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抗病毒藥物
抗病毒藥物（Antiviral drugs）是一類用于治療病毒感染的藥物。大多數(shù)抗病毒藥物針對(duì)特定病毒etal，而廣譜抗病毒藥物可有效對(duì)抗多種病毒。[1]抗病毒藥物是 抗微生物藥物（antimicrobials）的一個(gè)類別?？刮⑸锼幬锏暮w面更加廣泛etal，除了抗病毒藥物之外etal，還包括 抗生素（antibiotics，也稱為抗菌藥物antibacterial drugs）、 抗真菌藥物（antifungal）和 抗寄生蟲藥物（antiparasitic drugs）。[2]現(xiàn)在可用的大多數(shù)抗病毒藥物針對(duì) HIV、皰疹病毒、乙型和丙型肝炎病毒以及甲型和乙型流感病毒。[3]而以Covid-19為代表的冠狀病毒也成為了如今抗病毒藥物開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。
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多肽和擬肽類抗病毒藥物
不難發(fā)現(xiàn)，很多抗病毒藥物的通用名都是以vir（韋）結(jié)尾的，如果進(jìn)一步觀察這干“韋”系抗病毒藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們中間有不少是擬肽（peptidomimetics）的形式存在的(更不消說那些以tide結(jié)尾的抗病毒藥物，例如Bulevirtide)，例如抗HIV病毒的Atazanavir（阿扎那韋，商品名Reyataz等）、Lopinavir（洛匹那韋，與ritonavir的FDC聯(lián)合制劑Kaletra）和Nelfinavir奈非那韋（商品名Viracept）；抗HCV病毒的Boceprevir（波普瑞韋，商品名Victrelis）和Telaprevir（特拉匹韋，商品名Incivek，Incivo）；以及抗SARS-CoV-2病毒的聯(lián)合療法制劑nirmatrelvir/ritonavir（奈瑪特韋/利托那韋，商品名Paxlovid）等（圖1）。
圖1. 常見的擬肽類抗病毒藥物分子結(jié)構(gòu)
使用擬肽作為治療藥物具有很多優(yōu)勢，例如增強(qiáng)的結(jié)合力、改善的代謝穩(wěn)定性和良好的生物利用度（相對(duì)于多肽類藥物）。將傳統(tǒng)的多肽類藥物，通過化學(xué)改性工具庫里的不同策略， 轉(zhuǎn)化為擬肽類物質(zhì)， 進(jìn)一步提高受體親和力并改善藥代學(xué)特性，是該類別抗病毒藥物的重要開發(fā)手段。
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常見的多肽化學(xué)改性策略
傳統(tǒng)的多肽類藥物，掣肘于較差的代謝穩(wěn)定性和極低的口服生物利用度，因此研發(fā)人員通過化學(xué)改性的方法，以期在以上兩個(gè)領(lǐng)域做出顯著的改善。藥物設(shè)計(jì)研究人員常用的多肽化學(xué)改性手段包括以下方法etal：
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末端封閉
將多肽的N-端用乙酰基封閉，將C-端修飾為酰胺，是多肽化學(xué)改性的最小動(dòng)作。這樣的修飾可以降低因?yàn)镹α-介導(dǎo)的DKP降解（diketopiperazine）。 [4]這種保護(hù)作用對(duì)于分子量較小的多肽來說意義尤其重大。截至 2021 年底，62個(gè) （不包括已撤消的羅穆爾肽和安巴莫司?。┮焉鲜械亩屉模ㄓ尚∮诨虻扔?15 個(gè)氨基酸殘基組成）中，有 37 個(gè)實(shí)體在其 N 端通過酰化、焦谷氨酸或環(huán)化的方式得以封閉，只有 9 種線性肽實(shí)際上具有自由Nα基團(tuán)。末端封閉對(duì)于多肽的二級(jí)結(jié)構(gòu)已會(huì)產(chǎn)生很重大的影響，因?yàn)檫@樣會(huì)剝奪分子上所帶的電荷。而多肽空間結(jié)構(gòu)的變化，反過來又可以影響分子穩(wěn)定性。 [5]
