新型冠狀病毒(COVID-19)精準藥物設計
——基于病毒感染人體細胞進程的初步探討

王敬章，張瑞英，白 凈，張玉華，張向陽，劉 睿

(1. 河北工程大學 醫(yī)學院，河北 邯鄲 056038；2. 河北工程大學 附屬醫(yī)院，河北 邯鄲056002；3. 河北工程大學 圖書館，河北 邯鄲 056038)

在過去20年間，冠狀病毒SARS和MERS引起的非典型肺炎和中東呼吸綜合征給人們健康帶來了嚴重威脅。2020年初春，一場突如其來的新型冠狀病毒肺炎疫情席卷而來，直接影響人民生命安全和身體健康。2020年2月11日，世衛(wèi)組織將之命名為Corona Virus Disease 2019，簡稱COVID-19。簡言之，COVID-19是新型冠狀病毒，可引起患者嚴重呼吸障礙，并導致多臟器衰竭甚至死亡[1]。目前，學術界對于COVID-19的研究十分匱乏，尚無療效確切的精準治療藥物。

筆者近幾年來進行過一些病毒學研究[2-3]，認識到病毒入侵人體過程的一些相似之處。本文將依據病毒感染細胞的一般過程，淺析COVID-19精準藥物設計的主要技術思路。

1 COVID-19精準藥物設計的基本前提

目前對于COVID-19的研究，至少三個方面取得重要成果：第一，在流行病學方面，認識到COVID-19引起的典型臨床癥狀包括發(fā)燒、干咳、呼吸困難、頭痛、肺炎等，肺泡損傷可導致呼吸衰竭甚至死亡，并逐步闡明COVID-19的流行趨勢、人際傳播規(guī)律、傳播途徑等[1, 4-7]；第二，在病毒形態(tài)方面，獲取了COVID-19高清電子顯微圖片，確認其冠狀病毒特性，認識了COVID-19與以往病毒的相似和差別之處[6-7]；第三，在病毒基因分析方面，利用pan-CoV聚合酶鏈反應(PCR)和基因測序技術準確識別了COVID-19的“核酸序列”(GISAID編號EPI_ISL_402124)，并開發(fā)出基于spike基因受體結合域的qPCR檢測方法[4, 7-9]。

不過，上述成果的臨床應用一般局限于檢測COVID-19病毒和確診患者，并不能直接作為治療手段殺滅病毒或治療患者。在此基礎上，新的COVID-19治療藥物可以嘗試抑制“病毒核酸序列”的最終產物——即病毒的各種蛋白質，未來此類抑制COVID-19特定蛋白質的藥物可統(tǒng)稱為COVID-19精準治療藥物。

2 以“病毒感染細胞進程”為線索的COVID-19精準藥物設計思路

鑒于COVID-19與SARS-CoV、MERS-CoV、HIV-1等病毒的結構、性質及感染過程類似之處，本文參照相關抗病毒藥物的研究，為基于細胞感染進程的COVID-19精準治療藥物設計提供一些研究思路，聚焦細胞受體結合、細胞入侵、病毒脫殼、RNA轉錄或逆轉錄、蛋白質翻譯、新病毒組裝等關鍵環(huán)節(jié)，研判COVID-19精準藥物的設計方向。

2.1 開發(fā)適合COVID-19的廣譜抗病毒藥物

廣譜抗病毒藥物意指該藥物可對多種現有病毒和新病毒起到抑制效果[10-11]。然而，病毒結構過于簡單，僅具有核糖核酸(RNA)或脫氧核糖核酸(DNA)的核心結構和蛋白質外殼結構，因此病毒本身可供攻擊的靶點分子非常少，這給抗病毒藥物研發(fā)造成了困難。再者，病毒的基因序列變異性強，導致各種病毒結構功能差異較大，因此很難獲得對抗所有病毒的藥物分子。

