代谢组学研究显示，抗疟药物联合使用在体外可加剧对恶性疟原虫的代谢紊乱

《Experimental Parasitology》：Metabolomics reveals potentiated metabolic perturbations induced by antimalarial drug combinations against Plasmodium falciparum in vitro

　　摘要：针对那些对全球资源匮乏地区影响尤为严重的疾病研发新药物是一项成本极高的工作。作为更具成本效益的替代方案，可运用已获批药物的策略性组合来提升对恶性疟原虫的防治效果。了解这类组合所带来的代谢变化对于优化治疗策略以及延缓药物耐药性的产生至关重要。本研究对暴露于氯喹、乙胺嘧啶、磺胺多辛及其组合疗法的恶性疟原虫进行了整合代谢组学与药理学分析。通过剂量-反应试验测定药物效力，同时利用非靶向代谢组学方法评估单独用药及联合用药所引发的通路水平上的变化。剂量-反应试验表明，乙胺嘧啶和氯喹的效力处于纳米摩尔级别（IC50值分别为12.5纳摩尔和11纳摩尔），而磺胺多辛的效力则在微摩尔级别（IC50值为9.1微摩尔），这一结果与乙胺嘧丁醇作为抗叶酸药物能够增强联合用药带来的通路水平代谢紊乱的作用相一致。代谢组学分析显示，乙胺嘧丁醇会强烈干扰依赖叶酸的嘧啶生物合成过程，从而导致脱氧尿苷和dUMP积累；而磺胺多辛引发的干扰则较为轻微，这与它对DHPS酶的抑制作用相符。氯喹单独使用时产生的代谢效应并不显著，但与乙胺嘧丁醇联用时却能显著加剧抗叶酸药物引发的应激反应。药物组合所产生的代谢反应与单独用药时的反应存在差异。在各种抗叶酸药物组合中，常见的趋势包括氨基酸含量下降、硫胺素和谷胱甘肽的代谢受到抑制，以及PPP途径的抑制作用增强，这些因素共同导致了核苷酸、氧化还原反应和碳代谢的广泛紊乱。在恶性疟原虫的治疗中，嘧啶合成受抑已成为抗叶酸类药物治疗的标志性特征。药物组合所带来的独特代谢紊乱表明，它们能在通路层面引发更强的反应，这不仅有助于提升抗疟效果，还能为未来的联合用药策略提供参考。这些研究结果为制定合理的抗疟药物组合方案、优化治疗方案以及改进药物设计策略提供了理论依据。

