核苷類抗病毒藥物的糖基修飾

作者: 湯姆貓

採用核苷類似物作為抗病毒藥物最早可追溯至上個世紀60年代，碘苷是第一個批准的核苷類抗病毒藥，用於治療皰疹病毒引起的角膜炎。隨後曲氟尿苷也被開發出來，至此，核苷類抗病毒藥物開始登上歷史舞台，併發揮了重要作用。早期的核苷類抗病毒藥物選擇性差，毒性比較大，所以只能作為局部用藥，直到阿昔洛韋的出現，它是第一個可以口服的高選擇性核苷類抗病毒藥物。

如今，經過了近半個世紀的發展，核苷類抗病毒藥物已經成為現代醫藥中極為重要的組成部分，市面上流通的抗病毒藥物有近一半都屬於核苷類似物。索非布韋、替諾福韋等新型抗病毒藥物，在選擇性、治療效果以及安全性等方面都大大提高，為公眾的健康做出了重要貢獻。

作用機制

圖一 病毒感染歷程

病毒感染可分為五個階段：①吸附；②在融合或胞吞作用下進入細胞內部；③脫衣殼；④遺傳物質的複製和表達；⑤組裝和病毒粒子的釋放(圖一)。核苷類似物主要作用於第四個階段，即抑制病毒遺傳物質的複製或表達。作為天然核苷的類似物，其作用原理可分為兩種，第一：與病毒DNA或RNA聚合酶的結合力更強，使得聚合酶「中毒」，即聚合酶抑製劑；第二種：可以被聚合酶識別並編入核酸中，但是由於特殊的結構，阻止下一個核苷酸的連接，即鏈終止劑。

圖二 核苷的組成

天然的核苷由兩部分組成：糖基部分和鹼基部分(圖二)。RNA中含D-核糖，即2位R為羥基，DNA中為脫氧核糖，即2位R為氫原子。鹼基有五種，其中RNA中含有A、G、U、C四種，而DNA中含有A、G、T、C四種。嘧啶1位與核糖1位通過β1-N1苷鍵相連，而嘌呤則是鹼基9位與核糖1位以β1-N9苷鍵連接。核苷五位羥甲基與磷酸結合后得到的核苷酸，是核酸的基本組成單位。核苷酸通過3', 5'—磷酸二酯鍵相互連接延伸，構成核酸的一級結構。

圖三 DNA/RNA的生物合成途徑

單磷酸核苷並不是生物體內DNA/RNA聚合酶的底物，只有三磷酸化后的核苷才能參與到酶促反應中，而且核苷在細胞內的磷酸化是分步進行的。通常生物體內都會存在一整套完整的磷酸化酶，稱之為核苷激酶，部分病毒也會編碼自己的核苷激酶，如皰疹病毒等。由於三磷酸化后的核苷類似物也可以與宿主細胞的DNA/RNA聚合酶作用，因此也會影響到宿主細胞的遺傳物質複製和表達，造成毒性，這也是早期核苷類抗病毒藥物存在嚴重副作用的原因。

核苷類抗病毒藥物設計最大的問題在於選擇性。某些活性很好的化合物，可同時會對宿主細胞造成毒性，如早期的碘苷。此外，由於核苷的極性基團較多，在生物利用度和透膜效應上與其他類型的抗病毒藥物相比較差。最後，因為只有三磷酸化后的核苷類似物才是聚合酶的活性底物，所以核苷類似物必須要能夠同時被核苷激酶和聚合酶識別，才能發揮效用。雖然有以上的諸多難點，但是仍然有不少優異的核苷類藥物被開發出來，如拉米夫定、替諾福韋等，這些核苷類似物臨床應用中取得了極大的成功。

設計原理

核苷類似物的設計可以採用以下策略：①對糖基部分進行修飾；②對鹼基部分進行修飾；③糖基和鹼基部分同時進行修飾。目前已上市的核苷類藥物中，大多數化合物都對糖基部分進行了修飾，在進行這些修飾的時候，藥物化學家們發現了一些很有意思的規律，尤其是在選擇性方面，以下主要對糖基修飾策略做一簡介。

