留胡子的豆腐

V1

2022/02/14阅读:273主题:萌绿

综述|新冠中和抗体和小分子药物的类别和作用机制

在2020年SARS-Cov-2病毒引发的新冠疫情爆发初期,研究人员最初认为SARS-Cov-2病毒基因组多样性的进化速度是缓慢的。但是,新冠疫情一年半以后,世界各地开始不断出现SARS-Cov-2病毒突变株。这些突变对于SARS-Cov-2病毒来说是无害或者有轻微益处的,例如突变导致的传播力和毒力以及免疫逃脱能力的增强。第一个发现的SARS-Cov-2病毒基因组突变是Spike蛋白D614G,此突变导致病毒更加高效的传播,使得该突变株很快成为世界范围内的主要感染株。目前已经鉴定的突变株有5种,分别是Alpha, Beta, Gamma, Delta , Omicron,它们都拥有各自典型的突变位点。总体来看,Spike蛋白尤其容易积累突变,此外这些突变株还有一些有利于宿主免疫逃脱相关的突变。

新冠突变株Spike蛋白突变位点
新冠突变株Spike蛋白突变位点

目前许多疫苗的研发都是基于Spike蛋白,此类疫苗的人群接种计划也被全速推进。然而,不管是真实世界还是血清学试验数据都表明Omicron 既可以逃脱已接种疫苗宿主的免疫,可以逃脱以前感染宿主的免疫。面对传播能力和免疫逃脱能力不断得到提升的突变株,已有疫苗在抵抗病毒变异株侵袭时所能发挥的作用正在不断被削弱。魔高一尺,道高一丈。一旦病毒突破人体免疫系统,我们必须还得有其他的杀手锏遏止病毒在体内的繁殖。幸运的是,研究人员已经研发出几种已经批准上市或者处于临床研究的抗病毒药物。

抗病药物可以分为两大类:靶向S蛋白的中和抗体和干扰病毒复制的小分子药物。

新冠中和抗体药物

新冠中和抗体(monoclonal antibodies ,mAbs)抗病毒机制

由于高度的特异性和可靠性,能够中和SARS-Cov-2突变株的人源化单克隆抗体成为一种非常有吸引力的新冠治疗手段,这些抗体的主要靶标是SARS-Cov-2病毒 Spike 蛋白的 Receptor-binding domain (RBD) 或者 N-terminal domain (NTD)。Spike蛋白由一个3个相同的单体构成,其单体由S1亚基和S2亚基组成,能够与人体表皮细胞上的ACE2受体结合,介导病毒与宿主细胞的膜融合和进入。S1亚基结构域包括NTD和RBD,S2亚基结构域包括FP(fusion peptide),HR1( heptad repeats),HR2,TM(transmembrane domain ),CP(cytoplasmic tail )。RBD特异性的单抗能够结合Spike蛋白上RBD结构域里的RBM基序(receptor-binding motif)。RBM负责病毒与宿主细胞ACE2的初步结合,起始病毒进入细胞。RBD特异性单抗可以阻断RBM—ACE2的相互作用,是ACE2的阻断剂。

新冠Spike蛋白结构
新冠Spike蛋白结构

图片引用:Thomas Splettstoesser; www.scistyle.com

Spike蛋白在宿主细胞内存在不同的构象,这些构象根据RBD的位置(向上或者向下)来命名。根据单抗所结合的不同构象的RBD,可以将其划分为4种(I, II, III, and IV)。class I NAbs 只能够“向上”的RBD,class II NAbs 或者class III NAbs可以识别"向上或者向下"的RBDs,class IV NAbs可以结合RBD的保守区域(core I region)或者“向上”的RBD(core II region)。Class IV core I region-dependent NAbs具有非常光谱的抵抗SARS-Cov-2原始株,突变株,以及其他相关冠状病毒的活性。

Spike蛋白结构,构象,依赖于RBD的单抗药物
Spike蛋白结构,构象,依赖于RBD的单抗药物

新冠中和抗体研发现状

2021年12月8号,阿斯利康(AstraZeneca)宣布其长效新冠病毒中和抗体Evusheld(AZD7442)获美国FDA紧急使用授权(EUA)。Evusheld是两种长效单克隆抗体的组合,是美国唯一授权用于暴露前预防新冠肺炎的抗体疗法,也是唯一通过肌肉注射的新冠肺炎抗体(150mg tixagevimab和150mg cilgavimab)

