Covid-19警世通言：廣譜抗病毒藥物開發(fā)的思考

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       廣譜抗病毒藥物開發(fā)的大背景

       肆虐全球的Covid-19大爆發(fā)暴露了人類公共衛(wèi)生事業(yè)的巨大缺陷與漏洞。對于制藥組織來說，及時開發(fā)出有針對性的抗病毒藥物成為了這場風(fēng)暴的核心要素。盡管疫苗和抗病毒藥物以完全超越常規(guī)標(biāo)準的速度實現(xiàn)，但全球仍然成為了病毒肆虐的歡場，而帶給人類的卻是極其慘痛的損失，大量患者由于得不到及時有效的救治而失去生命。

       盡管風(fēng)暴尚未消退，但制藥界對于這場挑戰(zhàn)帶給人類的反思已經(jīng)展開，其中重要的一項在于廣譜抗病毒藥物（BSA, broad-spectrum antivirals）的開發(fā)。

       我們知道，市場上有很多廣譜抗生素（broad-spectrum antibiotics）藥物。所謂廣譜抗生素，是同時作用于革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌這兩個主要細菌群的抗生素，[1] 或任何作用于多種致病細菌的抗生素。[2] 當(dāng)懷疑細菌感染但細菌群未知（也稱為經(jīng)驗性治療），或懷疑感染多組細菌時，通?？梢允褂眠@些廣譜抗生素藥物穩(wěn)定病情。特別是對于危及生命的感染，針對性的治療不能等到病原體被確定才開展，廣譜抗生素的作用在這種情形下就是無可替代了。

       廣譜抗生素與那些針對特定細菌群有效的窄譜抗生素（narrow-spectrum antibiotic）形成對比。[3] 常用的廣譜抗生素的一個例子是氨芐西林 （ampicillin，亦稱氨芐青霉素，圖1）。Ampicillin是一種β-內(nèi)酰胺類抗生素，可治療多種細菌感染。[4] 適應(yīng)癥包含呼吸道感染、泌尿道感染、腦膜炎、沙門氏菌感染癥，以及心內(nèi)膜炎。

       除了ampicillin之外，常見的廣譜抗生素藥物還包括強力霉素、米諾環(huán)素、氨基糖苷類（鏈霉素除外）、阿莫西林/克拉維酸 （Augmentin）、阿奇霉素、碳青霉烯類（例如亞胺培南）、哌拉西林/他唑巴坦、喹諾酮類藥物（例如環(huán)丙沙星）、四環(huán)素類藥物（sarecycline除外）、氯霉素、替卡西林、甲氧芐氨嘧啶/磺胺甲惡唑 （Bactrim）等眾多類型。

       圖1. Ampicillin化學(xué)結(jié)構(gòu)

       相對于廣譜抗生素的遍地開花，廣譜抗病毒藥物BSA的開發(fā)就明顯滯后。盡管有很多潛在的廣譜抗病毒藥物處在不同的臨床階段，但目前很少有真正的廣譜抗病毒藥物得到有效利用。概念中的廣譜抗病毒藥 (BSA) 是可抑制多種病毒（屬于兩個或多個病毒科的病毒）復(fù)制的藥物。BSA 通過抑制病毒蛋白（如聚合酶和蛋白酶），或通過靶向宿主細胞的因子起效，這些宿主細胞的因子在病毒感染和復(fù)制過程中為病毒所利用。[5]

       截至 2021 年，有 150 種已知的 BSA 處于不同的開發(fā)階段，可有效對抗 78 種人類病毒。[6] BSA 是治療新出現(xiàn)以及重新出現(xiàn)的病毒的潛在候選者，例如埃博拉病毒、馬爾堡病毒和 SARS-CoV-2。[7] 許多 BSA 顯示出對其他病毒的抗病毒活性，而不是最初研究的病毒，例如瑞德西韋（remdesivir）和干擾素 α （interferon alpha）。

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       廣譜抗病毒藥物開發(fā)的必要性與挑戰(zhàn)

       導(dǎo)致缺乏廣譜抗病毒藥物的一個因素是病毒檢測技術(shù)滯后，尤其是針對呼吸道病毒的檢測。今天開發(fā)流感和呼吸道合胞病毒 (RSV，respiratory syncytial virus) 的常規(guī)檢測，是因為已知這些感染會導(dǎo)致全世界數(shù)以千計的患者住院，并且可以對他們進行治療。但直到最近，用于廣泛檢測其他病毒的測試仍不可用，或未被常規(guī)使用。

