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       廣譜抗病毒藥物開(kāi)發(fā)的大背景

       肆虐全球的Covid-19大爆發(fā)暴露了人類(lèi)公共衛生事業(yè)的巨大缺陷與漏洞。對于制藥組織來(lái)說(shuō)，及時(shí)開(kāi)發(fā)出有針對性的抗病毒藥物成為了這場(chǎng)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標準的速度實(shí)現，但全球仍然成為了病毒肆虐的歡場(chǎng)，而帶給人類(lèi)的卻是極其慘痛的損失，大量患者由于得不到及時(shí)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(chǎng)挑戰帶給人類(lèi)的反思已經(jīng)展開(kāi)，其中重要的一項在于廣譜抗病毒藥物（BSA, broad-spectrum antivirals）的開(kāi)發(fā)。

       我們知道，市場(chǎng)上有很多廣譜抗生素（broad-spectrum antibiotics）藥物。所謂廣譜抗生素，是同時(shí)作用于革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌這兩個(gè)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] 當懷疑細菌感染但細菌群未知（也稱(chēng)為經(jīng)驗性治療），或懷疑感染多組細菌時(shí)，通?？梢允褂眠@些廣譜抗生素藥物穩定病情。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(kāi)展，廣譜抗生素的作用在這種情形下就是無(wú)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(gè)例子是氨芐西林 （ampicillin，亦稱(chēng)氨芐青霉素，圖1）。Ampicillin是一種β-內酰胺類(lèi)抗生素，可治療多種細菌感染。[4] 適應癥包含呼吸道感染、泌尿道感染、腦膜炎、沙門(mén)氏菌感染癥，以及心內膜炎。

       除了ampicillin之外，常見(jiàn)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(lèi)（鏈霉素除外）、阿莫西林/克拉維酸 （Augmentin）、阿奇霉素、碳青霉烯類(lèi)（例如亞胺培南）、哌拉西林/他唑巴坦、喹諾酮類(lèi)藥物（例如環(huán)丙沙星）、四環(huán)素類(lèi)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(lèi)型。

       圖1. Ampicillin化學(xué)結構

       相對于廣譜抗生素的遍地開(kāi)花，廣譜抗病毒藥物BSA的開(kāi)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(gè)或多個(gè)病毒科的病毒）復制的藥物。BSA 通過(guò)抑制病毒蛋白（如聚合酶和蛋白酶），或通過(guò)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制過(guò)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(kāi)發(fā)階段，可有效對抗 78 種人類(lèi)病毒。[6] BSA 是治療新出現以及重新出現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(kāi)發(fā)的必要性與挑戰

       導致缺乏廣譜抗病毒藥物的一個(gè)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(kāi)發(fā)流感和呼吸道合胞病毒 (RSV，respiratory syncytial virus) 的常規檢測，是因為已知這些感染會(huì )導致全世界數以千計的患者住院，并且可以對他們進(jìn)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，或未被常規使用。

       這種遲滯導致了一種惡性循環(huán)：沒(méi)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(kāi)發(fā)動(dòng)力就不能被調動(dòng)起來(lái)。盡管檢測技術(shù)在不斷改進(jìn)，但檢測仍未廣泛開(kāi)展。即使進(jìn)行了檢測，許多病毒病原體也無(wú)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(méi)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(lèi)的冠狀病毒，但人類(lèi)在挑戰面前快速應對的表現仍然不夠合格。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(gè)快速的標準這里尤為重要）的抗病毒藥物用于治療和預防。

       然而，鑒于藥物開(kāi)發(fā)從靶標發(fā)現到批準，平均需要 12 年的時(shí)間，期望在短時(shí)間內開(kāi)發(fā)出安全且具有選擇性的抗病毒藥物是不切實(shí)際的。試想如果存在合理開(kāi)發(fā)，效果明顯的廣譜抗病毒藥物，它們就有可能改變全球對 SARS-CoV-2 的反應，并顯著(zhù)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(lái)看到這場(chǎng)COVID-19疫情，它至少促使人們在開(kāi)發(fā)廣譜抗病毒藥物的方面進(jìn)行反思與改進(jìn)，這一點(diǎn)可以從兩個(gè)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(gè)“良性循環(huán)”：我們測試的越多，我們發(fā)現的導致嚴重疾病的病毒就越多，我們就越認識到需要開(kāi)發(fā)新的治療策略來(lái)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(lèi)動(dòng)物宿主傳播，有時(shí)通過(guò)中間宿主傳播。

       這意味著(zhù)它們對人類(lèi)健康構成嚴重威脅，特別是當病毒（如 SARS-CoV-2）非常適合人際傳播的情況下，因為人類(lèi)宿主對這些新出現的病原體缺乏特異性免疫力。在這種困局面前，開(kāi)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。

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       廣譜抗病毒藥物開(kāi)發(fā)思路[9]

