上市小分子抗病毒药物研究进展
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Research Progress of Commercial Small-Molecule Antiviral Drugs
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通讯作者:
收稿日期: 2022-12-18 接受日期: 2023-02-21
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Received: 2022-12-18 Accepted: 2023-02-21
The COVID-19, AIDS, influenza, and other infectious viral diseases have a significant impact on human health, and new antiviral drugs are continuously emerging to combat these diseases. Herein, aiming at anti-SARS-CoV-2, anti-HIV, and anti-influenza virus, the latest research progress of small-molecule drugs is reported in this paper. The discovery process, mechanism of action, synthesis process, and structure–activity relationship research of each drug are systematically expounded to promote antiviral drug research and development.
Keywords:
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薛圣志, 毕金龙, 惠新平, 武全香.
Xue Shengzhi.
病毒是一类严重危害人类生命健康的病原体,具有传播速度快、传播力强等特点。目前,新型冠状病毒感染(COVID-19)正在全球流行,被世界卫生组织列为紧急情况下优先研究的疾病。虽然抗病毒药物研发取得了较大进展,但现有的抗病毒药物和疗法仍有较多局限,无法满足临床应用需求,研发新机制和新结构的抗病毒药物迫在眉睫。
抗病毒药物按照分子量不同分为小分子药物和大分子药物。小分子药物以给药方式灵活,可口服;潜在作用靶点较多,机制多样,可进入细胞膜;生产成本相对较低,质量控制相对较好等优势占据研发领域的绝大部分。近期更多的新模式和新生物方法为小分子药物的发现和研究带来了便利,大多数制药公司都在以更多样的方式进行药物研究[1]。目前,每年由美国食品药品管理局(Food and drug administration,FDA)批准的抗病毒药物有3–4种,其中小分子药物2–3种[2]。新型冠状病毒感染和艾滋病是人类重点关注的疾病,病毒引起的流行性感冒作为一种全球重点公共卫生问题,传播广泛,易爆发流行,抗病毒药物研究受到了人们的广泛关注。本文介绍了2020年以来上市的抗新型冠状病毒和抗艾滋病毒药物的研究进展,同时介绍了一种最近由FDA批准的抗流感病毒药物。
1 抗新型冠状病毒药物
新型冠状病毒是一类具有包膜、基因组为线性单股正链的核糖核酸病毒,外膜存在多种跨膜蛋白,通过结合宿主细胞受体感染。病毒进入细胞后直接以自身遗传物质为模板指导蛋白质合成,并通过RNA聚合酶生成负链模板,进行基因组的扩增和病毒结构蛋白的合成,装配完成后通过胞吐的方式完成复制。抗新型冠状病毒药物研究的作用靶点主要集中在病毒包膜表面刺突蛋白的中和抗体和病毒复制周期关键酶抑制剂,药物通过阻断刺突蛋白与受体结合或影响病毒复制过程实现抗病毒。目前,抗新型冠状病毒药物,如莫努匹韦和瑞德西韦都是核苷类似物,作用人群有明显局限,较多药物相互作用更限制了其应用。FDA批准或授权的莫努匹韦和瑞德西韦可抑制病毒复制周期,帕克斯洛维德作为代表性口服药物在新型冠状病毒感染的临床治疗中取得了较好效果。