目前較公認的廣譜抗病毒藥如利巴韋林、干擾素等，具有阻礙病毒核酸和蛋白合成、抑制病毒生長、調節(jié)人體免疫力等作用，它們能否對COVID-19起到抑制效果需要詳細的臨床療效確認。最近，一些基于Benzoxazine、Labyrinthopeptin、DABMA以及天然產物的小分子化合物顯示出較強的廣泛抗病毒活性，期待它們能成為抗COVID-19精準藥物的候選分子[10-13]。另外，必須充分認識COVID-19與其它病毒結構、功能的相似之處，才可能開發(fā)出某些新的廣譜抗病毒藥物，并取得較好的臨床治療效果。

2.2 COVID-19弱毒株制備疫苗——預防病毒入侵人體

疫苗在全面防控COVID-19疫情過程中將起到重要作用。典型的疫苗制備原理是將減毒處理的病毒部分成分注射于人體，使人體獲得免疫記憶，增強未來對病毒的免疫識別力。目前COVID-19疫苗正在研發(fā)中，多家單位已獲得毒性較弱COVID-19病毒，但疫苗研發(fā)需要病毒滅活處理、細胞實驗、動物實驗、人體測試、申報審批等多個環(huán)節(jié)，一般需要幾年時間才能完成。目前疫情急需的情況下，有望大大加快審批和生產步伐。據了解，李蘭娟院士、陳薇院士等研究團隊制備若干適合做疫苗的COVID-19毒株或腺病毒載體疫苗，國外科研院所也投入巨資推動COVID-19疫苗研發(fā)，多個國家、地區(qū)和企業(yè)的通力合作有望大力推動COVID-19的疫苗研發(fā)進程。

2.3 COVID-19痊愈患者的血清抗體——早期疫苗替代物

接種疫苗的主要目的是為了讓人產生針對COVID-19的血清“中和抗體”，在人體遇到病毒時起免疫防御作用。為了快速緩解當前治療壓力，臨床正在嘗試利用COVID-19患者康復后捐獻的血漿制備成抗病毒生物制品，其中包含大量的COVID-19中和抗體，注射到重癥患者體內可誘導強烈的免疫反應，加快病毒清除速度，其臨床療效理論上與注射疫苗后所產生抗體效力相當，目前正在做初步臨床觀察。在療效更加確切的精準藥物獲批之前，痊愈患者的血清抗體將為危重患者提供新的治愈希望。

2.4 靶向COVID-19表面蛋白的單克隆抗體——特異阻斷病毒進入人體細胞

通過對比冠狀病毒分類的7個保守復制酶結構域，COVID-19與SARS-CoV有較高的相似度，意味著二者在毒性機理和預防治療方面存在共通之處[7, 14]。經過對COVID-19的保守蛋白序列分析表明，COVID-19屬于嚴重急性呼吸綜合征相關的冠狀病毒(SARSr-CoV)，并與SARS-CoV一樣均利用血管緊張素轉換酶ACE2受體進入人體細胞[7]。一個關鍵之處在于，冠狀病毒表面的Spike蛋白可與人體細胞受體ACE2結合，在病毒識別并吸附人體細胞表面、穿過細胞膜進入細胞的過程中起重要作用，因此Spike蛋白經常成為抗病毒藥物研發(fā)的靶標分子[4, 8, 14-16]。預測利用免疫學技術設計針對COVID-19表面分子如Spike蛋白的中和抗體，或者利用基因工程、蛋白質工程技術生產適合的ACE2片段多肽，有可能特異結合Spike等蛋白并封閉其與細胞受體結合活性，阻斷它們通過ACE2受體感染人體細胞的入侵途徑，從而降低COVID-19病毒的人群傳播[5, 8, 14, 17]。在這些情況下，即使少量COVID-19病毒進入人類呼吸道，但由于病毒表面分子已經被抗體藥物阻遏，就無法再結合人體細胞表面受體，也就不能進入人體細胞，那么病毒無法實現自我復制、滯留于細胞外、逐漸喪失活性乃至最終死亡。

