抗病毒藥物的臨床應(yīng)用與研究進展

抗病毒藥物的臨床應(yīng)用與研究進展

預(yù)防感染和殺死承擔(dān)過重的慢性傳染病的藥物，如艾哈巴氏病毒（ihs）和肝b（i級肝b）引起的慢性感染，嚴(yán)重?fù)p害人類的健康和生命。目前，抗炎藥物存在耐藥性和副作用大的問題，尤其是抗炎藥，是抗炎藥市場流失甚至失去臨床療效的主要原因。此外，近年來的嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒（severeacuterespiratorysyndromecoronavirus，SARS）、埃博拉病毒（Ebolavirus）、中東呼吸綜合征冠狀病毒（middleeastrespiratorysyndromecoronavirus，MERS-CoV）以及新型冠狀肺炎病毒（severeacuterespiratorysyndrome-coronavirus2，SARS-CoV-2）等病毒感染導(dǎo)致的多次嚴(yán)重疫情，給人類社會造成了極大的危害。更為嚴(yán)重的是，耐藥性的進一步發(fā)展使全球公共衛(wèi)生體系面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，使人類面臨新一輪疫情的威脅。因此，研發(fā)高效抗耐藥性的新型抗病毒藥物是臨床長期迫切需求，也是藥物化學(xué)工作者長期持續(xù)性的研究工作化學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科是藥物發(fā)現(xiàn)的理論基石。其中，生物無機化學(xué)又稱生物配位化學(xué)，是20世紀(jì)60年代以來逐步形成的以無機化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科交叉的領(lǐng)域。其研究對象是生物體內(nèi)的金屬（和少數(shù)非金屬）元素及其配合物，特別是痕量金屬元素和生物大分子配體形成的生物配合物，如各種金屬酶、金屬蛋白等1確定金屬酶及機制許多金屬蛋白（含金屬的酶）是治療多種人類疾病的重要藥物靶點，包括病毒感染、細(xì)菌感染、癌癥、糖尿病、貧血、高血壓、纖維化和神經(jīng)退行性疾病。這種金屬酶通常在催化部位含有一個或多個金屬離子，對發(fā)揮生物作用至關(guān)重要。對酶結(jié)構(gòu)與機制的深入了解是設(shè)計有效抑制劑的基礎(chǔ)。與抗病毒藥物設(shè)計相關(guān)的酶主要包括鎂離子和鋅離子依賴的酶1.1用鎂離子依賴酶為目標(biāo)的抗癲癇藥物研究1.1.1傳統(tǒng)病毒病毒由于特殊的物理化學(xué)特性，鎂離子參與了核酸生物化學(xué)中的許多催化過程，從而在許多不同病毒的復(fù)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。鎂離子依賴的抗病毒藥物靶標(biāo)主要包括：人類免疫缺陷病毒（humanimmunodeficiencyvirus，HIV）整合酶（integrase，IN）、HIV/乙肝病毒（hepatitisBvirus，HBV）核酸水解酶（ribonucleaseH，RNaseH）、流感病毒（influenzavirus）核酸內(nèi)切酶（endonuclease）、丙型肝炎病毒（hepatitisCvirus，HCV）聚合酶（polymerase）、人巨細(xì)胞病毒（humancytomegalovirus，HCMV）pUL89核酸內(nèi)切酶、單純性皰疹病毒（herpessimplexvirus，HSV）pUL15、登革病毒（denguevirus，DENV）RNA聚合酶等以鎂離子依賴性酶為靶標(biāo)的抗病毒藥物中，目前美國FDA已批準(zhǔn)了5種HIV-1整合酶鏈轉(zhuǎn)移抑制劑（拉替拉韋（raltegravir）、埃替拉韋（elvitegravir）、多替拉韋(dolutegravir)、比卡格韋（bictegravir）、卡博特韋（cabotegravir））及一種甲型流感病毒PA內(nèi)切酶（PANendonuclease）抑制劑巴洛沙韋（baloxavirmarboxil）(圖2)。