1.1 莫努匹韦
莫努匹韦(Molnupiravir,商品名Lagevrio,1,图 1)是由美国默克(Merck)公司研发,2021年11月4日由英国药品和保健品管理局批准,全球第一个上市的治疗新型冠状病毒感染药物,主要用于治疗具有发展为中症和重症新型冠状病毒感染风险的轻、中度成人患者。
图1
1.1.1 前药修饰过程
1.1.2 药物作用机制
图2
1.1.3 莫努匹韦的合成
图3
1.2 帕克斯洛维德
帕克斯洛维德(Paxlovid)是由美国辉瑞制药公司(Pfizer)研发,2021年11月22日FDA批准获得紧急使用授权。它主要含有两种药物:奈玛特韦(Nirmatrelvir,8,图 4)和利托那韦(Ritonavir,9,图 4)。此药用于治疗SARS-CoV-2病毒检测阳性且症状为轻至中度的成人和儿童,患者必须≥ 12岁、体重≥ 40 kg,是目前最为广泛使用的治疗药物。奈玛特韦是SARS-CoV-2的3CL特异性蛋白酶(3CL Protease,3CLpro)抑制剂,而利托那韦是蛋白酶抑制药,对于SARS-CoV-2的3CLpro没有活性,小剂量利托那韦有助于减缓奈玛特韦代谢或分解,增加其血浆浓度。
图4
1.2.1 药物发现和奈玛特韦的修饰
2003年,在SARS-CoV-1流行期间,Hoffman等人[7]开发了对3CLpro具有强抑制作用的羟甲基酮衍生物(PF-00835231,10,图 4)。因SARS-CoV-2和SARS-CoV-1的3CLpro序列的活性位点具有96%和100%同一性,他们研究用该化合物治疗COVID-19。化合物10活性好且代谢稳定,但渗透性和口服利用度低,难以口服给药。由于较多的氢键给体与生物利用度低有关,他们将10的α-羟甲基酮修饰为氰基得到化合物11。11的口服利用度提高,但活性明显降低。随后,引入苯并噻唑和环丙烷并四氢吡咯结构得到化合物12。12的渗透性显著提升,但因环丙烷并四氢吡咯结构单元占据了疏水口袋,导致活性远不如10。研究发现12的吲哚结构单元并没有很好地占据口袋,进而将吲哚修饰为甲基磺酰胺,进一步优化为三氟乙酰胺,并将苯并噻唑修饰为氰基得到了奈玛特韦[8]。
1.2.2 作用机制
图5
1.2.3 构效关系
在结构上,SARS-CoV-2的3CLpro有严格的谷氨酰胺底物偏好。奈玛特韦分子中,吡咯烷酮作为谷氨酰胺侧链的模拟物。吡咯烷酮在谷氨酰胺侧链的较高柔韧性上提供刚性,作用时通过减少结构变化以降低构象熵损失,提高反应活性。在结构修饰中,6,6-二甲基-3-氮杂双环[3.1.0]己烷结构阻碍了氢键形成,提高了药物口服利用度。相对惰性的氰基提高了与3CLpro蛋白结合时的选择性[10]。
1.2.4 奈玛特韦的合成
图6
1.3 瑞德西韦
瑞德西韦(Remdesivir,商品名:Veklury,20,图 7)是由美国吉利德科学公司(Gilead)研发,2020年10月22日FDA批准上市,用于治疗新型冠状病毒病住院成人和儿童患者。
图7
1.3.1 药物修饰过程
1.3.2 作用机制
图8
1.3.3 药物构效关系
构效关系研究表明,瑞德西韦中核糖5’-位的氨基膦酰胺侧链可以提高细胞渗透率,单膦酸酯可以提高三膦酸化的速率。1’-位氰基可以提高对病毒聚合酶抑制的选择性,1’-位取代基的极性和位阻影响药物毒性。碱基选用非天然胞嘧啶C-核苷降低了体内代谢损耗,其他碱基会降低活性[14]。
1.3.4 瑞德西韦的合成
图9
1.3.5 抗新型冠状病毒药物活性比较
表1 磷酸氯喹和瑞德西韦药物相关参数比较
| 药物 | EC50/(μmol∙L−1) | CC50/(μmol∙L−1) | 选择性因数SI |
