无环嘌呤核苷类化合物作为抗登革热病毒有前景抗病毒药物的发现

《Bioorganic Chemistry》：Discovery of acyclic purine nucleosides as promising antiviral agents against dengue virus

　　

登革热病毒（DENV）仍然是一项重大的全球健康挑战，是最普遍的蚊媒病毒感染之一，目前尚无获批的特异性抗病毒疗法。无环嘌呤核苷类化合物通过干扰病毒基因组复制，已显示出广谱抗病毒活性。因此，在本研究中，研究人员设计了一系列新的d-葡萄糖衍生的无环嘌呤核苷类似物（5a-f, 6a-c, 和8a-b），并利用体外基于Huh-7细胞的测定法评估了它们对登革热病毒血清型2（DENV2）的抑制活性。在该化合物库中，类似物5e表现出最强的抗病毒特性，其CC50为153?μM，EC50为13.64?μM，具有较好的选择性指数。分子对接和100纳秒（ns）分子动力学（MD）模拟支持5e在NS5蛋白的GTP/加帽位点具有稳定的结合模式。基于ADMET（吸收、分布、代谢、排泄、毒性）的构效关系（SAR）分析强调了亲脂性、渗透性和氢键受体是决定该系列化合物抗病毒效力和可开发性的关键因素。这些结果凸显了无环嘌呤核苷类化合物作为开发抗登革热治疗药物的一个有前景的支架潜力。

一、 研究背景、问题与目的

登革热是由登革热病毒引起的一种蚊媒传染病，在热带和亚热带地区广泛流行，构成严重的全球公共卫生威胁。该病毒存在四种血清型，感染后临床表现多样，从无症状、轻度发热到可能危及生命的重症登革热，如登革出血热和登革休克综合征。近年来，全球登革热病例数急剧上升，2024年前四个月报告病例数已超过760万，其中美洲地区尤为严重。目前，针对登革热缺乏特异性的抗病毒治疗药物，临床管理主要依赖于支持性护理。虽然已有登革热疫苗（如Dengvaxia）获批，但其对不同血清型的保护效力有限，且存在抗体依赖性增强感染的风险，限制了应用。尽管针对登革热病毒蛋白酶和聚合酶的抑制剂研究一直在进行，但病毒的高突变率导致药物易产生耐药性，使得研发工作面临挑战。因此，开发新型、高效、低毒的抗登革热病毒药物迫在眉睫。

无环嘌呤核苷是一类重要的抗病毒化学型，对多种病毒家族表现出广谱活性，例如阿昔洛韦、更昔洛韦、喷昔洛韦和泛昔洛韦等N9-取代的无环嘌呤核苷衍生物已成为临床批准的抗病毒药物。这些成功案例表明，无环嘌呤支架能够在抗病毒效力、药代动力学行为和安全性之间取得良好平衡，为抗病毒药物设计提供了可靠的化学起点。然而，针对登革热病毒的有效无环嘌呤类抑制剂仍然有限。基于此，本研究团队旨在基于已有的核苷化学研究基础，设计、合成并评估一系列新的d-葡萄糖衍生的无环嘌呤核苷类似物，以探索其抗登革热病毒（DENV2）的活性，并通过计算机模拟和构效关系分析优化其与病毒靶标（NS5聚合酶）的相互作用，为开发新型抗登革热疗法提供先导化合物。本研究成果发表在《Bioorganic Chemistry》期刊上。

二、 关键技术方法概述

本研究综合运用了化学合成、体外生物学评价、计算化学模拟和理论性质预测等方法。1. 化学合成：以d-葡萄糖为起始原料，通过选择性保护、氧化裂解、还原、磺酰化、亲核取代、脱保护等步骤，合成了目标无环嘌呤核苷类似物库（5a-f, 6a-c, 8a-b）。2. 体外抗病毒活性与细胞毒性评价：使用登革热病毒血清型2（DENV2）感染人肝癌细胞（Huh-7细胞），通过基于细胞的测定法评估化合物的抗病毒活性（以EC₅₀表示）和细胞毒性（以CC₅₀表示），并计算选择性指数（SI）。3. 计算机辅助药物设计：采用分子对接技术将化合物对接到登革热病毒NS5蛋白的GTP/加帽结合位点，评估结合模式和相互作用。进一步通过100纳秒的分子动力学模拟，分析复合物体系的稳定性、结合自由能（MM/GBSA）和关键相互作用。4. ADMET与构效关系分析：利用SwissADME和pkCSM等在线工具预测化合物的吸收、分布、代谢、排泄和毒性性质，并结合活性数据，进行系统的构效关系分析，以指导后续优化。所使用的细胞系包括人Huh-7细胞、猴肾Vero细胞和蚊子C6/36细胞。