它們的結(jié)構(gòu)中具有相似的藥效團模型，即一個可以與二價金屬離子（Mg1.1.2rnaseh抑制劑研究HIV-1RNaseH結(jié)構(gòu)域位于RTp66亞基C末端，大小約15kDa，從氨基酸Tyr427開始是其保守催化區(qū)域，與聚合酶活性位點相距約60?（相當(dāng)于18個堿基對）。RNaseH結(jié)構(gòu)域含有兩個二價金屬離子（MgHIV-1RNaseH必需兩個二價金屬離子（Mg近年來，越來越多關(guān)于RNaseH抑制劑的研究被報道，基于結(jié)合位點的不同，該類抑制劑可分為活性位點抑制劑和變構(gòu)抑制劑。活性位點抑制劑與活性位點高度保守的DEDD模序相互作用，同時螯合兩個催化必需的二價金屬離子，占據(jù)底物（RNA/DNA雜合體）結(jié)合口袋，阻礙RNaseH對底物的識別，從而抑制其降解作用。目前報道的HIV-1RNaseH活性位點抑制劑來源于天然產(chǎn)物和化學(xué)合成的小分子。來自天然產(chǎn)物的抑制劑主要為環(huán)庚三烯酚酮類[1.1.3基于優(yōu)勢結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計策略活性位點抑制劑的藥效團元素包括金屬離子螯合基團、“連接臂”與疏水性基團三部分。其中金屬離子螯合基團（配位結(jié)合區(qū)）通過與酶活性位點的二價金屬離子配位結(jié)合發(fā)揮抗病毒活性。對于特定金屬離子螯合基團，活性位點環(huán)境對金屬-配體相互作用有顯著影響，連接臂與疏水性基團的位置及性質(zhì)也會顯著影響活性與理化性質(zhì)。疏水性基團（變構(gòu)結(jié)合區(qū)）位于蛋白溶劑界面，附著力弱。因此，可通過優(yōu)化金屬螯合基團并在取代基部分引入形成新“附著力”的基團，增加焓效應(yīng)對吉布斯自由值的貢獻，從而提高化合物對靶點的親和性與抗耐藥性此外，由于現(xiàn)有分子模擬對金屬蛋白的研究存在著局限性，傳統(tǒng)力場的一般參數(shù)無法全面綜合地考慮配位數(shù)、配體類型和配體的空間排列等金屬配位的力場參數(shù)，這給基于金屬蛋白結(jié)構(gòu)的合理藥物設(shè)計帶來了很大挑戰(zhàn)，此時基于優(yōu)勢結(jié)構(gòu)與基于片段的藥物設(shè)計策略就顯得尤為重要。優(yōu)勢結(jié)構(gòu)（privilegedstructures）是指多種靶蛋白的配體分子中的共有結(jié)構(gòu)或者可以衍生出對多種靶蛋白均具有高親和力的分子骨架（圖6）。優(yōu)勢結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在：①具有良好的類藥性，因而基于優(yōu)勢結(jié)構(gòu)獲得的化合物有較高的成藥概率；②具有多個合適的結(jié)構(gòu)修飾位點，可通過修飾側(cè)鏈以實現(xiàn)多種生物活性；③具有化學(xué)合成的可及性，可以快速制備大量衍生物，構(gòu)建聚焦庫（fousedlibrary）用于構(gòu)效關(guān)系探究；④與其他藥效團相輔相成，在藥物設(shè)計中，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)決定了配體對靶標(biāo)的有效性，其他藥效團決定了配體對不同靶標(biāo)的選擇性，提高了靶標(biāo)的命中率。因此，基于優(yōu)勢結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計已成為新藥研發(fā)中富有成效的方法。鑒于HIV-1RNaseH與HIV整合酶、流感病毒內(nèi)切酶作用機制及抑制劑結(jié)構(gòu)類型的類似性，運用優(yōu)勢結(jié)構(gòu)再定位策略，將一些具有成藥性的金屬螯合基團“嫁接”到HIV-1RNaseH等新型鎂離子依賴蛋白的抑制劑中，有望大幅提高小分子與蛋白親和力與小分子的成藥性，該思路已經(jīng)得到初步驗證1.2弱親電化合物鋅指蛋白參與各種DNA轉(zhuǎn)錄和修復(fù)功能，其鋅指結(jié)構(gòu)域由包含半胱氨酸和組氨酸殘基的氨基酸序列組成，介導(dǎo)了大量DNA結(jié)合蛋白的序列識別。