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抗病毒药物研发的药物化学视角(1)

发布时间:2020-05-12 08:30:18 | 来源:【药物研发团队 2020-05-12】
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病毒性感染始终威胁着人类生命健康与公共卫生安全,给社会稳定与经济发展造成严重影响,已成为影响社会和谐发展的不容忽视的因素。一方面,一些顽固病毒如人免疫缺陷病毒(HIV)及乙型肝炎病毒(HBV)引起的艾滋病、乙肝等慢性疾病仍难以根治,长期用药造成的巨额诊疗费用给家庭、社会造成沉重经济负担,目前现有的抗病毒药物存在耐药性、毒副作用大等问题,特别是病毒基因组突变造成的耐药性使上市药物降低甚至丧失临床疗效,给社会造成极大的恐慌。进入二十一世纪以来,已经有至少20种病毒导致的新发传染病出现,包括季节性流感、严重呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)、中东呼吸综合征病毒(MERS-CoV)以及已在全球蔓延的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)。不断变化的自然与环境以及病毒具有的人际间传播的能力,使得病毒性传染病往往具有较高的致病率和致死率。特异性的疫苗与药物被认为是抗击突发病毒疫情最重要的‘’武器‘’之一,然而,对包括SARS-CoV-2在内的大多数新发病毒而言,依然缺乏有效疫苗和特效药物。总之,无论对于慢性传染病还是突发传染病,高效、低毒、抗耐药性的抗病毒药物依然是未满足的重大临床需求和迫切需要解决的问题,是新药研发人员的努力方向。

药物的发现有其自身的规律性,从靶标结构确证、先导化合物的发现和优化到临床试验,不仅需要投入大量的人力、物力,而且需要漫长的时间。周期长、投入大、成功率低是新药研发的主要特征。无论临床需求多么迫切,突发疫情多么严重,药物的发现与临床试验都要遵循基本原理与科学方法,不以人的意志为转移。

一、抗病毒药物发现的药物化学途径

从药物化学的视角,抗病毒药物的发现通常源于以下几种途径:

1、基于化合物库或药物库的高通量或随机筛选,主要包括基于细胞水平的抗病毒表型筛选、基于蛋白水平的抑酶活性筛选;

2、基于病毒蛋白质或核酸靶标发现特异性的抑制剂,主要包括基于靶标三维结构的全新药物设计、基于靶标结构的虚拟筛选等;

3、基于病毒复制周期关键宿主因子的药物研发;

4、老药新用也是抗病毒药物发现的重要方面,尤其是面对突发的病毒感染疫情,更体现出独特的优势。

二、广谱抗病毒药物研发的药物化学视角

广谱抗病毒药物可以通过靶向对病毒复制至关重要的宿主蛋白,作用于多种病毒或同一种病毒的多种基因型,来发挥广谱抗病毒作用、减少耐药性的发生。

目前,开发广谱抗病毒药物的策略主要有两种,分别是干预病毒感染性和通过靶向病毒复制所必需的宿主因子来调节宿主细胞防御系统。此外,药物再定位策略作为开发广谱抗病毒药物的常用方法,其可以绕过药物开发早期阶段所需要投入的时间与经费,可以加速抗病毒药物的开发过程。

以下是从药物化学的视角,对具有特定优势结构和靶向病毒生命周期中特定靶标的广谱抗病毒药物研发最新进展进行的综述。

(一)作用于病毒复制过程中特定病毒靶点的抗病毒药物开发

 目前,主要通过干预病毒感染的必需步骤来控制病毒感染,包括干预病毒吸附、融合、内吞、复制、装配、出芽等过程以及靶向病毒包膜等研发广谱抗病毒药物。如作用于病毒聚合酶的广谱抗病毒药物、作用于病毒包膜的广谱抗病毒药物等。

