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抗病毒药物研发的药物化学视角(3)

发布时间:2020-05-12 15:55:42 | 来源:【药物研发团队 2020-05-12】
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十一、抗乙型肝炎病毒药物研发的药物化学视角

乙型肝炎病毒性肝炎,简称乙肝,是由乙型肝炎病毒(HBV)所致的重大传染性疾病,长期发展可导致急慢性病毒性肝炎、肝代谢异常、肝硬化和原发性肝细胞癌。

据世界卫生组织报道,全球近20亿人感染过HBV,其中约2.5 亿人为慢性HBV感染者。我国约有9000 万乙肝病毒携带者,平均每年约28万患者因感染乙肝病毒而死亡,已成为影响我国人民生命安全和身体健康及社会发展的重大疾病之一。乙肝发病率高,病程长,目前已上市的抗乙肝病毒小分子药物无法治愈乙肝。因此,研发安全高效的新型乙肝病毒抑制剂具有重要意义。

HBV是一种嗜肝DNA病毒,其完整的生命周期包括:吸附、穿入、脱壳、修补、转录、翻译、衣壳蛋白装配、DNA复制、获得包膜和释放等。理论上,阻断病毒复制周期的任何一个环节,都可以实现抗病毒的目的。

随着结构生物学的发展和对HBV生命周期的深入研究,HBV生命周期中多个靶点近年来被相继报道。目前,抗HBV药物主要包括HBV吸附侵入抑制剂、靶向于共价闭合环状DNA(cccDNA)的抑制剂、靶向于RNA的抑制剂、抑制乙肝表面抗原(HBsAg)分泌抑制剂、核衣壳蛋白抑制剂、靶向于RNaseH结构域的DNA聚合酶抑制剂(如托酚酮类抑制剂、二酮类抑制剂、N-羟基嘧啶二酮类抑制剂、N-羟基吡啶二酮类抑制剂、N-羟基异喹啉二酮类抑制剂等)、病毒成熟抑制剂、宿主抗病毒靶点抑制剂(如免疫激动剂、HBV治疗性疫苗、特异性细胞毒性T淋巴细胞调节分子激动剂、热应激同源蛋白70抑制剂和靶向宿主因子抑制剂等)、衣壳蛋白抑制剂和其他靶点尚不明确的HBV抑制剂(如异黄酮类化合物等)。

衣壳蛋白抑制剂又称核心蛋白变构调节剂(CpAM),其作用机制主要分为3类,包括:干扰核衣壳的正常装配,促进核心蛋白的降解,如二氢嘧啶类抑制剂(HAPs);促进不含前基因组RNA(pgRNA)的“空衣壳”的形成,如苯磺酰胺类抑制剂;结合到已装配好的衣壳蛋白上,破坏衣壳的结构,抑制其成熟过程以及释放HBV遗传物质(HAP-TAMRA)等。根据不同的结构类型,衣壳蛋白抑制剂可分为丙烯酰胺类抑制剂、二氢嘧啶类抑制剂、苯磺酰胺类抑制剂、双噻唑类抑制剂、二甲酰噻吩类抑制剂、哒嗪酮类抑制剂、二磺酸联萘类抑制剂和亚氨基糖类抑制剂等。

目前,已上市的抗乙肝药物多属于核苷类化合物,随着核苷类药物在临床上的长期应用,不断出现许多亟待解决的问题,如病毒耐药株的出现和联合用药的肾脏累积毒性等。因此,基于新靶标、新机制的抗乙肝病毒药物研发显得十分迫切。

衣壳装配是HBV生命周期中的关键步骤,从药物化学视角,采用基于结构的合理药物设计,靶向于关键氨基酸形成额外的相互作用力,如氢键结合力、疏水作用力等,则可以更高效地发现高活性、高亲和力、抗耐药性的先导化合物。

近年来,一些新的药物设计理念和技术在抗病毒药物研发领域取得了成功。如利用靶向蛋白降解嵌合体(PROTAC)技术研发的新型抗丙肝药物,既能抑制又能诱导丙肝病毒(HCV)的NS3/4A蛋白降解,从而克服了病毒耐药性的问题。与此同时,共价抑制剂作为克服病毒耐药性问题的有效途径,也逐渐受到研究者的普遍关注。

上述从药物化学视角的药物设计新理念和新技术为抗病毒药物领域的研究奠定了坚实的基础,并对抗乙肝病毒药物研发提供了重要的参考。未来,应当将PROTAC技术以及共价结合理念创造性地应用于抗乙肝病毒药物的研究中,研发具有新靶标、新机制的抗乙肝病毒药物。需要特别强调的是,cccDNA是HBV生命周期中稳定存在的关键因素,只有完全清除,才能实现乙肝的彻底治愈。因此,运用药物筛选的新策略与新技术,发现具有清除细胞核内cccDNA活性的分子,是未来抗乙肝病毒药物研发的重要方向,应给予足够的重视。