就在同一天晚上,我国首个具有自主知识产权的新冠中和抗体联合治疗药物获得药监局的应急批准,由腾盛华创医药技术(北京)有限公司开发,由安巴韦单抗注射液(BRII-196)和罗米司韦单抗注射液(BRII-198)组成。

中和抗体由于生产成本过高,并不太具备普及推广的条件,只能适用于一些特定的场景特殊的人群,比如一群免疫力低下的人群,有基础病的老年人,或者是突破性感染,或者是暴露前的预防性治疗等。更加重要的是,当前大多数中和抗体药物对Omicron突变株不敏感,很难展现出好的临床效果。

新冠中和抗体研发现状
新冠中和抗体研发现状

新冠小分子药物

1.RNA聚合酶抑制剂

在各种RNA病毒基因中,唯一个共有的基因产物就是RNA-dependent-polymerase(RdRp)。此外,人体的RNA聚合酶不具有依赖RNA模板的RNA聚合酶活性,也就避免了靶向病毒RdRp的小分子药物干扰宿主细胞的正常生理反应。因此RdRp成为一个理想的抗病毒药物靶点。

SARS-Cov-2 RdRp 抑制剂作为NTP的竞争性底物,在病毒RNA聚合酶的作用下,插入到病毒RNA序列中。一般来说,通过测试核苷酸类似物抑制剂,可以寻找RdRp抑制剂。但是,由于不同RNA病毒的RdRp结构有着显著的不同,因此很多研究表明,能够抑制其他病毒的已有抗病毒药物对SARS-Cov-2 并没有什么抑制效果。

从另外一个角度来看,相比于DNA病毒,RNA病毒聚合酶有相对较高的聚合出错率,而且缺乏校对功能(proofreading capability)。高频的出错率会给病毒基因组每一轮的复制带来许多突变,这些病毒基因组的多变性,反过来却提升病毒的适应能力。但是,也有特殊的情况发生,冠状病毒拥有具有校正功能的3'-5'外切酶(NSP14 ),用于保证病毒基因组的低错误率和高复制保真性。NSP14尤其重要,因为要使核苷类似物与病毒基因组有效结合,就需要躲避NSP14的校正机制。冠状病毒独特的外切酶活性也给抗病毒药物的研发带来了挑战。

小分子药物在新冠病毒生命周期中的靶标选择
小分子药物在新冠病毒生命周期中的靶标选择

Molnupiravir-诱发高频突变

2021年9月,Kabinger等人在Nat Struct Mol Biol 发表文章:Mechanism of molnupiravir-induced SARS-CoV-2 mutagenesis,发现Molnupiravir导致SARS-Cov-2 RNA产物发生高频突变的机制。Molnupiravir的活性形式是NHC triphosphate (‘MTP’)。SARS-Cov-2病毒RdRp可以把NHC当作底物,替代三磷酸胞嘧啶核苷酸或者三磷酸尿嘧啶核苷酸。接着,当SARS-Cov-2病毒RdRp以混入MTP的RNA作为模板时,RNA模板序列里NHC会介导G或者A插入模板与其发生配对,从而产生高度突变的RNA产物,无法形成有功能的病毒颗粒。非常幸运的是,NHC能够逃脱SARS-Cov-2 外切酶的校正作用而不被切除。

Molnupiravir作用机制
Molnupiravir作用机制

Molnupiravir由美国Merck公司联合其他公司开发,早期临床数据显示,Molnupiravir可以将新冠住院人数和死亡人数降低50%,而且给药组没有出现病人的死亡。2021年11月4号,英国药监局批准全球首款新冠口服药物Molnupiravir应用于特定人群。

Molnupiravir临床数据
Molnupiravir临床数据

AT-527-链终止

AT-527是由美国Atea公司利用其特有的嘌呤核苷酸前体药物平台研发,在2021年10月9号,该公司发布临床2期数据,未能实现预期结果。

2022年2月,Ashleigh Shannon等人在Natrue Communications发表文章:A dual mechanism of action of AT-527 against SARS-CoV-2 polymerase,该文章发现AT527具有两个靶点,在RdRp 和NiRAN活性位点具有双重抑制作用,说明其是非常有潜力的抗 SARS-CoV-2的小分子药物,可以极大地避免产生耐药性。AT527进入细胞的活性形式是AT-9010,能够抑制SARS-CoV-2 replicase/transcriptase 复合物的两种独立的活性。第一种,在RdRp活性位点,AT-9010插入到RNA产物链3'末端,其经过化学修饰的核糖会阻止NTP的进入,第二个AT-9010会造成RNA合成的快速终止。第二种,与天然NTP形成竞争,AT-9010结合到N-terminal domain of nsp12 (NiRAN)活性位点里,充当nsp8和nsp9 NMPylation 抑制剂,抑制NiRAN的核苷酸转移酶活性。nsp12是一个高度保守的基因,不会随着突变和变异株的出现发生改变。

