核苷类抗病毒药物的糖基修饰

前言

采用核苷类似物作为抗病毒药物最早可追溯至上个世纪60年代，碘苷是第一个批准的核苷类抗病毒药，用于治疗疱疹病毒引起的角膜炎。随后曲氟尿苷也被开发出来，至此，核苷类抗病毒药物开始登上历史舞台，并发挥了重要作用。早期的核苷类抗病毒药物选择性差，毒性比较大，所以只能作为局部用药，直到阿昔洛韦的出现，它是第一个可以口服的高选择性核苷类抗病毒药物。

如今，经过了近半个世纪的发展，核苷类抗病毒药物已经成为现代医药中极为重要的组成部分，市面上流通的抗病毒药物有近一半都属于核苷类似物。索非布韦、替诺福韦等新型抗病毒药物，在选择性、治疗效果以及安全性等方面都大大提高，为公众的健康做出了重要贡献。

作用机制

图一 病毒感染历程

病毒感染可分为五个阶段：①吸附；②在融合或胞吞作用下进入细胞内部；③脱衣壳；④遗传物质的复制和表达；⑤组装和病毒粒子的释放(图一)。核苷类似物主要作用于第四个阶段，即抑制病毒遗传物质的复制或表达。作为天然核苷的类似物，其作用原理可分为两种，第一：与病毒DNA或RNA聚合酶的结合力更强，使得聚合酶“中毒”，即聚合酶抑制剂；第二种：可以被聚合酶识别并编入核酸中，但是由于特殊的结构，阻止下一个核苷酸的连接，即链终止剂。

图二 核苷的组成

天然的核苷由两部分组成：糖基部分和碱基部分(图二)。RNA中含D-核糖，即2位R为羟基，DNA中为脱氧核糖，即2位R为氢原子。碱基有五种，其中RNA中含有A、G、U、C四种，而DNA中含有A、G、T、C四种。嘧啶1位与核糖1位通过β1-N1苷键相连，而嘌呤则是碱基9位与核糖1位以β1-N9苷键连接。核苷五位羟甲基与磷酸结合后得到的核苷酸，是核酸的基本组成单位。核苷酸通过3', 5'—磷酸二酯键相互连接延伸，构成核酸的一级结构。

图三 DNA/RNA的生物合成途径

单磷酸核苷并不是生物体内DNA/RNA聚合酶的底物，只有三磷酸化后的核苷才能参与到酶促反应中，而且核苷在细胞内的磷酸化是分步进行的。通常生物体内都会存在一整套完整的磷酸化酶，称之为核苷激酶，部分病毒也会编码自己的核苷激酶，如疱疹病毒等。由于三磷酸化后的核苷类似物也可以与宿主细胞的DNA/RNA聚合酶作用，因此也会影响到宿主细胞的遗传物质复制和表达，造成毒性，这也是早期核苷类抗病毒药物存在严重副作用的原因。

核苷类抗病毒药物设计最大的问题在于选择性。某些活性很好的化合物，可同时会对宿主细胞造成毒性，如早期的碘苷。此外，由于核苷的极性基团较多，在生物利用度和透膜效应上与其他类型的抗病毒药物相比较差。最后，因为只有三磷酸化后的核苷类似物才是聚合酶的活性底物，所以核苷类似物必须要能够同时被核苷激酶和聚合酶识别，才能发挥效用。虽然有以上的诸多难点，但是仍然有不少优异的核苷类药物被开发出来，如拉米夫定、替诺福韦等，这些核苷类似物临床应用中取得了极大的成功。

设计原理

核苷类似物的设计可以采用以下策略：①对糖基部分进行修饰；②对碱基部分进行修饰；③糖基和碱基部分同时进行修饰。目前已上市的核苷类药物中，大多数化合物都对糖基部分进行了修饰，在进行这些修饰的时候，药物化学家们发现了一些很有意思的规律，尤其是在选择性方面，以下主要对糖基修饰策略做一简介。

①3位脱氧修饰

图四 3位脱氧修饰

3位脱氧策略是核苷类药物开发非常重要的一个方面。众所周知，核酸是由3’-5’—磷酸二酯键相互连接，而5’端的羟基必须保留，因为只有5’端三磷酸化后的核苷类似物才是聚合酶的活性底物，去除3位羟基的核苷酸被编入DNA/RNA序列后，由于3位羟基的缺失，会终止链的延长，起到“链终止”的作用。常见的3位修饰方式如烯糖、卤代、叠氮取代等(图四)，依据这一策略开发的药物大多集中在抗HIV治疗领域。