| 瑞德西韦 | 0.77 | > 100 | > 129.87 |
| 磷酸氯喹 | 1.13 | > 100 | > 88.50 |
| 法匹拉韦 | 61.88 | > 400 | > 6.46 |
1.4 国产药物研究进展——以普鲁克胺为例
普鲁克胺(Proxalutamide,30,图 10)是开拓药业自主研发的新一代雄激素受体(Androgen Receptor,AR)拮抗剂和降解剂,具有竞争性抑制AR和下调AR表达的双重机制,对新型冠状病毒感染早期和中后期均有很好的疗效,已获得巴拉圭国家公共卫生和社会福利部的紧急使用授权。
图10
2020年2月,开拓药业与苏州大学收集了1339例新型冠状病毒患者使用普鲁克胺的临床数据,分析发现病毒通过将自身的刺突蛋白与人体细胞上的血管紧张素转化酶2 (Angiotensin converting enzyme 2,ACE2)受体结合完成入侵,人体细胞中跨膜丝氨酸蛋白酶2 (Transmembrane protease serine 2,TMPRSS2)能激活病毒的刺突蛋白。普克鲁胺能下调ACE2和TMPRSS2表达,抑制体内新型冠状病毒进一步感染其他正常宿主细胞。普鲁克胺目前处于Ⅲ期临床试验(NCT04869228),已有的临床数据表明,其可以有效解决新型冠状病毒患者各阶段的感染情况[18]。除普鲁克胺外,已有多个国产抗新型冠状病毒药物,如VV116等进入研究阶段。
2 抗艾滋病病毒药物
艾滋病,即获得性免疫缺陷综合征(Acquired immunodeficiency syndrome,AIDS),是由人类免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus,HIV,艾滋病病毒)引起的一种致死率很高的恶性传染病[19]。艾滋病病毒的类脂包膜来自宿主细胞,并嵌有病毒蛋白gp120与gp41。其中gp120位于表面,gp41是跨膜蛋白,与gp41通过非共价作用结合。目前,针对艾滋病的治疗方法多为高效联合抗逆转录病毒治疗,俗称“鸡尾酒疗法”,抗艾滋病病毒药物联合使用有效抑制了艾滋病病毒增殖。抗艾滋病病毒药物主要有六类,分别为核苷类逆转录抑制剂、非核苷类逆转录酶抑制剂、蛋白酶抑制剂、整合酶抑制剂、融合酶抑制剂和辅助受体拮抗剂。虽然艾滋病治疗效果不断提高,但抗艾滋病毒药物研发仍面临无法治愈与预防疾病、药物长效性不足等挑战。近两年上市的阿兹夫定作为双靶点抗艾滋病病毒药物进一步降低了艾滋病患者的用药成本,卡博努瓦作为新一代“鸡尾酒疗法”药物有效降低了用药频率,福替沙韦作为病毒附着类药物为抗艾滋病病毒药物的研发提供了新的思路。
2.1 阿兹夫定
阿兹夫定(Azvudine,31,图 11)是由河南真实生物科技有限公司和郑州大学、河南师范大学、北京协和药厂等共同研发的全球首个艾滋病毒逆转录酶与Vif (Virion infectivity factor,病毒感染因子)辅助蛋白双靶点抑制剂,是国内第一个拥有自主知识产权的抗艾滋病毒口服药物,2021年7月21日由国家药品监督管理局批准上市。
图11
2.1.1 药物发现过程
阿兹夫定是由2’-脱氧核苷(32,图 11)修饰得到的抗艾滋病药物。研究发现抗药性HIV可以从病毒前体DNA中截取2’,3’-二脱氧核苷结构片段,保留3’-OH实现抗病毒活性。进一步的研究发现,核苷的糖部分用电子缺陷基团修饰可以影响电子性质并诱导构象变化,显著提高活性。4’-叠氮基的引入可以使呋喃糖构象转变,提高抗病毒活性和叠氮胸苷的磷酸化效率。由于4’-取代-2’-脱氧核苷(4’-substituted-2’-deoxynucleosides,4’-sdN)不能用于病毒DNA生物合成,研究人员设计了新的4’-sdN (33,图 11),通过对4’-位和碱基筛选,发现未取代碱基对抗病毒活性十分重要。2’-β-氟原子有效提高了药物的稳定性,特别是酸稳定性。基于以上过程,成功研发了阿兹夫定[20]。
