抗新型冠狀病毒小分子化合物研究進展

徐向榮，姚雷

（1.煙臺大學校醫院，山東 煙臺264005；2.煙臺大學藥學院，山東 煙臺 264005）

新型冠狀病毒肺炎（COVID?19）由嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（SARS?CoV?2）導致，至今仍在全球肆虐。盡管緊急使用的多款疫苗對遏制疫情有一定作用，但病毒不斷變種，仍需開發新型小分子化合物藥物來預防和治療COVID?19。病毒感染主要涉及病毒吸附并穿入宿主細胞、病毒的復制及組裝、成熟病毒的釋放等階段，在上述階段采用藥物干預可有效控制病毒的感染和傳染。目前，抗冠狀病毒（CoV）小分子化合物藥物的開發策略主要有3種：一是通過虛擬篩選方式，從天然產物或合成化合物庫中篩選出對特定病毒靶點有潛在作用的化合物；二是對先導化合物進行結構修飾改造，或從頭設計，發現活性較強且具有良好藥代動力學（簡稱藥動學）性質的候選化合物；三是老藥新用，增加已上市藥物的適應證。在此，采用計算機檢索SciFinder、PubMed、中國知網、萬方、維普等數據庫中關于抗SARS?CoV?2小分子化合物的相關文獻，檢索時限為2019年1月至2021年3月，中英文關鍵詞為“COVID?19”“SARS?CoV?2”“small molecule”“新型冠狀病毒”，綜述了SARS?CoV?2感染各階段藥物的作用靶點及小分子抑制劑的研究進展，為加速新型抗病毒藥物的開發提供參考。

1 干擾病毒侵入

血管緊張素轉換酶2（ACE2）在SARS?CoV?2感染人體過程中扮演了關鍵角色［1］。SARS?CoV?2外殼上的刺突蛋白與ACE2結合后可進入人體細胞，引發肺炎，還可能會損傷肝功能及造成心肌損傷［2］。因此，通過與刺突蛋白或ACE2結合，進而阻斷病毒與ACE2的結合是預防和控制COVID?19的有效途徑［3］。

2020年初，中藥制劑在抗擊COVID?19疫情中發揮了重要作用。CHEN等［4］證實，中藥連花清瘟制劑中的連翹酯苷（1）、蘆薈大黃酸（2）、綠原酸（3）等多酚類物質對ACE2具有強烈的抑制作用。LUO等［5］等報道，甘草酸（4）可通過抑制ACE2及下調促炎性細胞因子的表達而抑制病毒的吸附及穿入。CARINO等［6］和CHEN等［7］報道，白樺脂酸（5）、齊墩果酸（6）、五沒食子酰葡萄糖（7，PGG）等天然及半合成甾體類化合物可與刺突蛋白受體結合區（RBD）結合，從而阻斷病毒與ACE2結合。SILVA ANTONIO等［8］通過虛擬篩選中藥天然產物及代謝物發現，黃芩苷（8）、柚皮素（9）、橙皮素（10）等11種黃酮類和二氫黃酮類物質等有抑制ACE2的作用。同時發現，糖基化可增強苷元的活性，提取混合物的活性也顯著高于單一純物質。鑒于此類天然產物毒副反應較低，故有學者建議用于日常環境及防護器具的消殺。10種刺突/ACE2抑制劑的化學結構式見圖1。

除了從天然產物中尋找ACE2抑制劑外，CAO等［9］還利用計算機從頭設計了小分子蛋白LCB1和LCB3的氨基酸序列，分別為DKEWILQKIYEIMRLLDEL?GHAEASM RVSDLIYEFMKKGDERLLEEAERLLEEVER和NDDEL HMLMTDLVYEALHFAKDEEIKKRVFQLFE?LADKAYKNNDRQKLEKVVEELKELLERLLS，其中LCB1的效力為迄今報道的最有效單抗的6倍，目前正在嚙齒動物中評估LCB1。

2 干擾病毒復制

SARS?CoV?2主蛋白酶（Mpro）又稱3C樣蛋白酶（3CLpro），是一種多聚蛋白裂解成病毒所必需的功能性蛋白酶。故通過抑制Mpro的活性，可抑制病毒的復制，從而達到抗病毒的目的。

1）合成肽類Mpro抑制劑

SARS?CoV?1和SARS?CoV?2的Mpro序 列相似性為96%，活性中心完全一致。HOFFMAN等［10］研究SARS?CoV?1的晶體結構發現，化合物11和化合物12（半數有效濃度為5μmol/L）的抗病毒作用均較好。其中的酮基團主要與病毒Mpro中的半胱氨酸?145形成四面體過渡態，2?吡咯烷酮基團與谷氨酸?166形成氫鍵。體內試驗表明，化合物12的血漿穩定性良好，清除率低，適于進一步開發成抗SARS?CoV?2藥物［11］。