除了這兩種最常規(guī)的修飾之外，還可以在C-端加載α-keto amide（α-酮羰基酰胺）的結(jié)構(gòu)，將酮羰基引入多肽分子中，使之搖身一變，轉(zhuǎn)化為可以與受體形成共價(jià)結(jié)合的共價(jià)擬肽藥物。[6]例如針對(duì)HCV病毒的絲氨酸蛋白酶的擬肽藥物boceprevir 波普瑞韋和telaprevir特拉匹韋，它們的分子C-端就含有α-keto amide的結(jié)構(gòu)（圖2）。該修飾極大地提升了母體化合物的效力和藥代動(dòng)力學(xué)特性。
圖2. 含有α-keto amide結(jié)構(gòu)（紅色部分）的擬肽藥物boceprevir和telaprevir
另外一種日趨流行的共價(jià)藥物彈頭硼酸結(jié)構(gòu)，也時(shí)常被引入多肽分子之中。例如在一項(xiàng)研究中，科學(xué)家將硼酸結(jié)構(gòu)加載到了寨卡病毒、西尼羅河病毒和登革熱病毒蛋白酶的二肽抑制劑中，取代原有的羧酸或酰胺基團(tuán)，所衍生出的硼酸基抑制劑（圖3）的親和力相對(duì)于修飾前增加了一千倍。 [7]
圖3. 硼酸基寨卡病毒、西尼羅河病毒和登革熱病毒蛋白酶二肽抑制劑
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酰胺的生物電子等排體替換（bioisostereric replacement）
多肽的骨架是由酰胺鍵組成的，對(duì)于多肽的物理化學(xué)性質(zhì)無比重要。通過生物電子等排體（bioisostere）替換酰胺鍵，是研究人員“由多肽至擬肽”的一種重要策略。常見的酰胺電子等排體包括：酯類esters、硫代酰胺類 thioamides、1,2,3-三唑類1,2,3-triazoles、磺胺類sulfonamides，亞膦酰胺phosphonamidites、羥基乙烯hydroxy ethylene和羥基乙胺hydroxy ethylamine等（圖4）。 [8]
圖4. 常見酰胺生物電子等排體
通過生物等排體替換酰胺鍵的化學(xué)修飾方法的例子，在擬肽藥物開發(fā)中不勝枚舉。例如第一個(gè)抗HIV病毒的蛋白酶抑制劑Saquinavir沙奎那韋，就是用羥基亞甲基的結(jié)構(gòu)取代了多肽主鏈的不穩(wěn)定的酰胺鍵（圖5），提高了藥物的代謝穩(wěn)定性。 [9]
圖5. Saquinavir化學(xué)結(jié)構(gòu)
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氨基酸修飾
氨基酸修飾的方法極其廣泛，包括使用non-proteinogenic氨基酸取代蛋白質(zhì)氨基酸，比如用D-氨基酸取代L-氨基酸，從而提高底物的水解穩(wěn)定性。研究人員擁有越來越大的非蛋白質(zhì)氨基酸庫，可以支持不同類型的氨基酸改性。
已上市的多肽藥物中，D-氨基酸甚至成為了常規(guī)的多肽藥物殘基。在2021年批準(zhǔn)的多肽藥物中，就有voclosporin(D-Ala) 和odevixibat（D-4-hydroxyphenylalanine）兩款含有D-氨基酸。更有甚者，2021年通過FDA審批的defelikefalin（商品名Korsuva，一種鎮(zhèn)痛阿片肽，用于治療中度至重度瘙癢 [10]） 采取了全D-氨基酸（D-Phe, D-Leu, D-Lys）的策略(圖6）。
圖6. 全D-型氨基酸多肽Difelikefahlin的化學(xué)結(jié)構(gòu)
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環(huán)肽
多肽的環(huán)化從來都是重要的多肽化學(xué)改性策略，從上世紀(jì)80年代就上市的第一款多肽口服制劑cyclosporin A開始，人們就一直將多肽環(huán)化奉為提高多肽穩(wěn)定性，改善藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，提高生物利用度的重要手段之一。截止2021年，通過FDA, EMA和日本FMDA的將近105個(gè)多肽治療劑與診斷試劑中，環(huán)肽幾乎占據(jù)了半壁江山（47%），其中單環(huán)肽的比例為37%，多環(huán)肽為10%。在抗病毒擬肽中，環(huán)肽也出現(xiàn)在了抗 HCV 藥物，特別是大環(huán)可逆藥物NS3/4A 絲氨酸蛋白酶抑制劑中，例如simeprevir西美瑞韋，glecaprevir 格卡瑞韋和 voxilaprevir伏西瑞韋（圖7）。 [11]
