如何批量快速筛选抗新冠病毒药物？
一个3D打印的新型冠状病毒。Credit: NIH
撰文 | 计永胜
责编 | 陈晓雪
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自2019年12月武汉新冠病毒肺炎疫情发生以来，关于抗新冠病毒COVID-19高效药物研发的新闻就一直没有间断。中药和西药，老药和新药，调节机体免疫的和抑制病毒复制的……各种报道不断进入人们视野。有没有一个平台可以批量检测药物的抗病毒效果呢？
最近，上海科技大学杨海涛、中国科学院上海药物研究所蒋华良和南开大学饶子和等研究人员合作开发出了一种新的药物筛选技术。该技术将蛋白质结构、计算机模拟和高通量筛选相结合，用于快速鉴定靶向COVID-19主要蛋白酶（Mpro），抑制病毒复制的化合物。目前，该论文已提交到预印本网站bioRxiv[1]。
据了解，Mpro在病毒整个生活周期中起着关键作用。其功能是将“体型巨大”的多蛋白（Polyprotein）精确切割成用于组装合成病毒的功能性蛋白[2]。也正是因为此，Mpro常被科研人员视作筛选抗病毒药物的靶向蛋白。
该团队先前通过计算机模型辅助的方法鉴定出一种可以抑制多种冠状病毒（包括SARS-CoV和MERS-CoV）Mpro蛋白活性的化合物N3[3]。在本研究中，科研人员运用相似的计算机模型分析发现，N3也是COVID-19病毒的不可逆抑制剂，作用十分明显。
随后，科研人员将N3与体外表达获得的新冠病毒Mpro蛋白共孵育，分析了Mpro/N3复合物的晶体结构。结果显示，新冠病毒Mpro/N3复合物以对称同源二聚体形式存在，包括两个不对称单体，每个单体含有一个完整的Mpro蛋白多肽和N3分子。Mpro蛋白多肽共有3个结构域，N3化合物结合区域位于1号结构域和2号结构域之间的“裂沟”。
图1. 新冠病毒Mpro/N3复合物的晶体结构。（图源：bioRxiv）
研究人员进一步用计算机模型筛选发现，血清素拮抗剂肉桂硫胺（Cinanserin）可以和新冠病毒Mpro的“裂沟”部位紧密结合，表明可以抑制新冠病毒Mpro蛋白活性，而有研究证明肉桂硫胺可以通过抑制Mpro降低SARS-CoV的体外复制水平[4]。
在本研究中，科研人员还建立了一种高通量的检测方法，通过荧光强度的变化判断药物对蛋白活性的抑制能力。运用该方法，课题组共检测了超10000种药物对新冠病毒Mpro的抑制能力，这些药物多已上市，或进入临床试验阶段，或为天然药物。最终，7种药物被用于后续的抗病毒检测。
其中，双硫仑（Disulfiram）和卡莫氟（Carmofur）是FDA已经批准的药物，依布硒（Ebselen）、TDZD-8、紫草素（shikonin）、Tideglusib和PX-12正在进行临床试验或临床前期研究。这七种药物对Mpro活性的半数抑制浓度（IC50）自0.48 μM到16.62 μM，依布硒对Mpro活性的抑制效果最为明显，IC50为0.48 μM。计算机模型预测结果也显示，这些药物的确能和新冠病毒Mpro的底物结合位点，也就是“裂沟”部位结合，在机制上支持药物的抗病毒效果。
图2. 7种药物对新冠病毒Mpro蛋白的抑制效果。（图源：bioRxiv）
后续的体外抗病毒实验显示，依布硒、TDZD-8和N3，均可以在10 μM浓度完全阻止新冠病毒的致细胞病变效应，显示出最为强效的抗病毒能力。
值得一提的是，作为一种有机硒类化合物，依布硒具有抗炎、抗氧化和细胞保护功能。多项研究已经表明该药物具有治疗多种疾病的效果，例如躁郁症和失聪，关于依布硒对人体的毒性作用也已经在多项临床试验进行了评估[5]。TDZD-8则是针对阿尔兹海默症研发的药物，并在动物实验取得了良好的效果。
图3.药物抗病毒检测实验。（图源：bioRxiv）
研究人员最后指出，位于冠状病毒Mpro蛋白1号结构域和2号结构域之间的底物结合区域具有高度的保守性，针对该区域的化学抑制剂，例如依布硒，可能具有广谱的抗冠状病毒效果。
图4. 12种冠状病毒Mpro的底物结合区域具有高度保守性。（图源：bioRxiv）
众所周知，细胞学实验可以用于筛选抗病毒药物，也比较直观，但细胞学实验方法很难做到高通量，并且在药物抗病毒机制的解释上比较困难。这篇文章的亮点是通过结构生物学找到化合物抑制冠状病毒Mpro蛋白活性的靶位点，运用体外Mpro与候选化合物抑制实验高通量筛选强效蛋白抑制剂，并通过计算机模拟检测化合物和靶位点的结合能力，三个方法相配合，互相印证支持，既有现象，又有机制，最终做到药物的快速筛选。
需要注意的是，虽然该研究建立了快速的药物筛选方法，但论文所获得的药物的抗病毒作用依然只停留在体外细胞实验水平，确切的治疗效果仍需要临床试验的评估。
参考文献：
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