近幾年，鋅指蛋白已成為被普遍關(guān)注的抗病毒新靶點。HIV-1的核殼體蛋白7（nucleocapsidprotein7，NCp7）是由55個氨基酸殘基組成的短肽，并具有2個鋅指結(jié)構(gòu)域。NCp7在病毒逆轉(zhuǎn)錄與整合過程中都起到重要作用，且具有高度的保守性。因此，針對此靶點設(shè)計合成的藥物不易因蛋白突變而產(chǎn)生耐藥性基于鋅離子“逐出”機制的抑制劑多存在弱親電基團，這些弱親電基團能與NCp7鋅指結(jié)構(gòu)域遠(yuǎn)端關(guān)鍵的半胱氨酸親核連接形成共價絡(luò)合物，使鋅離子被排出，從而破壞了NCp7的正常三級結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)報道了不同種類的弱親電基團，例如：C-亞硝基類化合物中的氮原子、2,2′-聯(lián)硫類和二噻烷類化合物中的硫原子、2,2′-二硒雙苯酰胺中的硒原子，苯甲酰胺硫酯類及其前藥中的碳原子以及過渡金屬配合物中的過渡金屬原子（圖8）等，其作用機制主要包括（圖9）：①對鋅指的親電攻擊；②鋅離子螯合；③鉑類等金屬配合物與半胱氨酸殘基的共價結(jié)合C-亞硝基類化合物是首類作用于NCp7鋅指受體的化合物，代表化合物為3-亞硝基苯甲酰胺（NOBA，化合物28）和6-亞硝基-1,2-苯并吡喃酮（NOBP，化合物29）。它們通過使NCp7鋅指結(jié)構(gòu)域中的半胱氨酸的巰基形成二硫鍵，破壞其結(jié)構(gòu)，使NCp7失去與核酸結(jié)合的能力，從而抑制其功能。NOBA在外周血單核細(xì)胞中抑制HIV-1的EC金屬配合物：鉑配合物類NCp7抑制劑30具有中等的體外抗HIV-1活性（EC2,2′-聯(lián)硫（硒）類化合物（33～37）通過與NCp7鋅指受體中半胱氨酸殘基的硫原子作用形成二硫鍵，逐出鋅離子，從而破壞NCp7活性結(jié)構(gòu)，削弱病毒感染力，具有廣譜抗病毒活性。但是因結(jié)構(gòu)中的二硫（硒）鍵不穩(wěn)定，體內(nèi)半衰期很短，需要進一步修飾苯甲酰胺硫酯類結(jié)構(gòu)的代表化合物為38～40，38和39均通過與NCp7共價結(jié)合進而改變NCp7構(gòu)象，但是它們卻作用于病毒復(fù)制的不同階段，化合物38能夠?qū)Cp7兩個鋅指結(jié)構(gòu)中的Zn需要指出的是，理想的鋅離子逐出劑應(yīng)只將病毒靶標(biāo)蛋白中的鋅離子逐出，而不影響人體必需含鋅蛋白中的Zn2016年，Lee等1.3天然免疫因子人APOBEC3酶家族是一類具有抗病毒活性的蛋白，能夠從病毒單鏈DNA的腺嘌呤或胞嘧啶上脫氨基使之分別變?yōu)辄S嘌呤或尿嘧啶，從而產(chǎn)生對病毒致死的G→A高突變，從而發(fā)揮抗病毒活性。其中，APOBEC3G（A3G）是重要的天然免疫因子，其N端和C端結(jié)構(gòu)域含有兩個鋅離子，它可被HIV-1感染因子（Vif）蛋白泛素化，被蛋白酶體降解。研究發(fā)現(xiàn)，鋅螯合劑SN-1（47，圖11）可與A3G的鋅離子結(jié)合，在Vif存在的情況下能夠提高A3G的表達水平，使其發(fā)揮抗病毒作用1,4,8,11-四-吖環(huán)四癸烷類化合物（cyclams）是有效的HIV抑制劑，代表化合物為AMD3100（48），其作用機制可能是與Zn1.4研發(fā)螺旋酶病毒螺旋酶（helicases，又譯解旋酶或解螺旋酶）是生物體維持生命所必需的一類酶，可分為多種類型。細(xì)菌、病毒和人類細(xì)胞編碼的螺旋酶被認(rèn)為是研發(fā)新型抗病毒、抗生素和抗癌藥物的靶點，例如寨卡病毒的NS3解旋酶新冠病毒的RNA依賴RNA聚合酶是病毒復(fù)制的核心組件，包括nsp12、nsp7和nsp8等。新冠病毒RdRp的三維結(jié)構(gòu)已通過冷凍電鏡技術(shù)得以解析。