圖7. 環(huán)擬肽Simeprevir, Glecaprevir, Voxilaprevir化學(xué)結(jié)構(gòu)
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抗病毒擬肽研發(fā)及產(chǎn)業(yè)狀態(tài)
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抗SARS-CoV-2病毒擬肽藥物
擬肽抗病毒治療劑最受關(guān)注的例子可能莫過于Paxlovid了，它在SARS-CoV-2病毒掀起的Covid-19全球大爆發(fā)中起到了穩(wěn)定局面的作用。Paxlovid是一款FDC（Fixed-dose combination, 固定劑量組合）的復(fù)方制劑，它含有兩種活性物質(zhì)nirmatrelvir和ritonavir，正如前文提及的那樣，它們都是擬肽類物質(zhì)（圖1）。其中的ritonavir早年單獨(dú)作為抗HIV病毒藥物上市，但因?yàn)樗幮Ш透弊饔玫脑?，很快被新生代取代。但因?yàn)樗虲YP3A4酶高度的結(jié)合力，以及對(duì)CYP3A4這個(gè)單加氧化酶的抑制作用（通過不同的機(jī)理，包括(I) 代謝中間復(fù)合物 (MIC) 的形成，MIC與血紅素群緊密結(jié)合；(II) 未修飾的ritonavir與血紅素鐵的強(qiáng)結(jié)合；(III) 血紅素破壞；(IV) 活性ritonavir中間體與 CYP3A4 脫輔基蛋白的共價(jià)連接等 [12]） , ritonavir在Paxlovid中充當(dāng)了藥代動(dòng)力學(xué)增強(qiáng)劑的角色。
通過它對(duì)CYP3A4的抑制作用，保護(hù)了真正的抗病毒活性物質(zhì)nirmatrelvir較少受到CYP3A4的酶促降解，提高了它的半衰期和藥物暴露量。Nirmatrelvir的藥理學(xué)作用在于它對(duì)于3C樣蛋白酶（3C-like protease， 3CL PRO，亦稱M pro） 的抑制作用，nirmatrelvir因此是Mpro蛋白酶抑制劑。Mpro是一種半胱氨酸蛋白酶，它對(duì)SARS-CoV-2的刺突蛋白上的S糖蛋白的裂解作用，對(duì)于病毒與宿主細(xì)胞融合并感染細(xì)胞的生物學(xué)過程極為重要，因此抑制這個(gè)蛋白酶是Paxlovid的藥理學(xué)功效的核心。
Nirmatrelvir是一款共價(jià)擬肽藥物，在與受體蛋白的結(jié)合口袋通過非共價(jià)結(jié)合的基礎(chǔ)上，nirmatrelvir上的核心構(gòu)件，即氰基（cyano group）彈頭（warhead, 特指共價(jià)藥物上的活性親電基團(tuán)），可以與 M pro蛋白酶上的Cys 145殘基側(cè)鏈的巰基作用，形成thioimidate （硫代亞胺酸酯），從而通過共價(jià)的方式緊密結(jié)合靶向的受體蛋白，可以在較低劑量的條件下實(shí)現(xiàn)高效的藥效作用。值得注意的是，Paxlovid是一款口服抗病毒藥物，這正是藥代動(dòng)力學(xué)增強(qiáng)劑ritonavir，以及nirmatrelvir自身的藥代學(xué)特征的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)的。
圖8. 巰基化合物與腈類化合物產(chǎn)生硫代亞胺酸酯的反應(yīng)
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抗HCV病毒擬肽藥物
抗HCV(丙型肝炎病毒) 也擬肽藥物的核心任務(wù)之一。丙型肝炎是一種由丙型肝炎病毒(HCV) 引起的肝臟疾病。目前，HCV 感染的治療基于直接抗病毒藥物 (DAA，directacting antivirals)，靶向特定 NS 蛋白（非結(jié)構(gòu)蛋白），并破壞病毒復(fù)制。
2011 年，F(xiàn)DA 批準(zhǔn)了第一代 DAA，即 boceprevir 波普瑞韋和telaprevir特拉匹韋（圖2），它們針對(duì)基因 1 型 HCV 感染患者的 NS3/4A，它們的分子C-端都含有α-keto amide的結(jié)構(gòu)。這些 DAA 與聚乙二醇干擾素 (peg-IFN)和利巴韋林聯(lián)合使用，成本顯然不低。 [13]