2.1.2 药物作用机制
如图 12所示,作为艾滋病病毒逆转录酶和辅助蛋白Vif双靶点抑制剂,阿兹夫定在体内有两种抑制HIV机制,一种是在HIV逆转录过程中实现抑制,阻断HIV遗传物质的合成;另一种是在HIV组装过程中,通过阻断Vif蛋白和APOBEC3G (一种胞嘧啶脱氨酶,能使逆转录病毒HIV-1基因组发生G → A的碱基突变,抑制HIV复制过程)蛋白结合,此时释放的HIV没有感染性。
图12
常俊标教授团队的抗新型冠状病毒药物筛选和临床试验发现,阿兹夫定具有一定的抗病毒活性。阿兹夫定的抗病毒作用机制与瑞德西韦和莫努匹韦类似,都是通过特异性抑制病毒RdRp活性,阻断病毒RNA的转录异常实现抗病毒[21]。
2.1.3 构效关系
阿兹夫定的主要构效关系包括:(a) 用其他核碱或三唑取代胞苷会降低抗HBV活性;(b) 2’-β-氟原子可以提高核苷的稳定性;(c) 3’-OH基团对于抗HIV活性很重要,该位点修饰会导致抑制活性显著降低,3’-OH基团还能够降低交叉耐药/耐药性的风险;(d) 4’-叠氮基不影响核苷作为延迟DNA链终止剂的能力;(e) 与其他核苷一样,5’-OH基团是磷酸化的特定位点;(f) 胞苷结构的5-位修饰通常导致活性降低,N4胞苷的修饰可调节抗病毒效力、毒性和其他生物特性[20]。
2.1.4 类似药物比较
图13
表2 31、34和35对C8166细胞RT耐药株的抗HIV-1活性a[23]
| HIV strain | 31 | 34 | 35 | |||||
| EC50/(nmol∙L−1) | FC b | EC50/(nmol∙L−1) | FC | EC50/(nmol∙L−1) | FC | |||
| Wild type HIV-1IIIB | 0.11 ± 0.02 | 1 | 201.89 ± 34.11 | 1 | 9.39 ± 1.22 | 1 | ||
| FNCP-21 HIV-1IIIB | 80.82 ± 8.14 | 735 | 123,690 ± 18,321 | 613 | 12.29 ± 0.24 | 1.31 | ||
| 3TCP-21 HIV-1IIIB | 25.49 ± 1.86 | 232 | 690,210 ± 64,066 | 3419 | 13.13 ± 2.43 | 1.40 | ||
| HIVLAI-M184V | 27.45 ± 2.85 | 250 | > 800,000 | > 3963 | 8.21 ± 1.30 | 0.87 | ||
a除35外,所有数据表示三个单独实验的平均值±标准偏差;对于35,EC50表示两个单独实验的平均值±标准偏差;
b FC,折叠变化,EC50(Mut)/EC50(WT)比率
2.1.5 阿兹夫定的合成
图14
2.2 卡博努瓦
图15
2.2.1 卡博特韦
图16
图17
2.2.2 利匹韦林
利匹韦林(Rilpivirine,46,图 15)由Janssen公司研发,2011年5月在美国上市。适用于治疗成年1型人类免疫缺陷病毒HIV-1感染的初治患者,与其他抗逆转录病毒药物联用。利匹韦林片剂2018年11月在中国上市。
构效关系研究表明[25],利匹韦林分子中苯环2,6-位是单甲基和未取代衍生物对野生型病毒有较高效力,失去疏水作用和π–π相互作用会降低对于突变型病毒的效果。苯环6-位引入乙基或异丙基对活性影响较小,取代基的空间位阻与活性成反比,而取代基的电子效应对活性影响不大。
图18
2.2.3 药物作用机制
卡博特韦和利匹韦林都是整合酶抑制剂,HIV的RNA逆转录首先得到病毒DNA,该DNA在整合酶作用下整合到宿主细胞DNA,实现新RNA的合成。卡博特韦和利匹韦林通过抑制整合过程中的整合酶达到抗病毒效果。
2.2.4 药物治疗方案的特点