       大多數批準的抗病毒藥物以病毒蛋白為靶點(diǎn)，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(chēng)main protease，簡(jiǎn)寫(xiě)為3CLPro或MPro）。從歷史上看，抗病毒藥物開(kāi)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(kāi)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(lái)執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(kāi)發(fā)“宿主定向抗病毒藥物 ”（HDAs，host-directed antiviral agents）的目標。由于來(lái)自一個(gè)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(gè)關(guān)鍵特征是它們的開(kāi)發(fā)可以在病毒病原體爆發(fā)之前進(jìn)行。近年來(lái)，有十幾種人畜共患病毒引起了致命的人類(lèi)疾病，并且仍可能將是未來(lái)爆發(fā)的潛在來(lái)源，這一事實(shí)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(lài)宿主蛋白酶來(lái)激活它們的進(jìn)入因子（entry factor），從而促進(jìn)膜融合和進(jìn)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)育和體內平衡是可有可無(wú)的，因此可能構成一個(gè)有吸引力的治療靶點(diǎn)。[11] 需要注意的是，那些被HDA靶向的宿主蛋白，應該是那些對宿主細胞本身不構成關(guān)鍵作用的蛋白，因此它們的抑制不會(huì )產(chǎn)生不良影響或者安全問(wèn)題，這一點(diǎn)是開(kāi)發(fā)HAD的前提條件。

       圖2. Camostat化學(xué)結構

       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(jìn)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(lèi)為胰蛋白酶樣蛋白酶（trypsin-like proteases），具有結構上保守的活性位點(diǎn)。胰蛋白酶樣蛋白酶的這一特性可用于設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(jìn)入和復制，但它并沒(méi)有完全消除病毒復制，這可能反映了S 蛋白激活的方式有可能不是通過(guò)單一途徑實(shí)現的。

       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(guò)程中起到關(guān)鍵的切割作用，因此也可以提供開(kāi)發(fā)HDAs的思路。弗林蛋白酶介導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.誘導干擾素抗病毒[8]

       HDAs的開(kāi)發(fā)也可以通過(guò)增強患者自身對病毒感染的免疫反應來(lái)實(shí)現。這種策略不僅可以避免病毒耐藥性，而且為開(kāi)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(wú)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(lèi)信號蛋白，由各種細胞類(lèi)型分泌，協(xié)調人體的天然抗病毒反應。干擾素家族中的I 型干擾素，作為先天免疫反應的一部分組成人體抵御病毒的第一道防線(xiàn)，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，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，IFNβ 和 IFNα 亞型啟動(dòng)即時(shí)強烈的反應，來(lái)協(xié)調抗病毒反應；與此同時(shí)，它們也啟動(dòng)未感染細胞，以阻止病毒復制的途徑，產(chǎn)生針對病毒的抗體和T細胞的適應性免疫反應，并激活免疫調節途徑。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(lèi)型的細胞免受病毒侵害。IFNβ 對大多數呼吸道病毒的反應比 IFNα 更強。IFNλ 的作用類(lèi)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(lèi)型的影響，IFNβ 作為治療劑可能比 IFNα 和 IFNλ 具有更大的開(kāi)發(fā)潛力。

       3.細胞內核苷酸耗盡以阻止病毒復制的策略

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

       圖3. IMPDH抑制劑阻斷單磷酸鳥(niǎo)苷GMP合成的過(guò)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合受體的活性位點(diǎn)。如果是，那就屬于競爭性抑制劑；如果抑制劑通過(guò)結合其它位點(diǎn)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)結構

       — 總結 —

       在超過(guò)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%。盡管對宿主靶標及其在抗病毒生命周期中的相關(guān)性進(jìn)行了廣泛研究，但針對宿主蛋白的獲批抗病毒藥物（HDAs）的數量仍顯著(zhù)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(kāi)發(fā)和應用，需要仔細考慮其假定的益處及其潛在的副作用。當靶向宿主蛋白時(shí)，藥物相關(guān)不良事件（DAE，drug-related adverse events） 和毒性的話(huà)題幾乎是不可避免的。DAE 的來(lái)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)毒性主要是不穩定官能團導致的。

       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(gè)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的擔憂(yōu)。然而，即使使用 DAA，脫靶效應也是不可避免的，因為已知的宿主蛋白有數萬(wàn)種。

       對于宿主定向抗病毒藥物 HDA，安全性問(wèn)題是一個(gè)核心考慮的內容，因為應避免靶向對細胞發(fā)育和體內平衡很重要的蛋白質(zhì)或途徑。HCQ (羥氯喹, hydroxychloroquine) 在治療 COVID-19 過(guò)程中暴露出來(lái)的心臟毒性就有效地說(shuō)明了這一點(diǎn)。[17] 在 HDA 的開(kāi)發(fā)中，途徑相關(guān)毒性需要在藥物開(kāi)發(fā)的臨床前和轉化階段進(jìn)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，都是可以在幾周內消退的急性感染。因此，治療策略的特點(diǎn)是短期使用，允許更高的閾值來(lái)接受非致命的副作用。值得注意的是，FDA和數據安全監測委員會(huì )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(shí)也暴露了我們在廣譜抗病毒藥物開(kāi)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。