引言：疟疾是一种由疟原虫引起的急性发热性疾病，这类寄生虫通过受感染的雌性按蚊叮咬传播给人类。疟原虫属于真核原生动物，其复杂的生命周期给疟疾流行国家带来了沉重的健康和经济负担（世界卫生组织，2025年）。2024年，全球80个疟疾流行国家共有超过2.8亿例疟疾病例，超过60万人因此死亡，其中撒哈拉以南非洲地区的新增感染病例占比最高（世界卫生组织，2025年）。除了预防措施外，化学治疗依然是疟疾控制的重要手段，它能与病媒控制措施以及提高有效治疗可及性的努力相互补充（Oladipo等人，2022年）。世界卫生组织建议在疟疾流行地区为儿童接种疟疾疫苗，尤其优先考虑那些疟疾传播程度为中高水平的地区。目前被推荐的两种疫苗是RTS,S和R21/Matrix-M（R21）（世界卫生组织，2025年）。值得欣慰的是，世界卫生组织的免疫战略咨询专家组和疟疾政策咨询组对RTS,S/AS01疟疾疫苗的研究给予了积极评价，该研究显示，按照四剂次接种方案可降低54%的严重疟疾发病率，而第四剂次相比三剂次还能再降低30%的发病率（世界卫生组织，2025年；Bohissou等人，2025年）。然而，许多非洲国家依然面临较高的疟疾传播率和死亡率，这一问题还因抗疟药物的耐药性日益严重以及以青蒿素为基础的疗法疗效下降而变得更加复杂（世界卫生组织，2025年；Nnaji等人，2024年）。与此同时，疟原虫的基因变异以及杀虫剂抗性的增加也在削弱诊断的准确性以及病媒控制的效果，这有可能让多年来取得的进展付诸东流（世界卫生组织，2025年）。由于大多数市售抗疟药物都面临着耐药性恶性疟原虫的出现和传播问题，疟疾的治疗面临着巨大挑战，这对公共卫生事业和经济发展造成了沉重压力（Menard和Dondorp，2017年）。克服临床寄生虫耐药性的一个重要策略就是使用药物组合疗法（van der Pluijm等人，2021年）。不过，许多药物组合的作用机制至今仍缺乏深入研究。20世纪初，撒哈拉以南非洲国家首次将氯喹作为一线治疗药物使用（Lusingu和Von Seidlein，2008年；Roux等人，2021年）。磺胺多辛和乙胺嘧丁醇属于抗叶酸药物，可用于治疗单纯型疟疾（Sowunmi等人，2005年）。由于寄生虫对单用氯喹产生了耐药性，后来氯喹就被磺胺多辛-乙胺嘧丁醇组合取代（Lusingu和Von Seidlein，2008年）。氯喹会与铁原卟啉IX紧密结合，形成有毒的FPIX-CQ复合物，该复合物会抑制血红素锌蛋白的形成，毒害寄生虫的酸性消化空泡，进而使寄生虫陷入饥饿状态（Fitri等人，2023年）。寄生虫在酸性消化空泡中对血红蛋白进行分解，可获取所需的氨基酸，同时释放出游离血红素；而叶酸生物合成途径则为DNA合成提供所需原料（Biasco等人，2017年）。恶性疟原虫对氯喹的耐药性与pfcrt基因的突变有关，该基因负责编码氯喹耐药转运蛋白PfCRT（Wicht等人，2020年）。磺胺多辛和乙胺嘧丁醇则是叶酸生物合成途径中二氢蝶酸合酶的抑制剂。二氢蝶酸合酶会将对氨基苯甲酸与7,8-二氢蝶呤结合，在生成二氢叶酸之前的步骤中产生二氢蝶酸（Wang等人，1997年）。先前的研究已经发现，四个密码子（N51、C59、S108和I164）的突变会导致寄生虫对乙胺嘧丁醇产生耐药性，而五个DHPS酶相关密码子（S436A/F；A437G；K540E；A581G；A613S/T）的突变则与恶性疟原虫对磺胺多辛的耐药性有关（Vinayak等人，2010年；Flegg等人，2022年）。降低寄生虫耐药性的有效策略之一就是使用多种药物组合，利用其协同作用，实现1+1>2的效应（Huang等人，2019年）。因此在乌干达的婴幼儿中，使用磺胺多辛-乙胺嘧丁醇和氯喹的组合疗法，在清除寄生虫和提高治愈率方面比单独使用氯喹更为有效（联合使用的治愈率为88%，而单独使用氯喹的治愈率为55%）（Ogwang等人，2003年）。通过等效剂量图也可以研究药物组合的疗效（Flegg等人，2022年）。以往基于等效剂量图的分析表明，某些抗疟药物组合能够产生更强的药理相互作用，尤其是当这些药物针对互补的生化途径时。以4-氨基喹啉和二氢青蒿素为例，与单独使用这两种药物相比，它们联合使用时更能有效抑制血红素锌蛋白的形成。而且4-氨基喹啉在与二氢青蒿素联合使用时，对血红素锌蛋白的抑制作用更为明显（Agarwal等人，2019年）。等效剂量图研究还表明，乙胺嘧丁醇和磺胺多辛之间的协同作用在很大程度上取决于叶酸的水平，乙胺嘧丁醇的作用不仅限于抑制DHFR酶，它还可能阻止叶酸的吸收或利用，并作用于其他靶点，从而使DHPS酶重新成为磺胺多辛发挥作用的靶点，进而显著抑制寄生虫的生长（Wang等人，1999年）。代谢组学是一种能够同时检测大量代谢物的综合分析方法，它极大地推动了传染病病原体代谢研究的发展（Kannampuzha等人，2023年；Yakubu等人，2024年）。将代谢组学技术应用于疟疾研究领域，有助于了解现有及未来潜在的抗疟药物的特性，从而为合理设计抗疟药物提供支持（Mamede等人，2022年）。目前越来越多地使用质谱技术进行代谢物分析，以此检测抗疟药物所引发的代谢紊乱现象（Yang等人，2021年；Antonova-Koch等人，2018年；Cowell等人，2018年）。在恶性疟原虫引发的疟疾中，寄生虫寄生于微血管内导致红细胞大量破裂，以及缺血性损伤，再加上快速增殖的寄生虫对能量的高需求，这些都是该疾病发病及其临床表现背后的主要原因（Mackintosh等人，2004年）。长期以来，人们已经认识到使用药物组合疗法的优势，这种优势主要基于两个原理：首先，种群中同时对两种药物都具有耐药性的疟原虫的比例会大幅降低；其次，在减数分裂过程中的重组作用下，多重耐药基因型会更频繁地消失（Hastings和D’Alessandro，2000年）。在本研究中，我们分析了用磺胺多辛、乙胺嘧丁醇和氯喹的组合疗法处理恶性疟原虫时所产生的代谢效应，旨在找出具有协同作用的有效药物组合。