②杂环化修饰

图五 杂环化修饰

核苷糖基部分的杂环化修饰也是常见的一种设计策略(图五)，通过在糖环上引入杂原子，如硫、氮、硒等，一方面可以修饰糖环的构象，另外还可以改善药物的代谢特征，目前已开发上市的杂环类抗病毒药物如拉米夫定(抗乙肝以及HIV)、恩曲他滨(抗HIV)，处于临床研究阶段的如BCX4430(用于线状病毒感染的治疗，如埃博拉病毒、寨卡病毒、马堡病毒)。呋喃环的杂原子化主要设计思路来自于经典的生物电子等排体，如将氧原子用NH、CH2等进行替换，得到新的效果更佳的化合物。

③开环及缩环设计策略

图六

将糖基中的呋喃环改变成三元环或者四元环，甚至完全打开成直链状，得到了一系列很有意思的化合物，如四元环的洛布卡韦(抗乙肝病毒)，三元环的Synadenol (HIV、HBV均显示有中等活性)。而其中开环化设计思路获得了巨大的成功，已有多个药物上市，在临床应用中展现出了非常好的效果，阿昔洛韦是第一个成功应用开环策略的选择性抗疱疹病毒药物，后续的干昔洛韦、喷昔洛韦也取得了成功，近年来获批的阿德福韦以及替诺福韦为乙肝治疗提供了新的治疗选择。

④L构型核苷思路

图七 L-核苷类似物

通常，天然存在的手性是生物效果最佳的，这也导致了药物化学家在开发新药时，往往会忽略对非天然异构体的测试和评价，在对抗HIV药物的开发中，研究者发现L构型的核苷类似物表现出优异的选择性和活性，如今这一发现已被广泛应用于新型抗病毒药物的设计中，如经典的乙肝药物拉米夫定(图七)，其D构型的选择性和活性要比L构型(拉米夫定)差很多。

分析核酸的生物合成历程以及结合药物化学研究可以发现，核苷类似物的生物活性极大地取决于糖基1位相连的碱基，4位羟甲基的三磷酸化则是活性的先决条件，因此，1位和4位的立体化学至关重要，决定了核苷是否能被核苷激酶以及聚合酶识别。对于双脱氧核苷类似物来讲，D构型和L构型在空间结构上的差异不大，因此两者都能被酶所识别，活性相当，当核苷上被引入更多的手性时，底物和酶的相互作用变得更加复杂，因此D型和L型核苷活性差异会更加明显，有利于实现选择性，降低副作用。

除了采用L构型的设计思路外，糖基2位的修饰，也是非常重要的一个方向。通过改变2位羟基的立体构型或用非羟基取代，使化合物对病毒聚合酶具有更高的活性或仅能被病毒聚合酶识别，达到选择性抑制病毒核酸复制或表达的目的，这一设计思路在很多核苷类抗病毒药物中都有体现，如cytarabine、vidarabine等。

结语

本文主要从糖基修饰方面简要介绍了核苷类抗病药物设计的一些常见策略，2位脱氧、杂环化、缩环、开环、立体化学修饰等方法，通过综合应用这些策略，设计出具有高活性、高选择性的化合物，最大程度的减少副作用。虽然目前已有很多类型的抗病毒药物出现，如吸附抑制剂、非核苷类聚合酶抑制剂、单抗等，但核苷类似物在抗病毒药物领域仍然占据着重要的地位，新型核苷类抗病毒药物的开发仍然具有广阔的前景！

参考文献：

1.AntiviralNucleosides - 1st Edition；

2.HerdewijnP. Structural requirements for antiviral activity in nucleosides[J]. DrugDiscovery Today, 1997, 2(6):235-242；

3.Clercq ED. Milestones in the discovery of antiviral agents: nucleosides andnucleotides[J]. Acta Pharmaceutica Sinica B, 2012, 2(6):535-548；

4.Mackman RL, Cihlar T. Prodrug Strategies in the Design of Nucleoside and NucleotideAntiviral Therapeutics[J]. Annual Reports in Medicinal Chemistry, 2004,39(04):305-321；

声明：

本文由药渡头条投稿作者撰写，观点仅代表作者本人，不代表药渡头条立场，欢迎交流补充。联系方式：010-82826195 转8048

如需转载，请务必注明文章作者和来源

投稿详情请点击“9-10月 | 王牌写手获奖名单”