虚拟药物筛选在抗新冠病毒药物研发中的应用

新年伊始,一场突如其来的新型冠状病毒感染的肺炎疫情,牵动着全世界人民的心。冠状病毒因其在电镜下的形态类似王冠而得名,是许多家畜、宠物包括人类疾病的重要病原,可引发多种急慢性疾病。到目前为止,已知感染人的冠状病毒有7种。其中4种在人群中较为常见(HCoV-229E、HCoV-OC43、HCoV-NL63、HCoV-HKU1),但这些病毒致病性较低,一般仅引起类似普通感冒的轻微呼吸道症状;另外3种引起较大疫情的分别是SARS冠状病毒、MERS冠状病毒,还有新型冠状病毒(2019-nCoV)。

 

2019-nCoV电镜图片(图源:baidu.com)

 

我们简单回顾下整个事件:

2019年12月8日,首例新型冠状病毒在我国湖北武汉被发现,报道为不明原因肺炎;

2020年1月9日,中国卫生专家组确认为新型冠状病毒;

2020年1月12日,世界卫生组织(WHO)将其命名为2019新型冠状病毒 (2019-nCoV);

2020年1月31日,世界卫生组织(WHO)将新型冠状病毒列为“国际关注的公共卫生紧急事件”( Public Health Emergency of International Concern,PHEIC)。自2007年颁布《国际卫生条例》以来,世卫组织共宣布了六次公共卫生应急事件,前五次分别为2009年的甲型H1N1流感、2014年的脊髓灰质炎疫情、2014年西非的埃博拉疫情、2015-16年的“寨卡”疫情,2018年刚果(金)埃博拉疫情。

 

2020年1月以来,疫情迅速蔓延全国,甚至是国外,现确诊病例仍日以千计地上升。病毒潜伏期为2-14天,感染患者常见有呼吸道症状、发热、咳嗽、气促和呼吸困难等,较为严重可导致肺炎、严重急性呼吸综合征、肾衰竭,甚至死亡。

 

面对来势汹汹的病毒,科研人员已分离获得2019-nCoV病毒毒株,抗病毒的药物的筛选和疫苗研发刻不容缓,筛选抗新冠病毒药物是重中之重。可喜得是,2020年1月31日新英格兰医学杂志 NEJM 报道,Remdesivir在美国第一例2019-nCoV患者治疗过程中取得了突破性进展。据悉,我国科学家已经开始应用一种叫做虚拟筛选(virtual screening,VS)的新技术作为工具进行抗新型冠状病毒的药物的筛选。

 

啥是虚拟筛选?

虚拟筛选也称计算机筛选,即在进行生物活性筛选之前,利用计算机上的分子对接软件模拟目标靶点与候选药物之间的相互作用,计算两者之间的亲和力大小,以降低实际筛选化合物数目,同时提高先导化合物发现效率。虚拟筛选在药物发现中具有高效率、低成本等优点。

 

从原理上来讲,虚拟筛选可以分为两类,即基于受体的虚拟筛选和基于配体的虚拟筛选。

 

基于受体的虚拟筛选从靶蛋白的三维结构出发,研究靶蛋白结合位点的特征性质以及它与小分子化合物之间的相互作用模式,根据与结合能相关的亲合性打分函数对蛋白和小分子化合物的结合能力进行评价,最终从大量的化合物分子中挑选出结合模式比较合理的、预测得分较高的化合物,用于后续的生物活性测试。

 

基于配体的虚拟筛选一般是利用已知活性的小分子化合物,根据化合物的形状相似性或药效团模型在化合物数据库中搜索能够与它匹配的化学分子结构。最后对这些挑选出来的化合物进行实验筛选研究。

 

分子对接是一种基于靶标蛋白结构的药物筛选方式。通过小分子化合物与靶标进行分子对接,综合分析得分及空间构象情况,包括静电作用、氢键作用、疏水作用、范德华作用等性质,可以探索配体小分子与受体生物大分子具体作用方式和结合构型,解释化合物产生活性的原因,为合理地优化化合物结构提供指导;也可筛选潜在活性化合物,为实验提供参考。

 

那么目前有哪些药物可以作为潜在的治疗新冠病毒肺炎的有效药物用于虚拟筛选呢?

