致病病毒是对人类健康的一大威胁,有自己记录的人类文明开始了,死于病毒感染的人数达亿人。

天花一度是文明社会的噩梦;1918年的西班牙大流感,导致近三千万人死亡;2014年非洲爆发的“埃博拉疫情”让世人闻之色变,而艾滋病毒、肝炎病毒等慢性致病病毒,不仅极大地威胁着人们的身体健康,也带来了诸多的社会问题。随着医药科技的发展,恶性致病病毒的致死率和流行面积大大下降,但致病病毒感染仍是人类健康的重大威胁,因此,对于抗病毒药物的研究开发,是极其迫切和重要的!

迄今为止,疫苗是人类战胜病毒最为彻底的手段!曾经肆虐亚非拉数个世纪之久的天花病毒被疫苗锁进了笼子,而高致残率的脊髓灰质炎病毒也在“糖丸”的作用下销声匿迹,但总有那么几个“顽固分子”,如丙肝病毒(HCV)、艾滋病病毒(HIV)、腺病毒等难以用疫苗的方式克服,仍然需要有效的生化治疗手段(化学药疗法和生物制剂疗法),在这里,主要探讨抗病毒化学药物开发策略。

图一 非包膜RNA病毒复制周期

近代医学已经阐明了病毒感染的一般步骤,大致可分为五个阶段:第一,病毒与受体结合,吸附在特定细胞的表面,如HIV病毒会选择性的入侵T细胞,而HCV主要入侵肝细胞;第二,病毒通过与细胞膜融合(包膜病毒)或胞吞作用(无包膜病毒),释放病毒粒子进入细胞内;第三,在细胞溶酶体作用下脱衣壳,释放遗传物质;第四,完成遗传物质的复制以及蛋白的表达;第五,遗传物质和结构蛋白组装成新的病毒并从细胞中释放出去。抗病毒药物的设计策略也可以据此分类。

病毒吸附抑制剂

许多聚阴离子化合物显示出了良好的抗HIV活性,如多聚磺酸酯类(图二)、多聚磺酸类、多聚核苷类、负电荷白蛋白等,通过抑制HIV与T细胞的结合而达到抗病毒作用。

图二 多聚磺酸酯类抗病毒化合物

因为HIV的包膜蛋白gp120富含精氨酸和赖氨酸残基,显正电性,与聚阴离子化合物结合后,屏蔽了gp120蛋白,阻止HIV与细胞表面受体的结合,达到吸附抑制作用,而且部分多聚磺酸酯类化合物显示出了广谱抗包膜病毒活性。

病毒与细胞的结合是病毒感染的第一步,因此,如果能有比较好的手段抑制其结合,其效果是不言而喻的。

融合抑制剂

图三

对于包膜病毒来说,在完成吸附后,病毒的包膜与细胞膜融合,然后将核衣壳释放进细胞。大多数包膜病毒的融合过程类似。融合过程和细胞表面的趋化因子受体有很大的关系,HIV包膜表面的gp120蛋白和T细胞表面的CD4受体结合,然后gp120变构,暴露出gp41蛋白(与gp120相邻的跨膜蛋白),同时gp120蛋白和受体CCR5或者CXCR4结合,这两个受体都是趋化因子共同受体,然后gp41蛋白渗入细胞膜,启动融合过程(图三),而非包膜病毒通过胞吞作用进入细胞内部。

目前已经获得FDA批准的融合抑制剂有Maraviroc和Enfuvirtide,前者为趋化因子受体CCR5抑制剂,后者主要作用于跨膜蛋白gp41。天津扶素生物自主开发的西夫韦肽是第四代抗艾滋药物,作用机制与Enfuvirtide类似。

RNA或DNA复制抑制剂

1.病毒DNA合成酶抑制剂

图四 作用于DNA复制过程的抗病毒药物

对于非逆转录病毒,不存在逆转录过程,如疱疹病毒等,因而,DNA合成酶就成了极为重要的一个药物靶点,此类抑制剂主要为核苷类似物,分为鸟苷类似物和胸苷类似物。这些药物在发挥作用之前,必须要在细胞内实现三磷酸化,然后才能发挥药效,主要通过两种方式实现抑制作用:第一,竞争性的和DNA聚合酶作用,且其结合性要比正常核苷酸好,使DNA聚合酶“中毒”;第二,被编入病毒DNA链后,阻止DNA链的延长(链终止剂)。

对于此类药物的设计目前除了开发更佳的化合物外,如溴夫定,前药设计也是很重要的一个方向,提高口服生物利用度和降低毒性,如阿昔洛韦的前药伐昔洛韦,喷昔洛韦的前药泛昔洛韦。

2.逆转录酶抑制剂

图五 逆转录酶抑制剂

逆转录病毒(以RNA逆转录病毒为例)在侵入细胞后,首先在逆转录酶的作用下合成RNA-DNA复合链,然后RNA链水解,合成双链DNA,在整合酶的作用下嵌入到宿主细胞的基因组中,通过宿主细胞的转录和翻译系统表达遗传信息,所以逆转录是此类病毒在细胞内增殖的第一步。