QIAO等［12］根據治療丙型肝炎病毒感染的蛋白酶抑制劑波普瑞韋和替拉瑞韋的結構，設計合成了32個含有2?吡咯烷酮結構的雙環脯氨酸衍生物，體外試驗證明，均可抑制病毒的復制［半數生長抑制濃度（GI50）為7.6～748.5 nmol/L］。其中，效果較好的化合物13和化合物14在SARS?CoV?2感染的轉基因模型小鼠中，可大大降低小鼠肺部的病毒載量，改善肺部病變程度，同時這2種抑制劑在大鼠體內也表現出了良好的藥動學特性和安全性。分子對接試驗結果顯示，2?吡咯烷酮基團與病毒Mpro中的組氨酸?163和苯丙氨酸?140形成氫鍵作用，醛基與半胱氨酸?145作用。ZHANG等［11］設計合成了系列2?吡咯烷酮類化合物，作為CoV Mpro的廣譜抑制劑?；衔?5對重組CoV Mpro的抑制活性較好［半數抑制濃度（IC50）為1.95μmol/L］。以環己烷代替化合物15中苯丙氨酸的苯環，得到化合物16，其在被病毒感染的Huh7細胞中也表現出了良好的抗中東呼吸綜合征（MERS?CoV）與抗SARS?CoV活性。進一步優化化合物16的結構發現，肉桂酰胺側鏈成環可得到含有吡啶酮的化合物17和化合物18，盡管抗病毒活性略降低，但化合物17和化合物18表現出了更好的吸收?分布?代謝?排泄（ADME）性質。然而，去掉化合物18中的叔丁氧羰基保護基后，由于其產物無法透過細胞膜，故失去了抑制病毒復制的作用［13］。

FRECER等［14］通過建立三維定量構效關系模型，優化化合物18中的2?吡咯烷酮基團，發現引入2，4?咪唑二酮基團（化合物19和化合物21），可提高化合物的抗病毒作用。在P3和P1′部位引入含有雜原子的芳香環（化合物20和化合物21），增加了化合物與酶的氫鍵的結合能力，抗病毒活性也顯著提高。分子對接試驗結果顯示，化合物21比化合物18多了6個氫鍵（分別來源于乙內酰脲、苯并噻嗪、甲酚基團）作用。

PANT等［15］報道了4種肽樣小分子病毒抑制劑，含有α，β?不飽和酯的化合物22和化合物24、酮基的化合物23和化合物25等，可與Mpro中的半胱氨酸?145、谷氨酸?166、谷氨酰胺?192等氨基酸殘基結合。

合成肽類Mpro抑制劑化學結構式見圖2。

2）具有抗SARS?CoV?2作用的化合物

TON等［16］篩選出了1 000余種潛在Mpro抑制劑，其中新型化合物585種?；钚暂^好的化合物均含有1?苯基?5?氨基吡唑結構單元，如化合物26和化合物27。分子對接試驗結果顯示，化合物26中苯環與Mpro的P2部分產生疏水作用，哌啶酮基團則與半胱氨酸?145和亮氨酸?141形成2個氫鍵。

BUNG等［17］采用人工智能方法，針對Mpro靶點，從頭設計并篩選出了31個潛在抗CoV的新化學實體，其中預測活性最好的化合物28至化合物30均含有1個雙環或三環體系，同時含有酰胺等極性基團。

IBRAHIM等［18］報道了4種含有雙二氧戊環結構的醛糖酸衍生物，即化合物31至化合物34，對Mpro親和性均較高（結合能>?56 kcal/mol，1 kcal=4.148 kJ）。其中，二氧戊環中的氧原子與Mpro中的組氨酸?163及甘氨酸?143氨基酸殘基形成氫鍵。由于含有磺酰胺結構中的芳香雜環結構可與Mpro中的谷氨酸?166殘基形成氫鍵，故化合物33和化合物34的活性高于化合物31和化合物32。理化性質及類藥性預測結果均顯示，該類化合物可作為治療SARS?CoV?2的候選化合物。

虛擬篩選出的具有抗SARS?CoV?2作用的化合物化學結構式見圖3。

3）作用Mpro的天然產物

通過虛擬篩選及體外篩選，SAYED等［19］、BHARADWAJ等［20］、CHOUDHRY等［21］報道了多種天然黃酮類化合物，如2，3?二氫穗花杉雙黃酮（化合物35）、羅漢松雙黃酮B（化合物36）、蘆?。ɑ衔?7）、槲皮苷?3?O?α?L?吡喃阿拉伯糖苷（化合物38）、黃芩素（化合物39）、Penimethavone A（化合物40）、（+）?Anthraben?zoxocinone（化合物41），均可與Mpro結合，從而強烈抑制Mpro的活性。MHATRE等［22］報道了沒食子兒茶素沒食子酸酯（化合物42，EGCG）和茶黃素?3，3′?雙沒食子酸酯（化合物43，TF3）等茶多酚類物質可與病毒復制過程中的多個靶點結合，可進一步開發成預防和治療CoV的藥物。