章节摘录：抗疟试验：按照既定方案，在37摄氏度、5%二氧化碳浓度、5%氧气浓度、90%氮气浓度以及80%湿度的环境下，将3D7菌株的恶性疟原虫血液期寄生虫培养在含有0.45%（重量/体积）AlbuMAXII、0.2毫克/毫升次黄嘌呤、25微克/毫升庆大霉素以及人A型红细胞的完整RPMI培养基中，具体培养条件如先前所述（Weneza等人，2016年）。除非另有说明，标准培养液的体积为14毫升，血细胞比容为3%。通过添加5%山梨醇处理后，即可获得同步生长的3D7菌株寄生虫（Lambros等人，1979年）。

乙胺嘧丁醇、氯喹和磺胺多辛的IC50值：针对对氯喹敏感的3D7菌株恶性疟原虫的同步培养物，测定了乙胺嘧丁醇、氯喹和磺胺多辛的IC50值（见图1）。实验结果表明，这些寄生虫对氯喹似乎更为敏感，这表明不同药物存在特定的代谢依赖关系。这一发现与先前的研究结果一致，那些研究显示抗叶酸药物和喹啉类药物在恶性疟原虫体内的作用机制存在差异（Wezena等人，2017年）。基于这些实验结果，乙胺嘧丁醇和氯喹的IC50值分别为9.1微摩尔……

讨论部分：本研究通过比较单独使用氯喹、乙胺嘧丁醇、磺胺多辛以及它们的组合疗法SDCQ和SDPY治疗恶性疟原虫的效果，对其进行了评估。剂量-反应分析证实，乙胺嘧丁醇和氯喹对恶性疟原虫具有很强的杀伤力，两者的IC50值均处于纳米摩尔级别（见图1），这一结果与先前的研究报道一致（Reiling等人，2018年；Maneekesorn等人，2021年；Nikolova等人，2025年；Nikolova等人，2025年；Murithi等人，2020年）。相比之下……

结论：本研究表明，将代谢组学技术与药理学分析相结合，可以为理解抗疟药物组合如何扰乱恶性疟原虫的代谢机制提供有力的分析框架。在所有治疗方式中，联合用药所引发的代谢紊乱都比单独用药更为广泛和深刻，这一事实证明了药物间的相互作用是通过特定路径的协同紊乱来实现的。从机制上来看，这些作用也正是联合用药具有更好疗效的原因所在。

作者贡献说明：Justin Arinaga：负责写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化分析、验证工作、软件应用、资源收集、方法设计、实验研究、正式数据分析、数据整理。Manuel Llinás：负责写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化分析、验证工作、研究指导、软件应用、资源协调、项目管理、方法设计、资金申请、研究构思。Francois Eya'ane Meva：负责写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化分析、验证工作。

未引用参考文献：Blasco等人，2017年；Garner和Graves，2005年；Hastings和D’Alessandro，2000年；Lambros和Vanderberg，1979年；Trager和Jensen，1976年；Van den Broek等人，2005年；Varki等人，2017年；Wezena等人，2016年；世界卫生组织，2025年。

利益冲突声明：作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

数据可用性：相关数据保存在NIH数据仓库的“代谢组学工作台研究项目”中，项目编号为doiPR002764，研究编号为ST004358，数据访问地址为https://dev.metabolomicsworkbench.org:22222/data/DRCCMetadata.php?Mode=Study&StudyID=ST004358&Access=WubV3794

伦理审批与参与同意：无需特殊审批。

出版同意：无需特殊同意。

利益冲突：作者声明自己不存在任何利益冲突。

资金来源说明：EMF感谢富布赖特学术研究奖学金项目的支持。ML则感谢宾夕法尼亚州立大学以及赫克生命科学研究所提供的支持。

利益冲突声明：? 作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Francois Eya’ane Meva表示，杜阿拉大学医学与药学学院为其提供了行政方面的支持。其他作者则声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：EMF衷心感谢富布赖特项目授予的宝贵学术奖学金。Llinás实验室也感谢宾夕法尼亚州立大学以及赫克生命科学研究所的支持。此外，我们还要感谢赫克生命科学研究所的代谢组学核心设施（RRID编号：SCR_023864），该设施为本研究提供了ThermoExactive Plus分析仪的维护支持。

Francois Eya’ane Meva|Tarrick Qahash|Justin Arinaga|Manuel Llinás
喀麦隆杜阿拉市杜阿拉大学医学与药学学院药学系，邮政信箱2701号