藥物機(jī)制解讀|“人民的希望”抗病毒藥物瑞德西韋(Remdesivir)

 

病毒變異vs抗病毒藥物

 

病毒是一種以DNA或RNA為遺傳物質(zhì)，無(wú)獨(dú)立營(yíng)養(yǎng)代謝系統(tǒng)，需寄生于宿主內(nèi)，進(jìn)行復(fù)制和生存的類(lèi)生物體。病毒在自然界內(nèi)與宿主共生的過(guò)程中，一些病毒可逃脫宿主免疫防御系統(tǒng)，導(dǎo)致宿主發(fā)病致死。病毒遺傳物質(zhì)突變幾率非常高，可幫助病毒逃脫不斷升級(jí)的宿主免疫系統(tǒng)。根據(jù)病毒進(jìn)化論學(xué)說(shuō)，病毒發(fā)展史要遠(yuǎn)超過(guò)人類(lèi)進(jìn)化史，相比之下，人類(lèi)對(duì)病毒知之甚少。隨著分子細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展，目前發(fā)現(xiàn)病毒種類(lèi)7000多種，其中可感染人類(lèi)的病毒有300多種。病毒感染類(lèi)疾病占傳染類(lèi)疾病的3/4，嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康。從上個(gè)世紀(jì)60年代開(kāi)始，已有廣譜類(lèi)的抗病毒藥物出現(xiàn)，但由于病毒突變速度非�？欤�隨后陸續(xù)產(chǎn)生病毒耐藥性和副作用，導(dǎo)致對(duì)病毒類(lèi)感染疾病無(wú)特異性有效藥物進(jìn)行臨床治療。

 

瑞德西韋——人民的希望？

 

2020年伊始，COVID-2019肆虐，開(kāi)發(fā)特異性抗新冠病毒藥物迫在眉睫。2月1日《新英格蘭雜志》發(fā)表論文中，報(bào)道美國(guó)第一例新冠肺炎患者病情惡化后，經(jīng)瑞德西韋(Remdesivir/GS-5734)靜脈注射同情用藥后病情好轉(zhuǎn)^[1]。2月6日，瑞德西韋“雙盲臨床實(shí)驗(yàn)”在武漢市金銀潭醫(yī)院、市肺科醫(yī)院和協(xié)和醫(yī)院等入組761例患者進(jìn)行臨床評(píng)價(jià)^[2]。“人民的希望”——瑞德西韋抗新冠肺炎臨床療效，需等至4月底揭曉謎底。

 

瑞德西韋是由一直致力于抗病毒領(lǐng)域的吉利德科學(xué)公司研發(fā)（抗流感藥物奧司他韋，商品名達(dá)菲，最早也由吉利德研發(fā)，后賣(mài)給羅氏進(jìn)行全球銷(xiāo)售）。2013-2016年（西非）和2018-2019年（剛果）埃博拉病毒肆虐期間，全球各大制藥公司擲重金進(jìn)行抗埃博拉病毒藥物研發(fā)。由美國(guó)陸軍傳染病醫(yī)學(xué)研究所，吉利德科學(xué)公司，美國(guó)CDC和波士頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院四家業(yè)內(nèi)頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合進(jìn)行的瑞德西韋抗埃博拉病毒臨床前藥效學(xué)研究，于2016年發(fā)表在《自然》雜志^[3]。

 

瑞德西韋分子機(jī)制——前藥(Prodrug)

三磷酸代謝物有效制止RdRp酶活性

 

RNA依賴型RNA聚合酶(RNA-dependent RNA-polymerases, RdRp)為廣譜的抗病毒藥物開(kāi)發(fā)靶點(diǎn)，目前以RdRp為靶點(diǎn)的抗冠狀病毒藥物多為核苷類(lèi)似物或RNA干擾類(lèi)^[4]。瑞德西韋以前藥(Prodrug)形式進(jìn)入細(xì)胞后，通過(guò)三步轉(zhuǎn)化為三磷酸代謝物NTP，NTP和天然ATP競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合病毒RdRp，插入RNA合成鏈中，引起病毒RNA合成終止，并抑制RdRp酶活性（下圖a）^[3]。

 

 

瑞德西韋結(jié)構(gòu)上的1‘-氰基，一方面針對(duì)RdRp酶提供更好的針對(duì)ATP競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)合活性，另一方面針對(duì)病毒RdRp酶提供了比人源RNA聚合酶II和人源線粒體RNA聚合酶(h-mtRNAP)更好的選擇性抑制。在Hela細(xì)胞水平，瑞德西韋對(duì)兩種埃博拉病毒和另外三種病毒都有顯著濃度依賴型抑制（下圖c）；且在分子水平，瑞德西韋活性分子NTP能選擇性抑制病毒RdRp酶活性（下圖e藍(lán)色），而對(duì)人源RNA聚合酶II（下圖e黑色）和線粒體RNA聚合酶（下圖e紅色）無(wú)明顯抑制作用^[3]。

 

 

瑞德西韋細(xì)胞活性——高效選擇性

抑制病毒在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制

 