近日，美國研究者發(fā)現(xiàn)新冠病毒RNA聚合酶催化亞基存在鐵硫簇（圖12），對于病毒的復(fù)制至關(guān)重要，利用氧化劑破壞鐵硫簇能夠有效抑制病毒復(fù)制2hiv蛋白酶抑制劑由于金屬配合物中金屬的類型多種多樣，金屬氧化狀態(tài)、配體的種類和數(shù)目以及配位幾何結(jié)構(gòu)也存在多樣性，導(dǎo)致金屬藥物種類繁多、性質(zhì)各異，其生物活性非常廣泛，受到藥物研究者的普遍關(guān)注例如，銅配合物52是有效的HIV蛋白酶抑制劑鐵配合物中研究較多的是二茂鐵，它具有獨特的夾心結(jié)構(gòu)：兩個環(huán)戊二烯基負(fù)離子和一個正二價鐵離子，同時由d軌道重疊形成特殊的共價鍵。因此，其環(huán)戊二烯是典型的非芳香環(huán)，容易發(fā)生取代反應(yīng)，且化學(xué)性質(zhì)比苯活潑，并能進行一系列親電取代反應(yīng)從而得到二茂鐵金屬衍生物由于鉍具有抗菌活性，長期以來一直被用于治療幽門螺旋桿菌導(dǎo)致的胃潰瘍等各種疾病，典型的藥物有枸櫞酸鉍雷尼替?。≧BC，69）3類金屬的領(lǐng)域類金屬（metalloid）又稱“準(zhǔn)金屬”，是性質(zhì)介于金屬和非金屬之間的元素。通常包括硼、硅、砷、銻、碲、釙，而硒、鋁在極少數(shù)的情況下也被認(rèn)為屬于類金屬。目前具有抗病毒活性的類金屬有機化合物中以含硒、硅、硼元素的化合物最為代表（圖14）。3.1提高生物利用度從新藥開發(fā)的角度，硒具有抗氧化和高親脂性等優(yōu)點，可增強跨細(xì)胞膜的滲透性，從而提高口服生物利用度。硒是氧的經(jīng)典等排體，具有類似的生物活性基于阿昔洛韋和更昔洛韋的結(jié)構(gòu)，研究者設(shè)計合成了硒代阿昔洛韋（70）和硒代更昔洛韋（71）。70具有較強的抗HSV-1和-2活性，而71具有中等的抗HCMV活性3.2有機硅化合物硅可以引入分子中，調(diào)節(jié)其類藥性，為藥物化學(xué)家提供了一種非常規(guī)取代碳原子的策略3.3米、克立硼羅和法硼巴坦在過去的20年中，已有5個含硼藥物獲得美國FDA批準(zhǔn)，即硼替佐米、他伐硼羅、依沙佐米、克立硼羅和法硼巴坦，并且還有一些含硼化合物處于臨床研究的不同階段。含硼酸化合物通過可逆的共價鍵、多重氫鍵或金屬離子配位鍵與生物靶標(biāo)“精準(zhǔn)”結(jié)合，從而提高生物活性并克服耐藥性，在抗病毒藥物設(shè)計中日益受到關(guān)注例如，含硼酸的HIV-1蛋白酶抑制劑75（4疾病診斷領(lǐng)域當(dāng)前，納米技術(shù)廣泛應(yīng)用于藥物分子設(shè)計、藥物遞送以及疾病診斷等領(lǐng)域。病毒與細(xì)胞表面的受體、蛋白存在明顯的多價態(tài)（multivalency）結(jié)合現(xiàn)象4.1納米銀早期研究發(fā)現(xiàn)，納米銀（AgNPs）對包括HIV、HBV、單純皰疹病毒和呼吸道合胞病毒在內(nèi)的幾種病毒均具有抑制活性4.2．3納米顆粒病毒納米金也稱為膠體金，是病毒檢測中的成熟技術(shù)，新冠疫情期間，多家公司運用膠體金法研發(fā)的SARS-CoV-2抗體檢測試劑盒通過了國家藥監(jiān)局應(yīng)急審批金納米載體有助于將抗HIV藥物司他夫定遞送到原代人巨噬細(xì)胞，顯著提高了巨噬細(xì)胞攝取司他夫定的效率，誘導(dǎo)了有助于巨噬細(xì)胞抗病毒活性的特異性促炎激活模式，為抗HIV治療提供了新的方案病原體常利用多價凝集素-多糖相互作用來結(jié)合和感染宿主細(xì)胞。糖綴合物可以阻斷這種相互作用，從而預(yù)防感染。最近，研究發(fā)現(xiàn)甘露聚糖-金納米粒子（GNP）作為多功能探針用于研究多價凝集素-聚糖的結(jié)合。GNP-聚糖能有效或完全抑制樹突狀細(xì)胞特異性細(xì)胞間黏附分子3結(jié)合非整合素（endriticcellspecificintercellularadhesionmolecule-3grabbingnonintegrin，DC-SIGN）介導(dǎo)的埃博拉病毒糖蛋白驅(qū)動的細(xì)胞侵入環(huán)節(jié)（IC過去幾年，小分子綴合型納米金技術(shù)成功應(yīng)用于HIV整合酶及侵入環(huán)節(jié)的抑制劑中（與金形成納米顆粒的小分子片段77～79，見圖15）病毒與細(xì)胞表面硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（heparansulfateproteoglycans，HSPG）之間的多重相互作用是病毒入胞的關(guān)鍵。