Science | SARS-CoV-2木瓜样蛋白酶抑制剂的设计优化

学术 2024-03-31 23:59 北京

尽管距离新型冠状病毒感染（COVID-19）大流行爆发已过去了四年半，新冠病毒 (SARS-CoV-2) 的传播仍然严重威胁着人类的生命健康。疫苗作为重要的防治手段，大大缓解了COVID-19大流行带来的危害，但自Omicron和 Delta等多种变异病毒的出现，致使疫苗的有效性显著下降，这也促使科学家寻找新的治疗手段来解决变异病毒的耐药性问题。至今为止，FDA已批准三种抗病毒药物，包括两种病毒RNA依赖性RNA聚合酶（RdRp）抑制剂remdesivir和molnupiravir，以及一种主蛋白酶（M^pro）抑制剂nirmatrelvir。尽管如此，目前研发的药物存在诸多局限性，例如Remdesivir需要通过静脉注射给药，大大限制其患者依从性，而且remdesivir的临床疗效存在争议。而Molnupiravir是一种诱变剂，不适合用于孕妇患者。Nirmatrelvir则需要与CYP3A4抑制剂ritonavir共用，以延长其体内半衰期。Ensitrelvir是日本批准的第二代M^pro 抑制剂，但它同时也是CYP3A4抑制剂，可能会导致严重的药物-药物相互作用。而且基于细胞培养的病毒传代实验和从药物治疗的COVID-19患者体内，已经分离出具有remdesivir或nirmatrelvir耐药性的突变病毒。因此，如何针对新靶点克服SARS-CoV-2耐药是目前新冠药物研发的重中之重。

2024年3月28日，美国罗格斯新泽西州立大学（Rutgers）药学院副教授王俊及其合作者在Science上发表了文章Design of a SARS-CoV-2 papain-like protease inhibitor with antiviral efficacy in a mouse model。这篇文章首次报道了在小鼠感染实验中具有抗病毒活性的木瓜样蛋白酶 (papain-like protease, PLpro) 抑制剂。PL^pro 是主蛋白酶外另一个由SARS-CoV-2编码的半胱氨酸蛋白酶。PL^pro能够切断病毒非结构多蛋白 (Nsps)，对病毒复制起到至关重要的作用。此外，PL^pro还能通过裂解宿主蛋白的泛素和修饰干扰素刺激基因15 (ISG 15) 从而抑制宿主免疫反应。PL^pro在SARS-CoV-2突变株中高度保守，使其成为备受关注的抗病毒药物靶点。然而，经过药物化学家数十年的结构优化和高通量筛选，PL^pro抑制剂开发仍处于临床前阶段。在此之前报道的PL^pro抑制剂的抗病毒活性和药代动力学特性都有待优化。

在这项研究中，基于已报道的非共价PL^pro抑制剂XR8-24和共价PL^pro抑制剂Cp7，将化合物Cp7中的萘环替换成3-苯基噻吩，设计了共价PL^pro抑制剂Jun11313 ，发现其可有效抑制PL^pro（IC₅₀=0.12 μM），因此研究将其作为起点进行后续结构优化。Jun11313与SARS-CoV-2 PL^pro共晶结构分析发现与XR8-24中吡咯烷取代的噻吩基团相比，Jun11313中的噻吩基团朝向BL2 groove结合口袋的相反位置，与Pro248和Pro247形成范德华力相互作用，并与Met208存在CH-π和S-π相互作用。进一步观察PL^pro泛素(ubiquitin)与Jun11313的共晶结构，发现噻吩基占据与泛素Val70相同的疏水口袋。因此，我们将这个从未被用于PL^pro抑制剂设计的口袋称为Val70^Ub。

图1 木瓜样蛋白酶 (papain-like protease, PL^pro) 抑制剂设计原理

基于Jun11313与PL^pro的结合模式，假设可以通过同时靶向BL2 groove和Val70^Ub疏水口袋来设计高效的PL^pro抑制剂。因此，团队设计并合成了一系列双芳香基取代苯甲酰胺化合物。所有化合物先进行酶活测试和细胞毒性测试，再通过FlipGFP和SARS-CoV-2抗病毒实验中对部分化合物进行了验证，再利用小鼠的体外微粒体稳定性和体内口服药代动力学（PK）对高效低毒化合物（EC₅₀ ≤ 1 μM，SI > 50）进行了进一步验证。而通过多轮筛选，得到了候选化合物Jun12682。最后，研究发现Jun12682对Omicron、Delta和三种nirmatrelvir耐药病毒株均具有抑制活性。

共晶结构显示Jun12682以及类似物同时结合到BL2 groove和Val70^Ub的疏水口袋，验证了初始的理性设计。在体外PK实验中，Jun12682表现出良好的代谢稳定性（T_1/2 = 131.9 min, CL_int(mic)= 10.5 μL/min/mg），高选择性和良好的溶解性，同样在体内PK实验中，其具有优异的口服生物利用度（72.8%）。Jun12682对体内五种主要药物代谢的细胞色素P450 (CYP450) 酶都没有抑制效果。这预示着Jun12682不会有跟Paxlovid一样具有药物相互作用的副反应。基于此，团队对Jun12682进行了体内药效研究，结果显示，对SARS-CoV-2感染BALB/c小鼠，Jun12682口服给药不仅显著提高小鼠存活率，而且能够显著降低小鼠肺部病毒滴度和组织损伤，且降低多种炎症因子的表达。

图2 PLpro 抑制剂Jun12682的共晶结构和小鼠抗病毒活性

总括而言，基于新发现的Val70^Ub的口袋，团队设计了一类结构新颖、高效的PL^pro抑制剂，其中，Jun12682不仅能够有效抑制多种突变病毒株，且具有优异的体内活性，具有开发成为新型抗SARS-CoV-2新药的潜力。

美国罗格斯新泽西州立大学 (Rutgers) 副教授王俊，教授Eddy Arnold，研究副教授Francesc Xavier Ruiz，以及俄克拉荷马州立大学邓绪芳助理教授为本文的共同通讯作者。罗格斯新泽西州立大学博士研究生谭斌，俄克拉荷马州立大学博士研究生张晓明，罗格斯新泽西州立大学研究员Ahmadullah Ansari和博士后Prakash Jadhav为本文共同第一作者。其他主要贡献者包括美国罗格斯新泽西州立大学的博士研究生谭昊舟，李侃，Ashima Chopra，俄克拉荷马州立大学的病理学家Alexandra Ford以及博士研究生池翔。

原文链接:

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.adm9724

文章转载自bioArt

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