研究人員又通過(guò)進(jìn)一步的細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)，分別在不同的細(xì)胞模型上評(píng)價(jià)了瑞德西韋(GS-5734)對(duì)埃博拉病毒和其他RNA病毒的抗病毒活性。數(shù)據(jù)顯示，瑞德西韋可在五種細(xì)胞模型，包括原代巨噬細(xì)胞上有效抑制埃博拉活性；并對(duì)呼吸道感染病毒，如RSV和MERS，以及出血熱感染病毒，如JUNV和LASV病毒有一定抑制作用；但對(duì)其他病毒如CHIV，VEEV和HIV-1，無(wú)明顯抑制（下表）^[3]。

 

 

2019年，在《柳葉刀傳染病》雜志報(bào)道，美國(guó)CDC科研人員建立的Zoanthus綠色熒光蛋白(ZsG)標(biāo)記的埃博拉病毒體外細(xì)胞表型快速評(píng)價(jià)方法（下圖左），再次驗(yàn)證了瑞德西韋可在低濃度抑制兩個(gè)品系(Ituri/Makona)的埃博拉病毒復(fù)制，并對(duì)細(xì)胞活性無(wú)明顯影響（下圖右）。對(duì)Ituri品系埃博拉病毒，EC50為12nm，SI(selectivity index,SI)為303倍；對(duì)Makona品系埃博拉病毒，EC50為13nm，SI為279倍^[5]。

 

 

瑞德西韋體內(nèi)藥效——快速擴(kuò)散至病灶區(qū)，

提高模式動(dòng)物存活率

 

在恒河猴(rhesus monkeys)動(dòng)物模型上，按10mg/kg計(jì)量靜脈注射給藥后，檢測(cè)健康恒河猴體內(nèi)瑞德西韋(下圖a黑色) 及其代謝物，丙氨酸代謝物（下圖a紅色）,  單磷酸代謝物Nuc（下圖a藍(lán)色）和三磷酸代謝物NTP（下圖a綠色），在不同時(shí)間點(diǎn)的血藥濃度。數(shù)據(jù)顯示瑞德西韋前藥在體內(nèi)兩個(gè)小時(shí)內(nèi)達(dá)到峰值，隨后很快被清除；而其三磷酸活性代謝物NTP在體內(nèi)，特別是外周血單核細(xì)胞(PBMCs)內(nèi)，可在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持高血藥濃度。通過(guò)同位素14C標(biāo)記瑞德西韋藥物后，進(jìn)一步研究藥物在體內(nèi)分部發(fā)現(xiàn)，藥物可快速到達(dá)睪丸、附睪、眼睛和腦部（下圖b）^[3]。

 

 

通過(guò)病毒暴露動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)，瑞德西韋通過(guò)靜脈注射給藥后，可顯著提高恒河猴實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的存活率，特別是在病毒暴露3天后按10mg/kg計(jì)量的給藥組，其28天后存活率和空白對(duì)照組同樣可達(dá)100%（下圖d），且通過(guò)核酸定量方法進(jìn)一步驗(yàn)證，給藥組體內(nèi)的病毒RNA拷貝數(shù)與空白對(duì)照組相比得到明顯抑制（下圖e）^[3]。

 

 

瑞德西韋抗病毒藥物機(jī)制總結(jié)

 

瑞德西韋以RdRp酶為藥物靶點(diǎn)，在廣譜抗病毒核苷類(lèi)似物抑制劑中脫穎而出，主要?dú)w因于以下三點(diǎn)：1) 對(duì)其藥物靶點(diǎn)RdRp酶，比其天然底物ATP有更高的競(jìng)爭(zhēng)親和性；2）在體外細(xì)胞水平，可高效選擇性的抑制RNA病毒在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制，并無(wú)明顯細(xì)胞毒性。3）在體內(nèi)動(dòng)物水平，有良好的藥代學(xué)基礎(chǔ)，其活性代謝物NTP可快速擴(kuò)散至病灶，抑制體內(nèi)RNA復(fù)制，提高病毒暴露后模式動(dòng)物存活率。

 

 

抗病毒藥物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及儀器&試劑摘錄列表^[3，5]

 

“工欲善其事，必先利其器”。在以上瑞德西韋抗病毒藥物研發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及檢測(cè)過(guò)程中，珀金埃爾默在每一個(gè)環(huán)節(jié)都給一線的科學(xué)家們提供了高效的“實(shí)驗(yàn)武器”：經(jīng)典的同位素標(biāo)記技術(shù)，準(zhǔn)確分析RdRp活性和藥物組織分布；業(yè)內(nèi)金標(biāo)準(zhǔn)EnVision多模式讀板儀和高內(nèi)涵成像表型分析平臺(tái)Opera/Operetta，快速進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)病毒感染和藥物毒性評(píng)價(jià)；自動(dòng)化NGS文庫(kù)制備工作站Sciclone G3，加速病毒基因組快速分析。

 

 

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1.First Case of 2019 Novel Coronavirus in the United States. NEJM Jan 2020.

2.http://www.wuhan.gov.cn/2019_web/whyw/202002/t20200207_304511.html

3.Therapeutic efficacy of the small molecule GS-5734 against Ebola virus in rhesus monkeys.  NatureMarch  2016.

4.Coronaviruses — drug discovery and therapeutic options.  NATURE REVIEWS DRUG DISCOVERY May 2016

5.Characterisation of infectious Ebola virus from the ongoing outbreak to guide response activities in the Democratic Republic of the Congo: a phylogenetic and in vitro analysis. The Lancet Infectious Diseases July 2019