(二)作用于宿主蛋白的广谱抗病毒药物

病毒复制依赖于宿主细胞,需要宿主细胞提供必要的酶和底物。抑制病毒复制过程中必要的宿主蛋白(如酶类和受体)的功能可以达到抑制病毒复制的目的。这类广谱抗病毒药物的作用靶点主要是溶酶体、人腺苷三磷酸酶(DDX3X)、宿主激酶、亲环素A(CyPA)、Toll样受体、二氢乳清酸脱氢酶(DHODH)等。

(三)基于结构优势的广谱抗病毒药物

药物化学领域存在一些优势结构,具有优势结构的分子往往具有某些特定的优异的药学性质。应用于广谱抗病毒药物开发的一些优势结构主要有苯并咪唑衍生物、硝唑尼特、吩噁嗪类、绕丹宁、硫代巴比妥类以及一些天然产物(如三萜类、霉酚酸等)等。

综上所述,基于化合物的表型筛选与靶标确证是发现全新骨架的广谱抗病毒药物的重要途径。表型药物筛选是通过测试化合物对复杂生物体系及相关特异性靶分子和/或信号通路的改变,发现改变生物表型的药物。与此同时,化学蛋白质组学和计算机技术辅助等靶点确认技术的发展可以弥补表型筛选在靶点确证方面的不足,进而推动发现全新骨架、全新机制的广谱抗病毒药物。

表型筛选的基础是有足够多结构类型不同的化合物,因此,构建结构类型不同的化合物库是进行化合物表型筛选的首要工作。

微量合成等化合物库构建新技术可以实现在短时间内获得大量结构不同的化合物,与原位筛选等筛选方法相结合,可以实现短时间内对大量结构不同的化合物进行合成与表面筛选,进而加速苗头化合物的发现过程。

此外,在广谱抗病毒药物的结构优化中涉及到一些典型的药物化学策略,如药物再定位、分子杂合、基于片段的药物发现、基于结构的化合物优化以及骨架跃迁、生物电子等排等策略。综合使用这些策略可以在药物开发早期阶段节省时间与费用,可以加速先导化合物的发现、优化进程,进而加快广谱抗病毒药物的开发过程。

需要注意的是,作用于宿主细胞的广谱抗病毒药物的主要缺点是体外抑制活性与体内的治疗效果不完全一致,其原因可能是机体系统性机制可以代偿被阻断的靶标效应。针对这一问题,可以通过确证对于病毒复制至关重要但对宿主细胞无关紧要的新靶标来解决;还可以通过设计多靶点广谱抗病毒药物,使其可以作用于该通路上尽可能多的相关靶点,进而达到抑制该靶点效应的目的。

总之,广泛使用新颖的药物化学策略及化合物库合成与筛选新技术,可以大大加速广谱抗病毒药物的开发进度。

三、抗冠状病毒药物研发的药物化学视角

由于细胞中修复DNA复制错误的机制并不会修复病毒RNA,因此RNA病毒基因的复制过程经常出错。再加上冠状病毒的基因组比较长(由3万个碱基组成),病毒在复制时需要的碱基也就越多,出错的几率就会更大。因此,这些冠状病毒极易出现变异。

 冠状病毒的复制周期包括入侵、复制、组装与分泌等阶段。理论上阻断病毒复制周期的任何一个环节,都可以抑制病毒复制。

目前,文献报道的抗冠状病毒药物靶点主要包括:病毒配体S蛋白、与病毒转录复制相关的RdRp、PLpro、3CLpro,以及宿主因子血管紧张素转化酶2(ACE2)等。

先导化合物的发现是药物研发的关键环节,也是药物化学研究的核心任务之一。当前,从药物化学视角,发现抗冠状病毒药物先导化合物的途径主要包括:老药新用、基于靶标结构的虚拟筛选、基于病毒蛋白/酶的高通量筛选、基于细胞水平的表型筛选、基于靶标相似性的精准药物设计、基于靶标的全新药物设计等。先导化合物发现以后,其结构优化主要包括一些常规的药物化学策略,如广谱抗病毒药物的老药新用、基于靶标结构相似性的优势结构再定位、基于靶标的虚拟筛选、基于病毒蛋白结构的生物活性筛选、基于细胞水平的表型筛选、基于靶标的高通量晶体筛选、以靶标蛋白为微反应器的动态组合化学技术、基于侵入环节的肽模拟物设计、基于宿主的药物分子设计等。