第二代 DAAs 擬肽藥物daclatasvir和 sofosbuvir（圖9），分別作為 NS5A 和 NS5B 抑制劑得到應(yīng)用，代表了 HCV 治療的突破，提高了更多患者的持續(xù)病毒反應(yīng)率（SVR）。 [14]
圖9. 第二代抗HCV擬肽藥物Daclatasvir與Sofosbuvir化學(xué)結(jié)構(gòu)
Glecaprevir和 voxilaprevir（圖10）是針對(duì) NS3/4A 開發(fā)的第三代 DAA，能夠靶向所有基因型，包括今天代表 HCV 治療里程碑的基因 3 型，它們都是環(huán)擬肽。
圖10. 第三代抗HCV擬肽藥物Glecaprevir與Voxilaprevir化學(xué)結(jié)構(gòu)
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抗HIV病毒擬肽藥物
抗HIV藥物可以分為：核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑(NRTIs，Nucleoside Reverse Tranase Inhibitors)、非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑(NNRTIs，Non-Nucleoside Reverse Tranase Inhibitors)、蛋白酶抑制劑(PI，Protease Inhibitors)、融合抑制劑（Fusion Inhibitors）、ccR5拮抗劑 （CCR5 Antagonists）、 整合酶鏈轉(zhuǎn)移抑制劑 （INSTIs, Integrase Strand Transfer Inhibitors ）、附著抑制劑（Attachment Inhibitors）和附著后抑制劑 （Post-Attachment Inhibitors）等很多類型。蛋白酶抑制劑中，很多藥物屬于擬肽行列。
FDA于1995年批準(zhǔn)的擬肽沙奎那韋（saquinavir，圖5）屬于第一代蛋白酶抑制劑。第一代抑制劑基于羥基乙烯和羥乙胺電子等排物。 [15]中心羥基通過模擬水解步驟的過渡態(tài)，結(jié)合催化性天冬氨酸殘基 （圖11）。在Paxlovid中梅開二度的藥代動(dòng)力學(xué)增強(qiáng)劑ritonavir當(dāng)年就是第一代的抗HIV蛋白酶抑制劑。
圖11. 第一代抗HIV擬肽蛋白酶抑制劑
洛匹那韋(Lopinavir) 由 Abbott 開發(fā)，屬于第二代抗HIV蛋白酶抑制劑（圖12），用于改善ritonavir的特性。洛匹那韋無法單獨(dú)給藥，因此成為第一個(gè)與作為藥代動(dòng)力學(xué)增強(qiáng)劑的利托那韋以聯(lián)合療法使用的復(fù)方制劑。阿扎那韋 (Atazanavir) 于 2003 年獲得批準(zhǔn)，它成為第一個(gè)每天一次有效給藥的蛋白酶抑制劑。其半衰期比以前的蛋白酶抑制劑更長。 [16]替拉那韋 (Tipranavir) 于 2005 年獲得批準(zhǔn)，并于 2008 年擴(kuò)展到兒科用途。由于其結(jié)構(gòu)上存在許多差異，它對(duì)某些耐藥 HIV 菌株保持效力，并且似乎具有更高的遺傳屏障，需要許多突變才能產(chǎn)生耐藥性 。 [17]2006年獲得FDA批準(zhǔn)的地瑞那韋 （darunavir）代表了最新的抗HIV蛋白酶抑制劑。
圖12. 第二代抗HIV擬肽蛋白酶抑制劑
— 總結(jié) —
擬肽是藥物化學(xué)中的強(qiáng)大工具，將活性肽轉(zhuǎn)化為結(jié)合了多肽與小分子藥物特點(diǎn)的綜合體，無論在藥理學(xué)還是藥代動(dòng)力學(xué)特性方面，都較多肽藥物有了顯著提升，可以大規(guī)模實(shí)現(xiàn)口服遞送的方式。在過去的十年里，人們對(duì)抗病毒擬肽的研發(fā)興趣與日俱增，Paxlovid的出現(xiàn)證明了擬肽在抗病毒方面的巨大價(jià)值。隨著對(duì)病毒致病過程理解的加深，不同抗病毒藥物之間的合縱連橫的情況也可能成為現(xiàn)實(shí)，開發(fā)廣譜抗病毒藥物也是科學(xué)家致力的研究方向。人們有理由對(duì)于新一代vir“韋”抗病毒藥物，它在藥效、安全性、抗耐藥性、遞送方式等眾多領(lǐng)域的不斷優(yōu)化報(bào)以信心。
參考文獻(xiàn)（上下滑動(dòng)查看更多）
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