       這種遲滯導(dǎo)致了一種惡性循環(huán)：沒有正確的測試，人們就不知道病毒引起的嚴重疾病的范圍；而出于對病毒致病嚴重程度的不可知，對于病毒診斷和抗病毒藥物的開發(fā)動力就不能被調(diào)動起來。盡管檢測技術(shù)在不斷改進，但檢測仍未廣泛開展。即使進行了檢測，許多病毒病原體也無法獲得治療。這正是 COVID-19 大流行初期發(fā)生的情況：我們對致病病毒知之甚少，也沒有針對感染的治療方法。

       盡管 SARS-CoV-2 是已知的第七種感染人類的冠狀病毒，但人類在挑戰(zhàn)面前快速應(yīng)對的表現(xiàn)仍然不夠合格。雖然有效的 COVID-19 管理需要抗病毒和抗炎治療策略，但在危局面前，人們需要一種有效、安全并且快速（這個快速的標(biāo)準這里尤為重要）的抗病毒藥物用于治療和預(yù)防。

       然而，鑒于藥物開發(fā)從靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)到批準，平均需要 12 年的時間，期望在短時間內(nèi)開發(fā)出安全且具有選擇性的抗病毒藥物是不切實際的。試想如果存在合理開發(fā)，效果明顯的廣譜抗病毒藥物，它們就有可能改變?nèi)驅(qū)?SARS-CoV-2 的反應(yīng)，并顯著減輕大流行對全球人民生命安全和全球經(jīng)濟的影響。

       如果從積極的角度來看到這場COVID-19疫情，它至少促使人們在開發(fā)廣譜抗病毒藥物的方面進行反思與改進，這一點可以從兩個方面看待。[8]

       首先，COVID-19疫情提高了人們對于病毒致命性的認識：除流感和 RSV 之外的多種呼吸道病毒，包括冠狀病毒、人偏肺病毒（HMPV）、副流感病毒，甚至普通感冒病毒（鼻病毒），都可能導(dǎo)致嚴重疾病和高度的住院率，甚至嚴重威脅患者生命安全。這刺激了一個“良性循環(huán)”：我們測試的越多，我們發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)致嚴重疾病的病毒就越多，我們就越認識到需要開發(fā)新的治療策略來對抗它們。

       其次，最近由甲型禽流感（H3N2，1968 年）、豬流感（H1N1，2009 年）和 COVID-19 冠狀病毒（SARS-CoV-2，2019 年）等新型病毒引起的疫情，凸顯了需要用于大流行防范的廣譜抗病毒藥物。與 SARS 和 MERS 冠狀病毒一樣，這些大流行性病毒是人畜共患的：它們從非人類動物宿主傳播，有時通過中間宿主傳播。

       這意味著它們對人類健康構(gòu)成嚴重威脅，特別是當(dāng)病毒（如 SARS-CoV-2）非常適合人際傳播的情況下，因為人類宿主對這些新出現(xiàn)的病原體缺乏特異性免疫力。在這種困局面前，開發(fā)廣譜抗病毒藥物就是抑制病毒快速失控傳播的關(guān)鍵武器。

       3

       廣譜抗病毒藥物開發(fā)思路[9]

       大多數(shù)批準的抗病毒藥物以病毒蛋白為靶點，通常選擇性地針對一種病毒起作用。例如Paxlovid中的抗病毒活性擬肽nirmatrelvir，靶向的就是SARS-CoV-2病毒的3C樣蛋白酶（3C-like protease，或稱main protease，簡寫為3CLPro或MPro）。從歷史上看，抗病毒藥物開發(fā)更是不成比例地集中在靶向病毒蛋白上，支持了“直接作用抗病毒藥物” （DAAs, direct-acting antivirals）的開發(fā)。

       然而，除了直接靶向病毒蛋白受體之后，我們也知道，病毒利用大量宿主細胞蛋白（host proteins）來執(zhí)行其生命周期中的重要步驟，這些被病毒挾持的宿主細胞蛋白同樣可以作為開發(fā)“宿主定向抗病毒藥物 ”（HDAs，host-directed antiviral agents）的目標(biāo)。由于來自一個家族的病毒通常使用相同的宿主細胞蛋白，因此靶向這些蛋白可能產(chǎn)生具有廣譜抗病毒活性的藥物，并對病毒耐藥性制造了障礙。HDA 的一個關(guān)鍵特征是它們的開發(fā)可以在病毒病原體爆發(fā)之前進行。近年來，有十幾種人畜共患病毒引起了致命的人類疾病，并且仍可能將是未來爆發(fā)的潛在來源，這一事實凸顯了對 HDA 的需求。

