卡烯內酯(cardenolide)抗病毒分子機制之探討

卡烯內酯(強心苷,cardenolide)是自然存在於植物內的類固醇,屬於強心類固醇(cardiotonic steroids),多具有毒性。這類天然化合物會與細胞膜上的受體鈉鉀離子幫浦(Na+/K+– ATPase)結合,抑制鈉鉀離子幫浦主動運輸,進而活化鈉鈣交換體(Na+/Ca++– exchanger)離子運輸,提高心肌細胞內鈣離子濃度,加強心肌收縮力(positive inotropic effect)。在醫療上,低劑量的卡烯內酯,如烏巴苷(ouabain)與毛地黃苷(digoxin)常用於治療心臟衰竭(congestive heart failure)和心律不整(cardiac arrhythmia)。

本院生技與藥物研究所李秀珠副研究員研究團隊探討天然卡烯內酯的生物活性,其中包括從台灣梭羅木Reevesia formosana Sprague(Sterculiaceae)根部萃取出來的Reevesioside A-I與其他天然存在的卡烯內酯「毛地黃苷(digoxin)、毛地黃毒苷(digitoxin)、烏巴苷(ouabain)、夾竹桃苷(oleandrin)」(圖1)。實驗結果顯示,抑制豬冠狀病毒(TGEV)病毒力價(virus titer)與卡烯內酯劑量成正相關;酵素活性分析結果亦顯示,此一系列卡烯內酯抑制鈉鉀離子幫浦活性與抗TGEV活性的趨勢是一致的。在免疫螢光分析中,發現這些卡烯內酯抑制了TGEV在宿主細胞 (swine testicular cells)中核殼蛋白(nucleocapsid protein)與棘蛋白(spike protein)的表達(圖2),並且阻斷TGEV感染引起的細胞凋亡(apoptosis)和細胞病變作用(cytopathic effect)。此外,利用基因靜默化(gene silencing)方法,證明減少宿主細胞中卡烯內酯受體鈉鉀離子幫浦的表達,可顯著減弱宿主細胞對TGEV感染的敏感性。因此,研究團隊確認鈉鉀離子幫浦是一種抗病毒藥物的分子標靶(drug target),可透過抑制其活性達到抑制TGEV冠狀病毒活性,所以卡烯內酯具有成為新型的抗冠狀病毒藥物的潛力(1)

過去已有文獻報導卡烯內酯的抗癌細胞活性及探討抗癌作用機制,但針對卡烯內酯的一些抗病毒活性與抗病毒作用機制的相關報導並不多。所以研究團隊進一步探索卡烯內酯抗TGEV冠狀病毒活性的分子作用機制。研究團隊以烏巴苷作為卡烯內酯的代表性化合物,進行分子機制探討。實驗結果發現,烏巴苷能有效降低TGEV病毒力價並抑制病毒誘發的細胞激素IL-6(interleukin-6)產生,且效性與烏巴苷劑量成正相關。烏巴苷有效抑制50%的TGEV病毒力價和細胞激素IL-6產生之濃度(50% inhibitory concentrations, IC50)分別為37 nM和23 nM。接著透過一系列藥理抑制(pharmacological inhibition)與基因靜默化實驗,研究團隊證明在TGEV感染的宿主細胞中誘發了PI3K_PDK1_RSK2這條信號軸之訊息傳遞,然而烏巴苷透過與鈉鉀離子幫浦結合後,增強了PI3K_PDK1訊息傳遞,明顯減弱了TGEV病毒活性。實驗最後也證明,利用小分子抑制劑 LY294002或BX795分別抑制細胞內PI3K與PDK1酵素活性,可以拮抗烏巴苷抗TGEV病毒活性。這個發現指出,烏巴苷可藉由進一步增強宿主細胞中TGEV誘發的PI3K_PDK1訊息傳遞進而達到抑制TGEV活性和病毒複製。這是第一個報導闡明了卡烯內酯抗病毒的分子作用機制;並期望未來卡烯內酯能施用於對抗更多種冠狀病毒或其他病毒上(2)

參考文獻:

  1. Yang, C.W., Chang, H.Y., Hsu, H.Y., Lee, Y.Z., Chang, H.S., Chen, I.S., Lee, S.J., 2017. Identification of anti-viral activity of the cardenolides, Na+/K+-ATPase inhibitors, against porcine transmissible gastroenteritis virus. Toxicol. Appl. Pharmacol. 332, 129–137. https://doi.org/10.1016/j.taap.2017.04.017
  2. Yang, C.W., Chang H.Y., Lee Y.Z., Hsu H.Y., Lee S.J., 2018. The cardenolide ouabain suppresses coronaviral replication via augmenting a Na+/K+-ATPase-dependent PI3K_PDK1 axis signaling. Toxicol. Appl. Pharmacol. 356, 90–97. https://doi.org/10.1016/j.taap.2018.07.028

文/圖:生技與藥物研究所李秀珠副研究員、楊政偉博士後研究員、李約志研究助理

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