 (2020).

[3] Rajman, L., Chwalek, K. & Sinclair, D. A. Therapeutic potential of NAD-boosting molecules: the in vivo evidence. Cell Metab. 27, 529-547 (2018).

[4] Chini, C. C. S., Zeidler, J. D., Kashyap, S., Warner, G. & Chini, E. N. Evolving concepts in NAD(+) metabolism. Cell Metab. 33, 1076-1087 (2021).

[5] Gu, H. et al. Adaptation of SARS-CoV-2 in BALB/c mice for testing vaccine efficacy. Science 369, 1603-1607 (2020).

[6] Zeng, M. Y., Miralda, I., Armstrong, C. L., Uriarte, S. M. & Bagaitkar, J. The roles of NADPH oxidase in modulating neutrophil effector responses. Mol. Oral Microbiol. 34, 27-38 (2019).

[7] Pang, H. et al. Aberrant NAD(+) metabolism underlies Zika virus-induced microcephaly. Nat. Metab. 3, 1109-1124 (2021).

[8] Sun, S. et al. Characterization and structural basis of a lethal mouse-adapted SARS-CoV-2. Nat. Commun. 12, 5654 (2021).

制版︱王思珍

本文完