目前逆转录酶抑制剂的开发方式有三种:一、核苷酸类似物;二、核苷类似物;三、非核苷类似物。核苷或者核苷酸类似物与非核苷类似物的作用机制不同,前者会被逆转录酶当成正常的核苷酸编入DNA中,然后阻断DNA链延长,但此类药物同时也会对宿主细胞中正常的DNA合成的造成影响,所以会产生细胞毒性。后者主要作用于逆转录酶,通过和逆转录酶结合后,抑制逆转录酶活性而达到抑制作用,因此,是一种非竞争性抑制剂。

3.整合酶抑制剂

图六 整合酶抑制剂

逆转录病毒在增殖过程中需要把通过逆转录后得到的双链DNA通过整合酶嵌入到宿主细胞的基因组中,再通过宿主细胞的转录和翻译系统,实现自身的增殖,因此也是抗病毒药物设计的一个靶点,目前已批准或在研的整合酶抑制剂主要用以治疗HIV感染。

4.RNA聚合酶抑制剂

图七 RNA聚合酶抑制剂

RNA病毒感染仍然是目前危害公共健康安全的一大问题,在过去的近三十年里,制药工业在此类抗病毒药物的开发上投入了巨大的精力,而RNA依赖的RNA聚合酶(RdRps)是RNA病毒遗传物质复制和转录的关键酶,因此是最有有希望的作用靶点之一。

在众多的RNA病毒中,小核糖核酸病毒、呼吸道合胞体病毒、若干黄病毒(如HCV等)是目前危害性较大的几种致病病毒,在抗HCV方面的研究已取得了长足的进展(图七),如索非布韦等药物,主要针对NS5B(HCV的RNA聚合酶),对于此类抗病毒药物的开发主要分为核苷类似物(链终止剂)和非核苷类似物(RNA聚合酶抑制),目前在研的非核苷类的NS5B抑制剂,已发现的蛋白结合位点有四个,而对应具有抑制活性的化合物就更多了,因此NS5B抑制剂的未来,很值得期待。

5.病毒蛋白酶抑制剂

图八 病毒蛋白酶抑制剂

病毒蛋白酶是很多病毒复制周期中极为重要的一种酶,它能把完成表达的多肽或者聚蛋白切割修饰,最终转变成为“有用”的蛋白。不管是结构蛋白还是非结构蛋白,都需要经历蛋白酶的修饰才能实现最终功能。目前获批的大多数蛋白酶抑制剂主要用于HIV的治疗,分为拟肽类和非拟肽类,拟肽类具有共同的羟亚乙基结构(图八),但是会有比较多的副作用,因此催生了非拟肽类蛋白酶抑制剂(如Tipranavir),这些HIV蛋白酶抑制剂是否具有抑制其他病毒蛋白酶的作用,仍然需要进一步的研究,因为HIV蛋白酶是天门冬氨酸蛋白酶,而疱疹病毒和HCV的蛋白酶则属于丝氨酸蛋白酶。

组装和释放抑制剂

图九 释放抑制剂(唾液酸苷酶抑制剂)

对于病毒的组装抑制目前还没有比较好的化合物,释放抑制剂方面取得了比较好的研究结果,但也仅限于流感病毒,代表药物是Oseltamivir(图九),其他类型病毒的释放抑制剂仍还需进一步的研究。

流感病毒(包括A型和B型)采用了一种比较独特的释放方式,通过病毒表面的糖蛋白(血凝素)结合到靶细胞中一个含有唾液酸的受体上,然后病毒表面的另外一个糖蛋白(唾液酸苷酶),切断细胞受体上的末端唾液酸,病毒粒子才能释放到细胞外,围绕这一靶点,已开发出Oseltamivir、Zanamivir等抗病毒药物。

其他作用机制

除上述作用机制外,还有肌苷酸脱氢酶抑制剂、S-腺苷高半胱氨酸水解酶制剂等,前者是嘌呤单核苷酸生物合成过程中的关键酶,而后者则影响内甲基化过程。不同的病毒其特性可能差异会很大,因而也可能会有完全不一样的作用靶点,总之,对致病病毒的生理特征认识,是设计抗病毒药物的前提。

结语

本文简单介绍了抗病毒药物设计的几种策略,应用最广泛的是针对病毒遗传物质复制和转录过程,虽然目前已取得了不错的效果,但是病毒的复制周期短,很容易产生耐药性,因而还需要不断的跟进研究,即使是那些已经被疫苗所“消灭”的致病病毒,如天花等,也需提高警惕,以防其变异体的大面积流行!

参考文献

1.Nature Reviews Drug Discovery, 1(1), 13-25

2.Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 37(5),527-542.

3.Biochemistry, 47(32), 8253-8260.

4.British Journal of Clinical Pharmacology, 63(5), 634-634.

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