①3位脫氧修飾

圖四 3位脫氧修飾

3位脫氧策略是核苷類藥物開發非常重要的一個方面。眾所周知，核酸是由3』-5』—磷酸二酯鍵相互連接，而5』端的羥基必須保留，因為只有5』端三磷酸化后的核苷類似物才是聚合酶的活性底物，去除3位羥基的核苷酸被編入DNA/RNA序列后，由於3位羥基的缺失，會終止鏈的延長，起到「鏈終止」的作用。常見的3位修飾方式如烯糖、鹵代、疊氮取代等(圖四)，依據這一策略開發的藥物大多集中在抗HIV治療領域。

②雜環化修飾

圖五 雜環化修飾

核苷糖基部分的雜環化修飾也是常見的一種設計策略(圖五)，通過在糖環上引入雜原子，如硫、氮、硒等，一方面可以修飾糖環的構象，另外還可以改善藥物的代謝特徵，目前已開發上市的雜環類抗病毒藥物如拉米夫定(抗乙肝以及HIV)、恩曲他濱(抗HIV)，處於臨床研究階段的如BCX4430(用於線狀病毒感染的治療，如埃博拉病毒、寨卡病毒、馬堡病毒)。呋喃環的雜原子化主要設計思路來自於經典的生物電子等排體，如將氧原子用NH、CH2等進行替換，得到新的效果更佳的化合物。

③開環及縮環設計策略

圖六

將糖基中的呋喃環改變成三元環或者四元環，甚至完全打開成直鏈狀，得到了一系列很有意思的化合物，如四元環的洛布卡韋(抗乙肝病毒)，三元環的Synadenol (HIV、HBV均顯示有中等活性)。而其中開環化設計思路獲得了巨大的成功，已有多個藥物上市，在臨床應用中展現出了非常好的效果，阿昔洛韋是第一個成功應用開環策略的選擇性抗皰疹病毒藥物，後續的干昔洛韋、噴昔洛韋也取得了成功，近年來獲批的阿德福韋以及替諾福韋為乙肝治療提供了新的治療選擇。

④L構型核苷思路

圖七 L-核苷類似物

通常，天然存在的手性是生物效果最佳的，這也導致了藥物化學家在開發新葯時，往往會忽略對非天然異構體的測試和評價，在對抗HIV藥物的開發中，研究者發現L構型的核苷類似物表現出優異的選擇性和活性，如今這一發現已被廣泛應用於新型抗病毒藥物的設計中，如經典的乙肝藥物拉米夫定(圖七)，其D構型的選擇性和活性要比L構型(拉米夫定)差很多。

分析核酸的生物合成歷程以及結合藥物化學研究可以發現，核苷類似物的生物活性極大地取決於糖基1位相連的鹼基，4位羥甲基的三磷酸化則是活性的先決條件，因此，1位和4位的立體化學至關重要，決定了核苷是否能被核苷激酶以及聚合酶識別。對於雙脫氧核苷類似物來講，D構型和L構型在空間結構上的差異不大，因此兩者都能被酶所識別，活性相當，當核苷上被引入更多的手性時，底物和酶的相互作用變得更加複雜，因此D型和L型核苷活性差異會更加明顯，有利於實現選擇性，降低副作用。

除了採用L構型的設計思路外，糖基2位的修飾，也是非常重要的一個方向。通過改變2位羥基的立體構型或用非羥基取代，使化合物對病毒聚合酶具有更高的活性或僅能被病毒聚合酶識別，達到選擇性抑制病毒核酸複製或表達的目的，這一設計思路在很多核苷類抗病毒藥物中都有體現，如cytarabine、vidarabine等。

結語

本文主要從糖基修飾方面簡要介紹了核苷類抗病藥物設計的一些常見策略，2位脫氧、雜環化、縮環、開環、立體化學修飾等方法，通過綜合應用這些策略，設計出具有高活性、高選擇性的化合物，最大程度的減少副作用。雖然目前已有很多類型的抗病毒藥物出現，如吸附抑製劑、非核苷類聚合酶抑製劑、單抗等，但核苷類似物在抗病毒藥物領域仍然佔據著重要的地位，新型核苷類抗病毒藥物的開發仍然具有廣闊的前景！