2.5 COVID-19核酸聚合酶抑制劑——阻斷病毒核酸在人體細胞內復制

除Spike蛋白外，RNA依賴性RNA聚合酶(RdRp，RNA-dependent RNA polymerase)是另一個可能具有抗冠狀病毒效果的目標分子[5, 17]。在COVID-19的全長基因組序列中，存在編碼RdRp的基因序列區(qū)，它在病毒核酸復制及病毒繁殖過程中起關鍵作用，因此RdRp屬于一種潛在的抗病毒藥物針對的關鍵酶[5, 7, 17]。COVID-19等病毒感染人體細胞后，必須經過病毒脫殼、核酸釋放、核酸合成等步驟，才能增加病毒核酸的數量，完成病毒復制的基礎準備工作。在此過程中，首先需要聚合酶RdRp按照病毒的核酸序列進行新的RNA合成，這對于COVID-19的早期蛋白生產、結構蛋白成熟、子代病毒組裝都至關重要[5, 7, 17]。因此，參照以往病毒抑制相關研究[18-19]，COVID-19的RdRp酶抑制劑可能是精準治療藥物的一個重要方向，通過抑制RdRp活性可阻止病毒核酸復制，缺少核酸作為模板時，下游蛋白質合成就會終止，病毒生長繁殖就會被顯著抑制。

2.6 COVID-19反義核酸鏈(RNAi技術)——阻斷病毒蛋白質(或多肽鏈)合成

COVID-19病毒核酸RNA是指導其蛋白質大量合成的必需模板，可以嘗試通過RNAi技術抑制病毒RNA的功能。反義核酸鏈(miRNA或siRNA)是一類短小的人工合成RNA片段，它們是按照病毒自身RNA序列特別設計的，可以與特異的病毒RNA結合形成互補雙鏈；由于病毒蛋白質合成需要單鏈的RNA模板，因此與miRNA或siRNA形成雙鏈的病毒RNA就會喪失指導蛋白質合成的功能，缺少蛋白質來源的病毒即無法持續(xù)存活或擴增[20-21]。未來可以嘗試針對COVID-19的關鍵基因如Spike、RdRp、3CL水解酶、E基因等設計精確的抑制性RNAi片段，阻斷COVID-19關鍵基因的功能和關鍵蛋白質的合成，起到必要的抗病毒療效。

2.7 COVID-19關鍵水解酶的抑制劑——阻斷病毒蛋白成熟、新病毒顆粒組裝

病毒核酸片段很短，其合成的較長多肽鏈往往需要經過蛋白酶的水解，才能產生具有活性和功能的多種蛋白質。冠狀病毒3CL水解酶(Mpro)又稱主蛋白酶，是病毒蛋白水解并成熟所必需的一種催化酶[5, 22-23]。COVID-19疫情發(fā)生后，上?？萍即髮W饒子和、楊海濤團隊僅用一周時間就測定出COVID-19最重要的3CL水解酶(Mpro)的高分辨率晶體結構，并登錄在蛋白質結構數據庫(Protein Data Bank，PDB，編號6LU7)。這項工作使科學界進一步認清COVID-19病毒的結構特點，未來可以嘗試充分利用生物信息學、結構生物學、基因技術、蛋白質工程等設計開發(fā)多肽類或小分子化合物，特異抑制COVID-19的3CL水解酶活性，這樣便可阻止病毒蛋白的裂解和成熟，使得COVID-19大量蛋白質處于無活性、無功能的原始狀態(tài)，從而阻止新病毒顆粒的組裝、成熟和細胞外釋放，減緩或阻止COVID-19感染在人體內細胞和組織間的傳播。

3 結論

通過設計小分子化合物、多肽片段、抗體或反義RNA鏈等，可能阻斷COVID-19感染人體細胞基本過程的一個或幾個關鍵環(huán)節(jié)，有望達到精準防治COVID-19病毒的目的，為徹底戰(zhàn)勝該新型冠狀病毒奠定一些臨床基礎。