综上,应加大对冠状病毒以及广谱抗病毒药物基础研究的投入。针对特异性病毒靶标及宿主因子,综合运用结构生物学、生物信息学、生物信息大数据、计算机辅助药物设计技术及药物设计新理念(如基于片段的药物设计、蛋白质高通量结晶筛选、共价结合、以蛋白为微反应器的片段自组装策略、蛋白降解靶向嵌合体以及高品质化合物库的构建技术等),开展药物设计和化合物库筛选,发现骨架新颖、结构多样的苗头化合物,进而通过构效关系研究、结构优化及成药性评价,发现先导化合物、候选药物及临床有效药物,丰富抗病毒药物‘’储备库‘’,以备抗疫之需。

四、抗呼吸道合胞病毒药物研发的药物化学视角

呼吸道合胞病毒(RSV)是引起婴幼儿、老年人和免疫功能低下者呼吸道感染的主要病原体。目前,利巴韦林和人源化单克隆抗体帕利珠常用于RSV引发的下呼吸道感染,但由于它们的疗效、经济性与安全性等问题,限制了其临床应用。因此急需开发新型RSV抑制剂来满足临床需求。

 RSV是一种包膜病毒,属于肺炎病毒科。RSV感染是由病毒糖蛋白(G)附着到细胞表面引起的。然后,RSV通过F蛋白的6螺旋卷曲线束与宿主细胞膜融合,允许病毒复制复合体进入细胞,这是副粘病毒科特有的机制。RSV的吸附、融合、去包膜、脱核衣和复制、转录、翻译、组装以及释放组成其生命周期,其中任何一个阶段都是抗病毒治疗潜在的干预靶标。

从药物化学视角,针对RSV复制周期不同环节的抗RSV药物主要有融合抑制剂、RSV聚合酶抑制剂、核蛋白抑制剂等。

(一)融合抑制剂

这类药物主要有苯并咪唑及相关骨架类、喹唑啉类、吡唑-嘧啶类及通过这些主要化合物的骨架跃迁与取代修饰发现的新化合物。

(二)RSV聚合酶抑制剂

这类药物主要有核苷类、非核苷类RSV聚合酶抑制剂。

(三)核蛋白抑制剂

针对病毒核蛋白的RSV抑制剂是一个有希望的开发领域。RSV核蛋白(N)作为病毒核糖核蛋白(RNP)复合物的一部分,对病毒的组装和复制至关重要。因此,任何对N蛋白结构或功能的影响都极有可能对病毒有害,这使得N蛋白成为一个很好的靶点。

(四)G蛋白抑制剂

 G蛋白是一种黏附蛋白,主要介导病毒和分布在宿主细胞膜上的受体的结合与吸附。G蛋白的结构高度可变,目前尚不清楚该蛋白是否适合小分子的治疗性干预。

(五)选择性核输出蛋白抑制剂

 RSV劫持的宿主蛋白为靶点以抑制病毒复制是一种很有前途的抗病毒策略,因为靶向宿主蛋白降低了耐药性的产生,核输出蛋白1(XPO1)介导RSV M蛋白的核输出,是RSV组装和出芽的关键。

(六)优势结构再定位

通过优势结构再定位策略发现新型抗RSV药物。

(七)抗体和疫苗

目前研发的抗体主要有单克隆抗体、多克隆抗体和纳米抗体。单克隆抗体是抗体研发的主流方向。

由于免疫不成熟和母体抗体的免疫抑制作用等原因,使RSV疫苗的发现依然有很多障碍。目前,RSV疫苗研发的主要技术路线有减毒活疫苗、亚单位疫苗、载体疫苗和纳米颗粒疫苗。