传统的艾滋病病毒治疗方案是高效联合抗逆转录病毒治疗(俗称“鸡尾酒疗法”),即针对HIV复制的三种酶——逆转录酶、整合酶和蛋白酶,通过三种或三种以上抗病毒药物联合使用,避免了单一用药产生的抗药性。该治疗方法需要每天口服药物,患者的药物依从性差。卡博努瓦是首个每月注射一次的药物,极大地方便了患者。
2.3 福替沙韦
福替沙韦(Fostemsavir,商品名:Rukobia,58,图 19)是英国ViiV Healthcare公司开发的抗逆转录病毒药物,是HIV病毒附着抑制剂,用于治疗成人HIV-1感染,2020年7月FDA批准上市。
图19
2.3.1 药物修饰过程
2.3.2 药物作用机制
图20
2.3.3 药物构效关系
2.3.4 合成路线
图21
3 抗流感病毒药物
流感是由流感病毒引起的急性上呼吸道疾病。流感病毒一般是一种单股、负链RNA病毒。流感病毒感染宿主细胞后的复制速度非常迅速,其生命周期大体可分为吸附、内吞、融合、复制、翻译、装配、出芽和释放8个环节。目前,对抗流感病毒的策略有疫苗和小分子抗流感药物。疫苗每年都需要重新配置,以适应抗原变异,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。已经上市和处于临床阶段的抗病毒小分子药物主要包括特异性流感病毒抑制剂和广谱抗病毒药物。近期抗流感病毒药物集中在聚合酶三聚体抑制剂研究,巴洛沙韦玛波西酯(Baloxavir Marboxil,71,商品名:Xofluza,图 22)是药效十分显著的抗流感病毒新药[29]。
图22
巴洛沙韦玛波西酯是由日本盐野义制药(Shionogi)与瑞士罗氏共同研发的一种针对甲型、乙型流感病毒的新型抗流感药物。在国内用于治疗12周岁及以上急性无并发症的流感患者,包括存在流感并发症的高风险患者。在日本获批用于治疗甲型、乙型流感病毒感染;在美国、新加坡、泰国、中国香港及台湾等地用于症状出现不超过48小时的12岁及以上急性无并发症的流感患者。巴洛沙韦玛波西酯在体内的活性物质是巴洛沙韦酸(Baloxavir acid,72,图 22)。2018年2月,首先在日本获批上市。同年10月,FDA接受巴洛沙韦酯的新药上市申请,该药是近20年在美国首个获批的新型作用机制的抗流感药物。2021年4月,巴洛沙韦片获批在国内上市。
3.1 药物发现过程
3.2 药物作用机理
图23
3.3 巴洛沙韦玛波西酯的合成
图24
4 总结与展望
目前,各种病毒感染疾病给人类生命健康带来了巨大挑战。截至2023年1月,全球累计确诊新型冠状病毒感染病例超过6亿6851万例,死亡病例超过673万例。虽然已经上市了新型冠状病毒疫苗和药物,但病毒快速变异仍是当前疫情防控的难点,寻找病毒新的作用靶点,并以此为基础进行药物研发是当前的研究热点之一。上市的抗新型冠状病毒药物,如莫努匹韦、帕克斯洛维德等,其作用人群有明显局限,较多药物相互作用更限制了其应用,药物也有较大副作用。此外,大多数药物用于治愈感染人群,但尚未有治疗感染新型冠状病毒治愈人群后遗症的药物。因此,研究准确识别新型冠状病毒的特异性药物和后遗症药物可能是未来新型冠状病毒药物的研发方向之一。艾滋病是一个全球公共卫生问题,目前已造成近4010万人死亡,虽然已经有较多的药物和药物联合使用治疗取得了较好的效果,但仍然没有彻底治愈的方法。当前,对于艾滋病毒储存库以及耐药性等方面,也没有较好的应对手段,已经成为攻克艾滋病的难题。病毒性流行感冒虽被人们广泛认识,但由于流感病毒变异速度快,对药物的耐药性提升,对新型抗流感药物的需求也更加迫切[35]。
近三十年来,抗病毒药物研究,特别是对抗慢性病毒感染方面已经取得了多项重大突破性进展。截至2020年,获批的抗病毒药物中艾滋病药物数量最多。但新型冠状病毒疫情表明,现有抗病毒药物严重不足,我国更是在抗病毒药物研发方面落后于西方国家,抗病毒药物有待继续深入研究。相信随着科技水平的不断进步和新的药物靶点的不断发现,人类必将研制出更多高效、副作用小的抗病毒药物。
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