十二、抗人巨细胞病毒药物研发的药物化学视角

人巨细胞病毒(HCMV)是倍他疱疹病毒亚家族的典型成员,是艾滋病、器官移植患者以及出生异常的主要病毒感染源和危及生命的病原体。HCMV与其他疱疹病毒具有共同的结构,都有高度有序的二十面体形态的核衣壳,该核衣壳被一个部分有序的蛋白质层包围,该包被又被包裹在一个多晶型脂质双层中,该多晶型脂质双层含有10多种不同种类的病毒糖蛋白,这些糖蛋白负责粘附并进入宿主细胞。

 HCMV广泛存在于人类群体中,易通过直接接触体液(如唾液、泪液、尿液、粪便、精液和母乳)传播,在大多数成人的血清中呈阳性。其血清流行率随地理位置和社会经济条件而变化,发达国家的血清流行率在30%~70%之间;在发展中国家,大多数学龄前儿童(>90%)都是HCMV抗体阳性。对于健康个体,原发性感染是良性的,无症状或受自我限制。但对于免疫功能受损人群具有较大的影响,例如,艾滋病患者易患视网膜炎和胃炎,移植患者易患器官排斥,新生儿易患大量出生缺陷和发育障碍,HCMV感染已成为先天缺陷的主要因素。然而且前尚无预防HCMV感染的疫苗,仅有少数被批准用于治疗HCMV感染的药物,而且这些药物作用靶点单一、抗病毒活性中等、易产生耐药性且具有较严重的不良反应。因此,发现新型高效抗耐药性的抗HCMV药物势在必行。

随着生命科学、生物信息学等学科的快速发展,对HCMV复制周期和致病机制研究的不断深入,已有很多作用靶点被发现,如HCMV的表面糖蛋白GB以及控制病毒进入的五聚体等,但还没有作用于这些靶点的先导化合物。因此,基于计算机辅助药物设计、人工智能等新技术及新药物设计策略以发现更多的活性化合物,对抗HCMV首创药物的研发至关重要。

从药物化学视角,目前用于抗HCMV药物研发的策略主要基于生物电子等排、前药修饰、高通量筛选经典方法。许多其他比较经典的药物设计理念和方法(如骨架跃迁、分子杂合、与天然产物的优势片段结合等)也应用于其中。

然而,抗病毒药物治疗最大的问题就是易产生耐药性,对抗耐药性问题已刻不容缓。“鸡尾酒疗法”是一种有效的抗艾滋病疗法,类似地,控制HCMV感染也可以将不同机制的活性药物联合使用以增加抗耐药性,但任何药物的联合治疗都需要仔细匹配药代动力学特征,以确保持续覆盖两种药物,帮助延迟耐药性的出现。此外,靶向靶标的保守性区域、形成主链氢键、靶向新结合位点、多靶标药物设计、共价结合或PROTAC等策略都可以用于抗病毒耐药性药物的研发,以提高抗HCMV药物研发的成功率。

十三、抗丙型肝炎病毒药物研发的药物化学视角

丙型肝炎病毒(HCV)是一种血液传播性疾病,通常会被描述为“沉默杀手”,主要是因为丙肝病毒的潜伏期长,而且极易慢性化。慢性丙肝会对肝脏造成不同程度的损伤,如不及时治疗,会引起一系列的并发症,如肝纤维化、肝硬化甚至是肝癌。估计全球约有1.3亿~1.85亿人感染HCV,其中约四分之一的患者会产生肝硬化、肝细胞癌甚至肝功能衰竭等并发症,每年大约有70万人死于丙型肝炎及其并发症。我国丙肝病毒感染者约1000万人。

HCV进入人体,会选择性感染肝脏细胞,利用肝细胞中的物质进行增殖。其生命周期主要分为吸附与融合、翻译和RNA复制、组装、出芽和释放。抗HCV药物通过作用于病毒编码蛋白或致病相关宿主细胞因子,从不同阶段阻断HCV在肝细胞中的生命周期,从而达到抗病毒疗效。

根据作用靶点的不同,抗HCV药物主要包括直接抗病毒药物(DAA)和宿主靶向药物(HTA)。其中,DAA直接作用于病毒蛋白,往往具有较高的应答率和治愈率。

DAA主要有NS3/4A蛋白酶抑制剂(包括开环类、大环类NS3/4A蛋白酶抑制剂等)、NS5B聚合酶抑制剂(包括核苷类、非核苷类、喹诺酮类、噻吩羧酸类、苯并呋喃酮类等NS5B聚合酶抑制剂)、NS5A聚合酶抑制剂等。

目前,HCV治疗方案主要是基于几种不同作用方式的DAA组合,组合疗法具有治愈率高、治疗周期短以及耐药屏障高等优点,但是其价格昂贵,且依然存在耐药问题。

从药物化学视角,基于化合物库的高通量筛选(HTS)以及从天然产物中寻找具有抗HCV活性的化合物是发现抗HCV先导化合物的重要途径。这些先导化合物基于配体结构相似性等,通过分子杂合、生物电子等排、骨架跃迁等药物化学策略进行修饰优化;对于已经发现的针对某确定靶点的先导化合物,通过对其结合模式的研究,运用基于结构的合理药物设计方法,如底物包膜假说等策略进行优化;基于先导化合物的体内代谢和活性转化的前药策略以及基于体内泛素化蛋白降解技术的PROTAC策略也用于抗HCV先导化合物的优化中。