综上,当前抗RSV药物研发的主要途径是基于结构的设计、对化合物库的高通量筛选、基于相似性的虚拟筛选、表型筛选以及优势结构再定位。

此外,RSV复制周期依赖于多种宿主蛋白和途径,靶向关键宿主蛋白是一种研发有效抗RSV药物的替代策略。这种方法的优点是出现RSV逃逸突变体的可能性较低,但主要的挑战是避免脱靶和减低毒性。另外,还有多种途径可以考虑,如阻断RSV用于进入宿主细胞的受体等。

 除了上述靶点外,研究发现SH蛋白很可能与RSV的致病性有关,N蛋白-P蛋白相互作用及M2-1蛋白在病毒转录和复制过程中也发挥着关键作用。而且G蛋白的晶体尚未得到,一旦可用,它将提供有关G蛋白同CX3CR1 和其他宿主蛋白相互作用的机制,这有利于更好地理解抑制模式以及为新型RSV抑制剂的研发提供帮助。

 为了提高抗病毒效果,应当探索具有协同作用的多靶点、多位点抑制剂,以减少RSV耐药突变株的出现。同时,广泛运用药物化学领域的新策略、新技术来提高新一代抗RSV药物发现的成功率。

五、抗流感病毒药物研发的药物化学视角

流感病毒(IFV)的暴发给人类的健康和生命造成了严重危害,致病性禽流感病毒(AIV)感染不断给人类带来致命性威胁,给世界各国带来极大的恐慌。

流感(flu)是由流感病毒(IFV)引起的急性上呼吸道疾病。流感病毒属于正黏病毒科,是一种单股、负链RNA基因组病毒,含有多种亚型,其中甲型流感病毒传染性较强,是引起季节性或大流行流感的主要病毒。一旦高致病性的流感病毒在全球蔓延开来,将会造成严重的社会健康危机和生命损失。

流感病毒感染宿主细胞后的复制非常迅速,其生命周期大体可分为8个环节:吸附、内吞、融合、复制、翻译、装配、出芽和释放。目前,对抗流感病毒的策略有两种:疫苗和小分子抗流感药物。其中,接种流感疫苗是预防流感最有效的方法,研制新型、高速、高效、广谱的流感疫苗一直是各国应对流感暴发的主要手段。现在主要接种的流感疫苗是三价灭活疫苗和减毒活疫苗。但疫苗每年都需要重新配置,以适应抗原变异,并且其研发周期长、成本高,这些缺点使得小分子药物成为防治流感的主要手段。

从药物化学视角,小分子抗流感病毒药物主要包括特异性流感病毒抑制剂和一些广谱抗病毒药物。

特异性流感病毒抑制剂主要包括M2离子通道阻滞剂、神经氨酸酶(NA)抑制剂、血凝素(HA)抑制剂、流感病毒酸性聚合酶(PA)复合物抑制剂、流感病毒碱性聚合酶1(PB1)复合物抑制剂、流感病毒碱性聚合酶2(PB2)复合物抑制剂、病毒核蛋白(NP)抑制剂等。

目前,抗流感病毒药物研究主要分为两个方面,一方面是针对现有靶标来优化或者设计新颖的化学实体,寻找对多种类型病毒以及耐药株都效果良好的抑制剂,同时它们也要能抵御自身的耐药突变。第二个方面是寻找新的靶标,开发新的抗病毒药物。

 另外,宿主因子也是一个非常有前景的抗耐药靶标。基因组RNA干扰筛选证实,许多宿主因子参与流感病毒的复制和转录,相比靶向病毒蛋白,靶向宿主因子可以产生突变屏障更高的小分子抑制剂。但这一切还是要注意细胞毒性以及代谢影响,抗流感病毒药物研究的最终目标是在不产生耐药突变的情况下开发安全有效的药物。

 ——摘编自药学学报,2020.4,55(4),抗病毒药物化学研究进展专刊


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