NOVAK等［23］通過虛擬篩選，從5 543個微生物天然產物圖集中發現8個化合物具有良好吸收?分布?代謝?排泄?毒性（ADMET）性質如天然核苷Futalo?sine（化合物44）和吲哚生物堿類化合物（化合物45和化合物46），既可與Mpro的催化活性區結合而抑制酶的活性，又可和Mpro結構中的Ⅱ區和Ⅲ區中間的溝槽結合，抑制酶的聚合及成熟。

作用于Mpro的天然產物化學結構式見圖4。

圖4 作用于Mpro的天然產物化學結構式Fig.4 Chemical structures of natural products acting on MPRO

4）抑制病毒復制的化合物

SARS?CoV?2含有16個非結構蛋白（NSP），其中NSP3，NSP9，NSP10，NSP12，NSP15，NSP16在病毒的復制過程中發揮著重要作用。PARIDA等［24］從印度的草藥中發現了9種天然產物，如醉茄素A（化合物47，Witha?ferin A）可選擇性地抑制病毒的NSP，達到抗病毒作用。MIRZA等［25］利用NSP12（RNA依賴性RNA聚合酶）及NSP13（解螺旋酶）的晶體結構，虛擬篩選出了具有開發成廣譜抗病毒藥物潛力的先導化合物，如化合物48和化合物49均在NSP12的活性中心；采用和瑞德西韋一致的結合方式，與絲氨酸?759、賴氨酸?798、絲氨酸?814、天冬氨酸?623、精氨酸?553等殘基形成氫鍵。SARS?CoV?2的類木瓜蛋白酶（MLpro）在病毒的復制過程中與Mpro作用一致，MIRZA等［25］預測含有苯并噻唑結構的化合物50可顯著抑制MLpro。體外試驗中，化合物50對Jurkat和MOTL?4細胞的IC50分別為9.67μmol/L和11.8μmol/L［26］。

SCHUMANN等［27］發現，5?氨基?2，3?二氫?1，4?二氮雜萘二酮（化合物51，MP1032）均具有多種藥理學作用，抑制SARS?CoV?2作用較強，1 mmol/L MP1032可抑制70%病毒的復制，2 mmol/L MP1032可100%抑制病毒的復制。在體內的安全性方面，口服MP1032 3個月，未出現嚴重藥品不良反應，但其抗病毒的分子機制仍需進一步確證。

抑制病毒復制的化合物化學結構式見圖5。

圖5 抑制病毒復制的化合物化學結構式Fig.5 Chemical structures of compounds inhibiting virus replication

3 老藥新用

3.1 具有抗SARS-CoV-2作用的抗病毒藥物

目前，各國的醫藥學家通過篩選臨床研究各階段的藥物和候選化合物發現，部分藥物具有治療COVID?19的潛能［28?29］，包括抗病毒藥物可比司他（化合物52）、利托那韋（化合物53）、洛匹那韋（化合物54）、達蘆那韋（化合物55）、奈非那韋（化合物56）、沙奎那韋（化合物57）、替拉那韋（化合物58）、蘆平曲韋（化合物59）、茚地那韋（化合物60）、比卡格韋（化合物61）、埃替格韋（化合物62）和Tegobuvir（化合物63）。上述藥物的化學結構式、用途及作用靶點見圖6。

圖6 具有抗SARS-CoV-2作用的抗病毒類藥物化學結構式、用途及作用靶點Fig.6 Chemical structures，application and action targets of anti-viral drugs with anti-SARS-CoV-2 action

3.2 具有抗SARS-CoV-2作用的抗微生物類藥物

奧昔康唑（化合物64）、絲他康唑（化合物65）、酮康唑（化合物66）、艾沙康唑（化合物67）、伊曲康唑（化合物68）和普盧利沙星（化合物69）等抗真菌藥物和抗菌藥物具有抑制SARS?CoV?2 Mpro活性的作用。DU?ROJAIYE等［30］和ZHAO等［31］指出，頭孢呋辛酯（化合物70）和四環素（化合物71）等抗菌藥物可通過與病毒刺突RBD的酪氨酸與甘氨酸殘基作用，阻斷與ACE2結合；或與病毒復制組裝過程中的Mpro和NSP12等靶點結合，抑制病毒復制，從而發揮預防和治療COVID?19的作用。同時，2種藥物自身的抗菌及抗炎作用可明顯減少患者在重癥監護病房的停留時間及呼吸機的使用時間。上述藥物的化學結構式、用途及作用靶點見圖7。