AT-527拥有双重靶标,抑制病毒复制
AT-527拥有双重靶标,抑制病毒复制

2. 蛋白酶抑制剂

SARS-CoV-2病毒基因组包含许多结构蛋白(例如Spike蛋白)、非结构蛋白(例如3-胰凝乳蛋白酶样蛋白酶(3CL或主要蛋白酶Mpro)、木瓜蛋白酶样蛋白酶 (PLpro)、解旋酶和 RNA依赖性RNA聚合酶)和辅助蛋白。SARS-Cov-2病毒可以编码两条多肽,接着两种病毒蛋白酶,PLpro和Mpro,可以对这两条多肽加工处理,催化他们自身以及其他非结构蛋白的释放,构建病毒复制转录复合物。这使得Mpro成为非常有吸引力的药物靶点。此外,在不同的冠状病毒中,Mpro在结构上具有高度的保守性,在人体中也不具有其同源物,这为设计靶向Mpro的新冠蛋白酶抑制剂提供非常有利的条件。

PF-07321332/PAXLOVID

PF-07321332,它是一种共价抑制剂,可直接与蛋白酶的半胱氨酸催化残基(Cys145)结合,这款药物能够研发成功还是要归功于辉瑞在药物研发领域多年来的沉淀积累。在2003年SARS爆发的时候,辉瑞就开发了针对SARS病毒蛋白酶的药物PF-00835231,但是由于SARS疫情的迅速消散,该药物并没有进行后续的临床研究,一度被搁置起来。新冠爆发后,辉瑞决定开发靶向SARS-Cov-2病毒的蛋白酶抑制剂,于是重新捡起了PF-00835231。但是,由于PF-00835231是一个多肽类的小分子药物,表明富含氢键,具有极性,无法通过口服被肠道吸收。因此辉瑞研发团队经过一系列复杂的化学修饰,合成了一系列派生的化合物,最终挑选出PF-07321332,并且与HIV抗病毒药物力托那韦结合联合使用,两者的联合制剂称为PAXLOVID。力托那韦虽然没有抗新冠病毒活性,但是可以与肝药酶结合,防止PF-07321332被肝脏代谢而丢失活性。

2021年11月,辉瑞公司宣布了2/3期试验的结果符合预期。结果显示,在症状发生后的三天内进行治疗,PAXLOVID可将住院率降低89%。该药于2021年12月22日获美国食品药品监督管理局批准作紧急使用。就在前几天,2022年2月11日获中国国家药品监督管理局应急附件批准进口使用。

新冠小分子药物研发现状
新冠小分子药物研发现状

总结

我们最终要彻底击败新冠,既要在人群中建立起强大的免疫屏障,也要具备抑制病毒在体内复制的能力。由于mRNA技术的出现,使得疫苗研发速度和产能扩增取得重大突破,在短时间内,快速研发出针对变异株的mRNA疫苗。mRNA技术提供了一个容易上车的机会,资本大量涌入赛道,催生国内众多的mRNA新创公司,大家看准的都是弯道超车的机会。从上面总结的新冠抗病毒药物的研发可以看出,中和抗体,尤其是小分子药物的研发不是朝夕之间就可以做到的事情,需要长时间的技术积累和研发底蕴,只有药物研发行业的老牌药企才有机会去竞争攻克。要真正解决新冠病毒带给我们的威胁,必须研发出广谱高效的抗病毒药物,这条路不好走,困难重重,需要真正耐得住寂寞,愿意花费时间去钻研的人。

参考文献:

1.Monoclonal antibodies for COVID-19 therapy and SARS-CoV-2 detection

2.Current status of therapeutic monoclonal antibodies against SARS-CoV-2

3.新冠疫苗,中和抗体,小分子口服药是抗疫有效组合,西南证券研究中心

4.Mechanism of molnupiravir-induced SARS-CoV-2 mutagenesis

5.A dual mechanism of action of AT-527 against SARS-CoV-2 polymerase

6.https://zh.wikipedia.org/wiki/PF-07321332

7.Remdesivir, Molnupiravir and Nirmatrelvir remain active against SARS-CoV-2 Omicron and other variants of concern

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