       1.阻止病毒入侵的宿主蛋白酶抑制劑

       流感病毒、副流感病毒和冠狀病毒等呼吸道病毒，依賴宿主蛋白酶來激活它們的進入因子（entry factor），從而促進膜融合和進入氣道上皮細胞?？缒さ鞍酌附z氨酸 2 （TMPRSS2, transmembrane protease serine 2）是一種普遍表達的絲氨酸蛋白酶，對人流感病毒的血凝素（HA, hemagglutinin）和 SARS 樣冠狀病毒的刺突 S 蛋白的切割和激活至關(guān)重要。[10]

       TMPRSS2 對于宿主發(fā)育和體內(nèi)平衡是可有可無的，因此可能構(gòu)成一個有吸引力的治療靶點。[11] 需要注意的是，那些被HDA靶向的宿主蛋白，應(yīng)該是那些對宿主細胞本身不構(gòu)成關(guān)鍵作用的蛋白，因此它們的抑制不會產(chǎn)生不良影響或者安全問題，這一點是開發(fā)HAD的前提條件。

       圖2. Camostat化學(xué)結(jié)構(gòu)

       卡莫司他（Camostat，圖2）是一種臨床階段的絲氨酸蛋白酶抑制劑，能夠阻斷 SARS-CoV-2 和流感病毒的病毒進入。[9] 與呼吸道病毒的發(fā)病機制有關(guān)的絲氨酸蛋白酶被歸類為胰蛋白酶樣蛋白酶（trypsin-like proteases），具有結(jié)構(gòu)上保守的活性位點。胰蛋白酶樣蛋白酶的這一特性可用于設(shè)計具有廣譜活性的抑制劑。[12] 盡管卡莫司他抑制了 SARS-CoV-2 的進入和復(fù)制，但它并沒有完全消除病毒復(fù)制，這可能反映了S 蛋白激活的方式有可能不是通過單一途徑實現(xiàn)的。

       除了TMPRSS2之外，宿主細胞的弗林蛋白酶（furin）也在病毒侵入宿主的過程中起到關(guān)鍵的切割作用，因此也可以提供開發(fā)HDAs的思路。弗林蛋白酶介導(dǎo)的切割可以作用于不同病毒家族的幾種病毒糖蛋白，包括 Borna-、Bunya-、Corona-、Filo-、Flavi-、Herpes-、Orthomyxo-、Paramyxo-、Pneumo-、Retro - 和 Toga 病毒。[13]

       2.誘導(dǎo)干擾素抗病毒[8]

       HDAs的開發(fā)也可以通過增強患者自身對病毒感染的免疫反應(yīng)來實現(xiàn)。這種策略不僅可以避免病毒耐藥性，而且為開發(fā)廣譜抗病毒藥物提供了可能。這是因為它們觸發(fā)了人體對任何病毒的自然防御，而無論病毒的身份、突變狀態(tài)或耐藥性如何。因此，這種針對宿主的抗病毒藥物作為廣譜抗病毒藥物具有最大的前景。

       干擾素（IFN，Interferons）是一類信號蛋白，由各種細胞類型分泌，協(xié)調(diào)人體的天然抗病毒反應(yīng)。干擾素家族中的I 型干擾素，作為先天免疫反應(yīng)的一部分組成人體抵御病毒的第一道防線，它包括多種 IFNα和 IFNβ亞型，以及四種 III 型 IFNλ 亞型。先天免疫（innate immunity）是人體對感染的一種本能反應(yīng)，對感染病原體而言是自發(fā)的和非特異性的。

       在受感染細胞內(nèi)，IFNβ 和 IFNα 亞型啟動即時強烈的反應(yīng)，來協(xié)調(diào)抗病毒反應(yīng)；與此同時，它們也啟動未感染細胞，以阻止病毒復(fù)制的途徑，產(chǎn)生針對病毒的抗體和T細胞的適應(yīng)性免疫反應(yīng)，并激活免疫調(diào)節(jié)途徑。由于 I 型干擾素受體在全身廣泛表達，因此它們可以保護許多不同類型的細胞免受病毒侵害。IFNβ 對大多數(shù)呼吸道病毒的反應(yīng)比 IFNα 更強。IFNλ 的作用類似，但其受體主要在上皮細胞上表達，因此限制了它對其它細胞的保護作用。

       IFNβ 和 IFNα 的注射劑已獲得 FDA 批準，用于治療復(fù)發(fā)緩解型多發(fā)性硬化癥 （MS，multiple sclerosis） 和人乳頭瘤病毒（HPV，human papillomavirus）、乙型肝炎病毒 (HBV，hepatitis B virus) 和丙型肝炎病毒 （HCV，hepatitis C virus）感染。由于IFNβ對呼吸道病毒的效力和對多種細胞類型的影響，IFNβ 作為治療劑可能比 IFNα 和 IFNλ 具有更大的開發(fā)潛力。

