关键词:
人类免疫缺陷病毒
非核苷类逆转录酶抑制剂
新型冠状病毒
木瓜样蛋白酶抑制剂
抗病毒药物研究
摘要:
病毒感染对人类健康构成巨大威胁,每年导致数百万人死亡。特别是以人类免疫缺陷病毒(HIV-1)和新型冠状病毒(SARS-CoV-2)为代表的RNA病毒,由于它们的聚合酶校正功能缺失或不足,病毒基因组突变率高,极易发生突变对现有药物产生耐药。因此,研发新型高效抗耐药的抗HIV-1和SARS-CoV-2药物是目前抗病毒药物研究的热点。本论文针对HIV-1和SARS-CoV-2临床用药产生的耐药性问题,分别以在病毒复制周期中发挥重要作用的HIV-1逆转录酶(RT)以及SARS-CoV-2木瓜样蛋白酶(PLpro)为靶标,采用结构生物学导向的合理药物设计,开展了以下三方面的工作:
(1)基于“四点药效团”模型的新型HIV-1 NNRTIs的发现
HIV-1属于RNA病毒中的逆转录病毒,必须依靠RT将基因组RNA逆转录为双链DNA才能完成复制过程,因此HIV-1 RT是抗艾滋病药物设计的理想靶标。其中,非核苷类逆转录酶抑制剂(NNRTIs)因具有高效、低毒的优点,是艾滋病高效逆转录疗法(HAART)的重要组成部分,但该类抑制剂在临床使用中均不可避免的出现了耐药性问题。因此,亟需研发新一代具有高效抗耐药性的NNRTIs候选药物。
基于二芳基嘧啶(DAPY)类NNRTIs与HIV-1 RT结合的“四点药效团”模型,以课题组前期发现的抗HIV-1候选药物K-5a2为先导,针对其抗HIV-1双突变株K103N/Y181C(RES056)活性以及药代动力学性质不佳的问题,基于K-5a2/RT共晶结构,在其中心嘧啶环C5位引入结构多样性取代基占据可容纳区域Ⅱ,设计并合成了 IA系列18个化合物,以提高化合物与RT的亲和力,进而提高抗病毒活性和抗耐药性。
在MT-4细胞中采用MTT法测试了目标化合物的体外抗HIV-1活性。结果表明,IA系列化合物对HIV-1野生株和突变株均具有良好的活性。其中,化合物IA-12c活性最优,对HIV-1野生株及突变株的EC50值为3.75-24.4 nM,优于或与上市药物依曲韦林相当(ETR,EC50=2.80-37.6 nM)。特别是对双突变株 RES056,IA-12c(EC50=24.4nM)的活性超过 ETR(EC50=37.6nM)和 K-5a2(EC50=30.6nM)。IA-12c/HIV-1RT共晶结构显示,新引入的5-位吡啶取代基伸入可容纳区域Ⅱ,吡啶氮原子通过水分子介导的氢键与I180、T165、Q182、M184形成多重氢键,其中M184是RT催化位点的关键氨基酸,该氢键对于维持化合物的活性具有重要作用;此外,左翼苯环4-位氰基通过水桥与Y188和L228形成额外氢键,这些新形成的氢键网络显著提高了 IA-12c的抗耐药性。然而,体内成药性评价发现,虽然IA-12c毒性较低、安全性良好,但其口服生物利用度仅为15.3%,仍有进一步提升的空间。
为进一步提高IA-12c的抗耐药性和成药性质,IB系列将IA-12c左翼氰基替换为氰基乙烯基,增强与保守型氨基酸W229的疏水作用;同时采用生物电子等排体策略对5-位吡啶环进行多样性结构替换,设计合成了 36个结构全新的化合物。IB系列化合物对野生型HIV-1的EC50值均小于10 nM,对突变株活性较IA系列化合物进一步提升。其中,5-位嘧啶取代衍生物IB-9b活性尤为突出,EC50值分别为4.95nM(ⅢB)、3.43nM(L100I)、4.77nM(K103N)、5.88nM(Y181C)、15.3nM(Y188L)、9.49nM(E138K)、11.8nM(F227L/V106A)、10.1 nM(RES056)。IB-9b 对双突变株 RES056 活性明显提高,分别是K-5a2和ETR的3倍和5.2倍。体外HIV-1 RT抑制实验显示,系列I化合物具有亚微摩尔的抑酶活性,趋势与细胞水平抗病毒活性一致,证明其作用靶点为HIV-1RT。初步成药性评价发现,IB-9b对常见的CYP酶亚型具有低的抑制活性(IC50>10μM);IB-9b在大鼠体内具有良好的药代动力学性质,口服生物利用度为31.8%,是IA-12c的2倍;同时,IB-9b在小鼠体内表现出良好的安全性,LD50大于2000 mg/kg。因此,IB-9b作为口服抗艾滋病药物,具有广阔的开发前景。
(2)基于晶体结构的新型SARS-CoV-2PLpro共价抑制剂的发现
直至今日,SARS-CoV-2仍严重威胁着人类的生命健康。SARS-CoV-2属于单正链RNA病毒,容易发生突变导致耐药的产生,目前已发现多种对上市药物耐药的病毒株,因此急需开发具有新机制、新靶点的新冠病毒治疗药物。SARS-CoV-2 PLpro是病毒复制过程中的关键蛋白酶,不仅参与病毒多聚蛋白的剪切成熟,还抑制宿