胆红素新发现：一种基于代谢产物的抗疟疾机制
黄疸是恶性疟原虫（P. falciparum）疟疾的常见表现，它是由循环胆红素的积累引起的。近期，国际研究团队在《Science》上发表了题为“A Metabolite-Based Resistance Mechanism Against Malaria”的研究成果。研究发现，未结合胆红素通过靶向红细胞中疟原虫线粒体、抑制嘧啶合成和干扰疟原虫血红素结晶（hemozoin，Hz），形成代谢防御机制。这一发现表明黄疸可能是一种对疟原虫感染的代谢反应，能够限制疟疾的严重程度。该研究为抗疟研究提供了新视角，基于胆红素的作用机制，有望开发出新一代抗疟药物，通过增强人体自身的防御机制来对抗疟疾。
对一组感染恶性疟原虫无症状或有症状疟疾患者的分析表明，无症状恶性疟原虫感染者血浆中未结合的胆红素与寄生虫负荷的比值比有症状虐疾患者高出10倍以上。由于未结合胆红素在体外可抑制恶性疟原虫的增殖，作者推测血浆中未结合胆红素的积累是对恶性疟原虫感染的一种适应性反应。为了验证这一假设，作者用P. chabaudi chabaudi AS（Pcc）感染C57BL/6J小鼠，这是一种成熟的非致死性疟疾实验模型。结果发现循环中未结合胆红素的浓度在感染后第4至7天急剧增加，与恶性疟原虫疟疾患者的范围相当。而缺乏胆绿素还原酶A（biliverdin reductase A，BVRA）的Blvra-/-小鼠都在7-10天内死于感染。这表明BVRA产生的胆红素对疟原虫感染具有保护作用。
未结合胆红素的药理学给药能保护Blvra-/-小鼠免于Pcc感染。较高剂量的胆红素使感染Pcc的Blvra-/-小鼠的存活率恢复到与感染Pcc的Blvra+/+小鼠相同的程度。这表明Pcc感染导致Blvra-/-小鼠死亡的原因是缺乏胆红素的产生，这意味着BVRA对抗疟疾的保护作用是由胆红素介导的。
同时，作者发现，与未感染的对照组相比，小鼠在感染疟原虫7天后其肝脏中Ugt1a1 mRNA和UGT1A1蛋白的相对表达水平显著降低。这表明疟原虫感染后循环胆红素的积累是通过抑制肝脏UGT1A1蛋白的表达得以持续的。随后作者通过CRISPR-Cas9技术对DBA/2小鼠肝脏进行靶向Ugt1a1的gRNA转导来抑制其肝脏中UGT1A1的表达。和对照组相比，转导Ugt1a1 gRNA组小鼠的血浆中未结合胆红素的浓度明显升高，且更具有显著的生存优势。这些结果表明，肝脏UGT1A1在疟原虫感染时受到抑制，对预防疟疾有保护作用。
图1.非结合型胆红素可以抵抗疟疾
（图片源自《Science》）
为了探究胆红素降低疟原虫毒力的机制，作者研究了胆红素是否直接靶向体外红细胞内的恶性疟原虫。作者发现，未结合胆红素抑制了恶性疟原虫3D7的增殖，且这种抗增殖效应具有剂量依赖性，即胆红素浓度越高，恶性疟原虫的增殖越低。另外，与对照循环感染红细胞（iRBC）相比，未结合胆红素导致葡萄糖和6-磷酸葡萄糖在恶性疟原虫3D7感染的iRBC中显著积累。此外，未结合胆红素降低了恶性疟原虫3D7感染的iRBC中琥珀酸、天冬氨酸、富马酸和单磷酸腺苷（AMP）的相对水平。这表明胆红素损害了恶性疟原虫的中心碳代谢。和对照Blvra+/+小鼠相比，Blvra-/-小鼠的Pcc环状期和滋养体显示出糖酵解和线粒体ATP代谢相关基因表达的增加，这表明未结合胆红素通过靶向寄生虫糖酵解基因表达的机制损害疟原虫的中心碳代谢和线粒体功能。
胆红素疟原虫属（Plasmodium spp.）复制依赖于从头嘧啶合成，通过线粒体内膜二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）催化二氢乳清酸（DHO）转化为乳清酸。恶性疟原虫3D7感染iRBC暴露于未结合胆红素会导致DHO和尿苷单磷酸（UMP）显著减少，UMP是寄生虫从头嘧啶合成中DHODH的下游产物。这表明未结合胆红素的抗增殖作用是通过一种损害线粒体依赖性嘧啶合成的机制发挥的。
图2.胆红素抑制恶性疟原虫增殖并破坏其线粒体完整性和功能
（图片源自《Science》）
通过活细胞共聚焦显微镜成像观察到恶性疟原虫3D7在体外暴露于未结合的胆红素与iRBC中Hz晶体的分散有关，而等摩尔量的胆绿素对Hz没有影响。这表明胆红素直接或间接地干扰从血红蛋白中提取的血红素到Hz晶体的解毒作用。
与胆红素在体外抑制血红素结晶的观点一致，与Blvra+/+小鼠相比，在感染Pcc的Blvra-/-小鼠中循环iRBC中血红素结晶的积累水平更高。这表明胆红素作为一种“生理性”抗疟代谢物，干扰血红素结晶，类似于基于喹啉的抗疟药物。基于喹啉的抗疟药物对血红素结晶的抑制会损害寄生虫的消化性食物泡，作者推测胆红素也会破坏寄生虫的食物泡。随后，作者通过共聚焦显微镜活体成像量化技术和透射电子显微镜证明了这一假设。
图3. 胆红素抑制Hz的形成并破坏恶性疟原虫的食物泡
（图片源自《Science》）
本研究表明，疟原虫感染诱导胆红素产生是一种基于代谢物的抗疟疾机制，这一机制揭示了疟疾患者黄疸现象的进化意义。
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