以上几种针对性修饰先导化合物的药物化学策略已经成为发展抗HCV药物的重要途径。通过系统的药代动力学、药效学和毒理学评价新衍生物,最终筛选出候选药物。

另外,靶向于新靶点的抑制剂,如靶向HCV蛋白(E1/E2、p7和NS4B)与靶向人蛋白(如亲环蛋白A、细胞周期蛋白G相关激酶和清道夫受体B1等)抑制剂,以及具有新作用机制的抑制剂,如PROTAC小分子等,有望解决抗HCV药物的耐药性难题,将使HCV感染的治疗带来新的突破。

十四、抗寨卡病毒药物研发的药物化学视角

寨卡病毒(ZIKV)是黄病毒科黄病毒属的成员之一,作为一种由蚊虫传播的黄病毒,ZIKV感染后期会导致严重的的神经系统并发症,如格林-巴利综合征。寨卡病毒感染对孕妇及胎儿的影响尤为严重,会造成新生儿小头畸形。截至2019年,ZIKV已在全球84个国家或地区传播,已经成为世界范围内的公共卫生问题。

 ZIKV的遗传物质为单股正链RNA,复制周期类似于其他已知的黄病毒。该病毒首先附着到宿主细胞膜上的受体,在低pH环境下,通过网格蛋白介导内吞。在此过程中,酪氨酸蛋白激酶受体AXL、Tyro 3、DC-SIGN和Tim-1等细胞表面受体促进了ZIKV进入宿主细胞。接着,病毒基因被释放到宿主的细胞质中进行翻译,由此产生的多聚蛋白水解为各种蛋白质,包括结构和非结构蛋白。同时,新合成的正链RNA可以用于进一步的翻译或复制,也可以在内质网中进行组装,并通过分泌通路,再成为成熟的子代病毒,最后释放到细胞外间隙。

 到目前为止,还没有特异性的抗病毒药物被批准用于治疗ZIKV感染,临床上多使用常规药物来缓解症状。目前,抗ZIKV药物的发现策略主要为筛选多样性小分子化合物库或天然化合物,以及已知活性化合物或临床应用药物进行“药物再定位”。此外,基于抗体的候选药物研究也是一个重要方面。按照其作用方式,抗ZIKV药物可分为作用于病毒本身和作用于宿主细胞的药物。

作用于病毒的药物主要有NS5 RdRp抑制剂、NS5 MTase抑制剂、NS2-NS3 蛋白酶抑制剂、NS3螺旋酶抑制剂等。

 作用于宿主细胞的药物主要有嘧啶合成抑制剂、嘌呤合成抑制剂、IMPDH抑制剂、GMG-CoA还原酶抑制剂、针对囊泡ATP酶的病毒侵入阻断剂、病毒复制pH依赖步骤抑制剂、细胞周期依赖性激酶抑制剂、神经细胞死亡抑制剂、Bcl-2蛋白抑制剂等。

从药物化学视角,目前发现抗ZIKV药物的主要途径是通过结构多样性新化合物库的表型筛选及老药新用,首先发现高效低毒先导化合物,进而通过结构优化与成药性评价,得到候选药物。

由于宿主细胞在多种病毒生命周期中均扮演重要角色,故针对宿主细胞研发药物成为一种颇具吸引力的广谱抗病毒策略。而且,基于此策略研发出的药物不容易产生耐药性,因此研发作用于宿主细胞的药物将成为抗ZIKV药物研发的重要方向。

十五、抗西尼罗病毒药物研发的药物化学视角

西尼罗病毒(WNV)是一种近年来在全球广泛传播并迅速蔓延的黄病毒,为单股线型正链RNA病毒,由库蚊传播,人类对其普遍易感,人感染后可导致西尼罗热,进而发展为西尼罗病毒性脑炎甚至导致死亡,已成为威胁人类生命安全和身体健康的一类恶性传染病,迄今为止尚无批准的特异性抗WNV药物。因此,研发高效、低毒的抗WNV药物具有重要意义。E蛋白、NS2B/NS3蛋白酶、NS5-MTase/NS5-RdRp、NTPase/helicase、宿主蛋白等已成为目前抗WNV药物研发的主要靶点。

近年来,尽管研究人员针对WNV各靶点进行了大量研究,但仍没有特异性抗WNV药物被批准上市。并且现有药物活性低、毒性大、药代动力学性质不佳,尚不能满足治疗WNV感染的需求。虽然我国目前尚未发现WNV感染病例,但为了防止其在我国突然爆发流行,应尽早研发出有效的抗WNV药物。

从药物化学视角,除老药新用研发策略外,通过底物多肽类似物进行更为合理及精准的药物设计,更为精准的虚拟筛选,以期发现细胞活性更高,具有更好药代动力学性质的抗WNV药物。

——摘编自药学学报,2020年4月,55(4),抗病毒药物化学研究进展专刊。

 

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