圖7 具有抗SARS-CoV-2作用的抗微生物類藥物化學結構式、用途及作用靶點Fig.7 Chemical structures，application and action targets of anti-microbial drugs with anti-SARS-CoV-2 action

3.3 具有抗SARS-CoV-2作用的精神類藥物

部分精神類藥物通過作用于中樞神經系統各靶點發揮藥理作用，也具有潛在抗SARS?CoV?2的作用。如作用于4?氨基丁酸（GABA）受體，用于治療失眠的佐匹克?。ɑ衔?2）；作用于食欲素受體，用于睡眠障礙的萊博雷生（化合物73）；作用于5?羥色胺、多巴胺、去甲腎上腺素等受體，用于治療精神、神經疾病的藥物，如舍吲哚（化合物74）、匹莫齊特（化合物75）、氯噻平（化合物76）、度洛西?。ɑ衔?7）、瑞波西?。ɑ衔?8）、匹莫范色林（化合物79）、美噻噸（化合物80）、苯海索（化合物81）；作用于大麻素受體1，用于治療肥胖的藥物利莫那班（化合物82）；作用于酸敏感鉀離子通道的呼吸興奮劑多沙普侖（化合物83）；用于治療癲癇的谷氨酸鹽受體拮抗劑吡侖帕奈（化合物84）。上述藥物的化學結構式、用途及作用靶點見圖8。

圖8 具有抗SARS-CoV-2作用的精神類藥物化學結構式、用途及作用靶點Fig.8 Chemical structures，application and psychotropic of anti-psychotic drugs with anti-SARS-CoV-2 action

3.4 具有抗SARS-CoV-2作用的其他類藥物

組胺H1受體拮抗劑如依巴斯?。ɑ衔?5）、非索非那定（化合物86）、氯馬斯?。ɑ衔?7），以及M膽堿受體拮抗劑如哌侖西平（化合物88）、羥芐利明（化合物89），均具有潛在抗SARS?CoV?2作用。RIVA等［32］發現，激酶抑制劑阿匹莫德（化合物90）除可有效抑制埃博拉病毒、拉沙病毒、馬爾堡病毒外，還可抑制SARS?CoV?2病毒。用法用量為每次125 mg，每日2次，患者耐受性良好。ISGRO等［33］報道，利尿酸（化合物91）可有效且不可逆地抑制SARS?CoV?2 Mpro。分子對接試驗結果表明，利尿酸中的α，β?不飽和酮結構可與Mpro活性部位中的半胱氨酸?145氨基酸殘基發生邁克爾反應，形成共價鍵；羧酸基團可與酪氨酸?54形成氫鍵。但由于利尿酸的強利尿特性，在治療COVID?19時需嚴格控制，防止血栓等不良反應發生。VATANSEVER等［34］發現，鉀離子通道開放劑芐普地爾（化合物92）可升高胞內體pH，抑制病毒進入人體細胞，同時抑制Mpro的活性，干擾病毒復制。上述藥物化學結構式、用途及作用靶點見圖9。

圖9 具有抗SARS-CoV-2作用的其他類藥物化學結構式、用途及作用靶點Fig.9 Chemical structures，application and action targets of other drugs with anti-SARS-CoV-2 action

4 結語

目前，各種COVID?19疫苗包括滅活型及mRNA型疫苗開始在世界范圍內使用。同時，各種病毒中和抗體及嵌合型病毒顆粒等新型疫苗也在緊張地研發中［35］。COVID?19疫苗的應用大大降低了SARS?CoV?2的感染率，但對COVID?19感染患者尚無有效治療作用。雖然臨床應急開發了植物藥單獨或與中西藥聯合治療，以及運用老藥新用的策略，但植物藥活性較低，有效成分及機制不明確，老藥不良反應較多。此外，變異株病毒不斷出現，使疫情的控制更加困難。相對于大分子生物藥（疫苗）來說，抗CoV小分子藥物易于存儲，服用方便，成本低，且不良反應少。因此，迫切需要作用機制明確、療效良好、針對SARS?CoV?2的特效小分子藥物。本研究中通過研究病毒結構及復制組裝過程中的主要靶點，進一步揭示病毒變異規律，發現變異病毒及野生病毒復制共同作用的靶點。同時，利用現代化人工智能及計算機輔助藥物設計技術，結合傳統先導化合物優化策略，可加速抗CoV小分子化合物藥物的研發。