靶标SARS-CoV-2主蛋白酶的低分子量老药发现

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

新型冠状病毒SARS-CoV-2感染引起的COVID-19大流行，严重影响了人民健康和全球医疗体系。老药新用是一种可行的应急治疗方案。考虑到低分子量药物结构简单，有更高的几率匹配和抗SARS-CoV-2关键靶点的相互作用，中国科学技术大学施蕴渝院士团队的阮科副教授、博士后高佳、张亮特聘副研究员与中国科学技术大学生命科学与医学部特聘副研究员葛玉舒合作，提出了靶标SARS-CoV-2主蛋白酶的基于片段的老药遴选策略。针对SARS-CoV-2病毒的主蛋白酶，通过核磁片段筛选，发现了包括烟酸（维生素B3）在内的三个片段化合物，通过核磁化学位移扰动鉴定了这些小分子结合在关键酶活位点，测定了烟酸和片段化合物1对主蛋白酶水解酶活的抑制效应。进而搜索了含有烟酸和片段化合物1子结构的老药，发现卡莫氟、苯达莫司丁、三氯苯哒唑、依美司丁、奥咪拉唑等老药具有更高的活性。靶向不同靶点的低分子量老药通过“鸡尾酒”方式联用，可获得更好的抑制主蛋白酶水解活性的效果。这一研究结果表明基于片段的老药新用策略是可行的，有望用于其它尚无特效药物的潜在靶点。

图1. 靶向SARS-CoV-2主蛋白酶的低分子量老药发现

该论文发表于Journal of Physical Chemistry Letters 。高佳、张亮为该论文的共同第一作者，葛玉舒、阮科为共同通讯作者，特别感谢中国科学技术大学生命科学与医学学部施蕴渝院士、潘跃银教授、吴季辉教授等协助。该研究受国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、国家科学中心卓越计划等经费的支持。

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Repurposing low–molecular-weight drugs against the main protease of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2

Jia Gao, Liang Zhang, Xiaodan Liu, Fudong Li, Rongsheng Ma, Zhongliang Zhu, Jiahai Zhang, Jihui Wu, Yunyu Shi , Yueyin Pan , Yushu Ge , Ke Ruan

J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 17, 7267–7272, DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c01894

团队主要贡献者简介

高佳，中国科学技术大学博士后。2016年获得中国科学技术大学博士学位，2018年至今在中国科学技术大学生命科学与医学部从事双聘博士后研究工作。研究成果以第一作者发表于Angew. Chem. Int. Ed.，J. Phys. Chem. Lett.等。

张亮，中国科学技术大学特任副研究员。2014年于南开大学取得博士学位，2014年至2019年先后在美国天主教大学和美国国立健康研究院(NIH)从事博士后研究工作，2019年12月起回国就职于中国科学技术大学。研究领域是线粒体核糖体的CryoET的结构研究、线粒体相关蛋白复合物、蛋白核酸复合物的功能与结构研究，研究成果发表于Nature Comm.，Nucl. Acid. Res.等期刊。

葛玉舒，中国科学技术大学生命科学与医学部特聘副研究员。2014年于武汉大学取得博士学位，2012年至2013年在英国布里斯托大学化学学院计算化学中心实验室进行访学工作，博士毕业后就职于中国科学技术大学。研究领域是靶向疾病相关生物大分子的活性化合物及荧光探针的发现与理论机制研究，以通讯作者在Eur. J. Med. Chem., J. Mat. Chem. B 等学术期刊发表论文。

阮科，中国科学技术大学青年PI，副教授。获北京大学化学与分子工程学院学士和硕士学位， 2008年获约翰霍普金斯大学博士学位，后在美国辉瑞制药公司和英国Beatson癌症研究所从事药物研发工作。2010年底入职中国科学技术大学。主要研究兴趣为现代核磁技术在小分子片段筛选与设计中的发展与应用，发现关键抗癌靶点的创新化学小分子。近年来作为主要通讯作者在Angew Chem. Int. Ed. J. Phys. Chem. Lett. 等期刊发表论文20多篇

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：新型冠状病毒感染导致的疫情对全世界人民生命财产造成了极其严重的威胁。而现状是特效药物匮乏，针对新型肺炎冠状病毒的新药研发（包括小分子药物，疫苗或抗体）一般需要数年时间，远水难解近渴。老药新用是一种可行的应急治疗方案。然而，已上市及在临床测试阶段的药物是针对特定靶点开发的，很难完全匹配和抗新冠病毒靶点的相互作用。对于结构复杂的老药，甚至由于部分基团和靶点的作用互斥，而导致完全无效。那么，能否发现靶向新冠病毒的低分子量老药呢？这类药物大多在临床使用多年，安全性高。他们的结构简单，有更高的概率完全匹配和靶点的互作。虽然这些老药的药效可能有限，但我们推测可以通过较高的药物浓度以及通过“鸡尾酒”的方式几个药物联用，从而抑制病毒的复制，为人体依靠自身免疫力，战胜病毒赢得更多时间。我们2014年以来，建立了基于核磁共振的药物片段（低分子量化合物）筛选平台，发现了多个药物靶点的小分子抑制剂。因此在2020年1月底疫情爆发伊始，就着手开展了抗新冠病毒主蛋白酶靶点的低分子量老药研究。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：这项研究的主要挑战是时间紧、人员和物资匮乏。我们在2020年1月底有了最初的想法后，迅速组建尚在校的高佳博士后和特任副研究员张亮、葛玉舒，开展靶标低分子量老药筛选工作。当时物流受限，科研人员紧缺，基因合成、测序、蛋白纯化及标记等基础工作常被延后。我们克服困难，同步开展核磁筛选和酶活研究，几位研究人员放弃了周末休息，竭尽所能推动了课题的进展。另外，刚开展工作时没有现成的低分子量老药库，所以利用已公布虚拟结果，通过片段筛选鉴定了关键药物靶点的药效团结构，进而发掘含有这些子结构的低分子量老药。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：人类与病毒的斗争会长久的持续下去，此次新冠病毒感染疫情全球蔓延的风险依旧。即使此次新冠病毒感染疫情结束，也有必要吸取SARS和本次疫情的经验教训，长期坚持推动抗病毒感染的新型特效药的发现，作为国家对抗未来可能疫情的战略储备。毕竟老药是针对其它靶点而优化的，老药新用可以作为应急响应，但并非最佳选择的特效药物。通过片段筛选的方法，鉴定SARS-CoV-2病毒的关键药物靶点的药效团结构，发掘含有这些子结构的低分子量且安全性高的有效老药，通过多靶点药物联用，有望成为抗病毒感染的快速响应手段。

尽管冠状病毒的变异速度较快，但是关键结构域是保守的，例如SARS和新型冠状病毒的3CL蛋白酶的序列同源度就高达96%，药物结合口袋也高度类似。在我们发现的这些低分子量老药的基础上，药物研发机构可以在结构指导下开展更深入的先导化合物设计优化，为未来抵抗冠状病毒感染做好储备。