       3.細胞內(nèi)核苷酸耗盡以阻止病毒復(fù)制的策略

       病毒復(fù)制增加了可用核苷酸的細胞負擔(dān)，這個思路可以作為干擾病毒復(fù)制的機理。肌苷 5'-單磷酸脫氫酶（IMPDH）催化鳥嘌呤核苷酸（guanine nucleotides）生物合成中的一個重要步驟，即將 IMP（肌苷酸，Inosine monophosphate）轉(zhuǎn)化為黃苷單磷酸 (XMP，xanthosine monophosphate)。XMP 介導(dǎo)單磷酸鳥苷 (GMP，guanosine monophosphate）的形成，這是許多細胞過程的關(guān)鍵分子。抑制 IMPDH 會導(dǎo)致細胞內(nèi)鳥嘌呤核苷酸水平耗盡，從而限制病毒復(fù)制所需的 RNA 和 DNA 合成。

       圖3. IMPDH抑制劑阻斷單磷酸鳥苷GMP合成的過程

       IMPDH 抑制劑的例子有VX-497（圖4），它一種具有廣譜活性的非競爭性 IMPDH 抑制劑；[14] 還有利巴韋林（ribavirin，圖4），它是一種競爭性 IMPDH 抑制劑（所謂競爭性或非競爭性，指的是抑制劑是否與天然底物競爭性地結(jié)合受體的活性位點。如果是，那就屬于競爭性抑制劑；如果抑制劑通過結(jié)合其它位點抑制底物，那就屬于非競爭性抑制劑）。

       圖4. IMPDH抑制劑VX-497和Ribavirin化學(xué)結(jié)構(gòu)

       — 總結(jié) —

       在超過90種獲批的抗病毒藥物中，HIV 和 HCV 藥物占所有獲批藥物的三分之二 。[15] 抗病毒藥物以小分子為主，占批準的抗病毒藥物的 87%。盡管對宿主靶標(biāo)及其在抗病毒生命周期中的相關(guān)性進行了廣泛研究，但針對宿主蛋白的獲批抗病毒藥物（HDAs）的數(shù)量仍顯著滯后。所有批準的抗病毒藥物中只有約 10% 是針對宿主蛋白的，其中一半是干擾素相關(guān)的生物制劑。[16]

       抗病毒藥物的臨床開發(fā)和應(yīng)用，需要仔細考慮其假定的益處及其潛在的副作用。當(dāng)靶向宿主蛋白時，藥物相關(guān)不良事件（DAE，drug-related adverse events） 和毒性的話題幾乎是不可避免的。DAE 的來源包括化學(xué)相關(guān)毒性或途徑相關(guān)毒性。潛在藥物的化學(xué)毒性主要是不穩(wěn)定官能團導(dǎo)致的。

       另一方面，途徑相關(guān)毒性則是與藥物的生物活性相關(guān)的。直接作用抗病毒藥物（DAAs） 的一個優(yōu)勢在于它們攻擊的是病毒蛋白而不是宿主蛋白，從而減少理論上對脫靶效應(yīng)的擔(dān)憂。然而，即使使用 DAA，脫靶效應(yīng)也是不可避免的，因為已知的宿主蛋白有數(shù)萬種。

       對于宿主定向抗病毒藥物 HDA，安全性問題是一個核心考慮的內(nèi)容，因為應(yīng)避免靶向?qū)毎l(fā)育和體內(nèi)平衡很重要的蛋白質(zhì)或途徑。HCQ (羥氯喹, hydroxychloroquine) 在治療 COVID-19 過程中暴露出來的心臟毒性就有效地說明了這一點。[17] 在 HDA 的開發(fā)中，途徑相關(guān)毒性需要在藥物開發(fā)的臨床前和轉(zhuǎn)化階段進行更嚴格的研究。

       呼吸道病毒感染，例如由流感和冠狀病毒引起的感染，或由具有大流行潛力的登革熱或寨卡病毒引發(fā)的出血熱，都是可以在幾周內(nèi)消退的急性感染。因此，治療策略的特點是短期使用，允許更高的閾值來接受非致命的副作用。值得注意的是，F(xiàn)DA和數(shù)據(jù)安全監(jiān)測委員會在批準抗SARS-CoV-2藥物中奉行了這樣的風(fēng)險管理。

       SARS-CoV-2 大流行凸顯了抗病毒藥物庫中對 DAA 和 HDA 的需求，同時也暴露了我們在廣譜抗病毒藥物開發(fā)領(lǐng)域的缺陷。以史為鑒，廣譜抗病毒藥物的研發(fā)不可再次延誤。