 

可能的候选药物

 

一、已获批上市的药物

1、奈非那韦
2020年1月28日,中科院上海药物研究所徐志建和朱维良团队在 BioRxiv 发表文章,通过同源建模,分子对接和结合自由能计算,发现奈非那韦(Nelfinavir)可能是新型冠状病毒主要蛋白酶 Mpro 的抑制剂,可能对新型冠状病毒有治疗作用。

 

2、阿比多尔
石药阿比多尔(商品名:琦效)是一种广谱抗病毒药,主要治疗 A、B 型流感病毒等引起的上呼吸道感染,在近些年有较多研究证明其对 SARS -CoV 及 MERS-CoV 冠状病毒均有一定的抑制活性。此外,Clinicaltrials 显示,一项阿比多尔用于新型冠状病毒肺炎确诊患者的 4 期临床研究已经登记,由中南大学湘雅医院发起(临床登记号:NCT04246242)。

 

3、洛匹那韦利托那韦片
洛匹那韦利托那韦片(商品名:克力芝)是艾伯维研发的抗艾滋病药物,在我国已上市,主要用于治疗成人和 2 岁以上儿童的人类免疫缺陷病毒-1(HIV-1)感染。目前的体外研究表明,洛匹那韦/利托那韦能够抑制中东呼吸综合症冠状病毒(MERS-CoV)以及重症急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)的复制而发挥抗病毒作用。但目前它对新型冠状病毒(2019-nCov)是否具有明确疗效尚缺乏临床证据,有待后续研究予以证实。

 

二、国内尚未获批的在研药物

 

1、瑞德西韦
瑞德西韦(Remdesivir)属于核苷类似物,是 RNA 依赖的 RNA 聚合酶(RdRp) 抑制剂,可以通过抑制病毒核酸合成抗病毒,目前尚未在任何国家获得批准上市。2020年1 月 31 号,权威医学期刊《新英格兰医学杂志》(NEJM)报道美国第一例 2019-nCoV 病人的诊疗过程,瑞德西韦在对美国首例新冠病毒患者的治疗中显示出一定潜力。目前瑞德西韦在中国的随机、双盲、对照 III 期临床研究已经启动,由中日友好医院曹彬教授牵头,计划入组轻、中度「新型冠状病毒肺炎」患者 270 例,试验预期于 2020 年 2 月 3 日开始,4 月 27 日结束。

 

2、法匹拉韦
一种广谱抗病毒药物,2014年3月24 日在日本获批上市,用于治疗流感。海正药业已于2016年7月获得法匹拉韦专利授权研发、生产与销售权益。深圳卫健委目前已启动用艾滋病药物法匹拉韦用于对抗疫情的临床研究。

 

3、单克隆抗体 CR3022
2020年1月28日,复旦大学应天雷等团队在 bioRxiv 在线发表题为「Potent binding of 2019novel coronavirus spike protein by a SARS coronavirus-specific human monoclonalantibody」研究论文,该文章首次表明,SARS-CoV 特异性人类单克隆抗体 CR3022 可以与本次武汉新型冠状病毒的受体结合域(RBD)有效结合。CR3022 的表位在 2019-nCoV RBD 中不与 ACE2 结合位点重叠。因此,单克隆抗体 CR3022 有可能被开发用于预防和治疗新型冠状病毒感染。

 

三、其他在研的潜在有效药物

 

1、中国临床试验注册中心
截止 2020年2月1日,中国临床试验注册中心显示,目前已开展的针对新型冠状病毒感染的肺炎的临床共有16项,涉及药物包括中药、连花清瘟胶囊/颗粒、血必净注射液、糖皮质激素、利巴韦林+干扰素α-1b等。

 

2、大型生物企业的虚拟筛选化合物库
比如艾美捷的供货商和合作伙伴MCE中国拥有15000+ 种高纯度小分子化合物。

 

最新进展

 

MCE 中国始终密切关注疫情发展,首先从上海科技大学饶子和院士课题组获取 2019 新冠病毒 3CL 水解酶晶体结构 (PDB code:6LU7),随后,对MCE已有的 FDA 化合物库 (HY-L022P, FDA-Approved Drug Library Plus) 及临床一期以后化合物库 (HY-L035P, Drug Repurposing Compound Library Plus) 进行高通量计算机虚拟筛选:对 6LU7 晶体结构进行优化,制作格点文件,输出两个化合物库的 3D 结构,采用 Glide 模块中的 HTVS 模式进行筛选,选出 FDA 化合物库打分前 250 名和临床一期以后化合物库打分前 500 名的分子,采用标准模式进行第二轮筛选,输出所有结果。

 

分析结果与已报道的科研团队筛选的结果具有一定的相似性,抗 HIV 药物沙奎那韦 (Saquinavir)、蛋白酶抑制剂卡非佐米 (Carfilzomib),以及目前实施的新冠病毒诊疗方案推荐药物洛匹那韦 (Lopinavir) 的打分值分别处于 FDA 化合物库的第三名、第五名和第七名。同时,MCE还发现一些未见报道的分值较高的化合物,比如奈非那韦 (Nelfinavir)、Adaptavir 等,但是否具有作用尚需进一步的生物实验来验证。

 

代表性化合物与靶蛋白的结合模式图

 

 

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