因此，廣譜物質(zhì)可以通過模擬HSPG這一病毒連接配體（viralattachmentligands，VALs）靶位來阻止病毒與細(xì)胞相互作用。2018年，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究者設(shè)計了模仿HSPG的抗病毒金納米顆粒，病毒與VAL重復(fù)單元的結(jié)合最終產(chǎn)生使病毒不可逆變形的力（~190pN）。病毒檢測、電子顯微鏡圖像和分子動力學(xué)模擬都證明了所提出的機制。這些納米顆粒細(xì)胞毒性低，且在體外納摩爾濃度可抑制單純皰疹病毒、人乳頭瘤病毒、呼吸道合胞病毒、登革熱和慢病毒4.3碳納米管和其他碳基納米材料GSH修飾的硫化鋅納米顆粒（GSH-ZnSNPs）對皰疹病毒科DNA病毒、偽狂犬病病毒、冠狀病毒科正義RNA病毒、豬流行性腹瀉病毒、彈狀病毒（Rhabdoviridae）負(fù)鏈RNA病毒、水泡性口炎病毒均有較強的抗病毒作用碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、量子點等碳基納米材料及硒納米材料在流感及新冠疫情防治方面也發(fā)揮較大作用Cs5靶向金屬離子催化的金屬蛋白體系設(shè)計的現(xiàn)狀新冠疫情暴發(fā)以來，截至2021年8月30日，全球新冠肺炎累計超過2.16億人感染，死亡人數(shù)超過450萬人，新冠病毒在全球肆虐的態(tài)勢依然未見消退，新的病毒突變株不斷產(chǎn)生，嚴(yán)重影響人類生存與社會發(fā)展。后疫情時代應(yīng)如何戰(zhàn)勝新冠病毒及長期困擾人類社會的艾滋病、乙肝等慢性病毒感染，開發(fā)特效藥物及廣譜抗耐藥性抗病毒藥物是當(dāng)前及未來長期的重大科研課題金屬酶代表了一大類尚未完全開發(fā)的抗病毒藥物靶標(biāo)。以金屬酶為靶點的有效療法的發(fā)現(xiàn)正是生物無機化學(xué)和藥物化學(xué)的結(jié)合點?；诎袠?biāo)結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計（structure-baseddrugdesign，SBDD）是新藥研發(fā)的最理性策略，其通過分子模擬，研究配體與其靶標(biāo)的結(jié)合信息（結(jié)合構(gòu)象、靜電作用、氫鍵、范德華力或疏水作用等），設(shè)計出針對該靶標(biāo)的高親和配體，為新藥的發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有分子模擬對金屬蛋白的研究存在著局限性，傳統(tǒng)的力場參數(shù)往往只涉及天然氨基酸和核酸，而含金屬配位的力場參數(shù)則要綜合考慮配位數(shù)、配體類型和配體的空間排列等因素，并且純分子力學(xué)無法描述涉及“電子行為”的過程，因而分子模擬無法準(zhǔn)確描述金屬蛋白體系中金屬的配位狀況，這給基于金屬蛋白結(jié)構(gòu)的合理藥物設(shè)計帶來了很大挑戰(zhàn)。此外，部分金屬酶如整合酶由于可溶性低，且在測定條件下易多聚等問題，其全酶空間結(jié)構(gòu)尚未成功解析，目前多數(shù)是采用同源酶來研究整合酶與配體的結(jié)合模式，因此與真實的結(jié)合情況還存在較大的偏差，為基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計增加了新的不確定性。因此，現(xiàn)有絕大多數(shù)以HIV-1整合酶和RNaseH抑制劑為代表的金屬酶抑制劑的發(fā)現(xiàn)都是隨機的，高通量篩選技術(shù)及“反復(fù)試錯”的先導(dǎo)化合物優(yōu)化模式造成了資源和時間的浪費，并且這些新抑制劑的效力很可能不會超過現(xiàn)有的抑制劑，因此亟須形成新的藥物發(fā)現(xiàn)思路。特別是基于靶標(biāo)與基于優(yōu)勢