三、 研究设计与结果

本研究采用理性药物设计策略，以d-葡萄糖衍生的四碳三醇侧链作为柔性核糖替代物，连接N9-取代的嘌呤核心，旨在增强水溶性和与靶标位点的氢键相互作用网络。同时，系统地对嘌呤环的C-6位进行修饰，引入不同取代基（如苯环系列和哌嗪系列），以探索与NS5蛋白GTP/加帽位点相邻疏水口袋的互补性。

1. 化学合成

研究人员成功合成了目标化合物库。合成路线始于d-葡萄糖的选择性保护，生成关键中间体，随后通过一系列官能团转化，最终引入嘌呤碱基并获得目标无环核苷类似物。所有终产物均通过核磁共振氢谱、碳谱和高分辨质谱进行了结构确证。

2. 体外抗病毒活性与细胞毒性

所有测试化合物在Huh-7细胞中均显示出可忽略的细胞毒性，表明其具有良好的安全性。在抗DENV2活性筛选中，化合物5e（C-6位为间位溴取代的苄基）表现出最强的抑制活性，其EC₅₀为13.64 μM，CC₅₀为153 μM，选择性指数（SI）为11.22。其他部分化合物也显示出中等强度的活性。结果表明，C-6位的取代基对活性有显著影响，间位卤素取代（特别是溴和碘）有助于提高效力。

3. 分子对接与分子动力学模拟研究

为探究活性化合物与靶标的相互作用模式，研究人员选择了活性最佳的5e及其类似物进行分子对接和分子动力学模拟。对接结果表明，5e能稳定结合于NS5蛋白甲基转移酶结构域的GTP/加帽位点。其嘌呤核心与关键残基形成π-π堆积和极性相互作用，而葡萄糖衍生的三醇侧链则与周围残基形成广泛的氢键网络。100纳秒的分子动力学模拟进一步证实了5e-NS5复合物的稳定性，结合自由能计算（MM/GBSA）支持了其较强的结合亲和力。模拟还揭示了C-6位的溴原子可能与附近的疏水口袋发生有利的相互作用，这解释了其优异的活性。

4. ADMET性质预测与构效关系分析

通过对整个化合物库进行ADMET性质预测，研究人员将理论参数与实验活性相关联，总结了关键的构效关系。结果表明，适中的亲脂性（Log P值在0.5至3.0之间）、良好的膜渗透性（预测的Caco-2和MDCK细胞渗透性）以及化合物作为氢键受体的能力是影响其抗病毒效力和类药性的关键决定因素。具体而言，C-6位为中等疏水性和适度体积的取代基（如间位卤代苄基）有利于活性，而极性过强或体积过大的取代基则可能不利。这些分析为后续针对效力和药代动力学特性的进一步结构优化提供了明确方向。

四、 讨论与结论

本研究成功设计、合成并评估了一系列新型d-葡萄糖衍生的无环嘌呤核苷类似物。综合研究结果表明，这类化合物具有成为抗登革热病毒先导化合物的潜力。其中，化合物5e凭借其显著的体外抗病毒活性、低细胞毒性和有利的计算模拟结合模式，成为最有前景的候选分子。计算模拟揭示了其与NS5靶标GTP/加帽位点的稳定结合机制，特别是柔性三醇侧链形成的氢键网络和C-6取代基与疏水口袋的互补性。ADMET指导的构效关系分析明确了影响该类化合物活性和可开发性的关键物理化学参数，为未来优化奠定了理论基础。

结论翻译：

总之，研究人员理性设计、合成并系统评估了一系列带有N9-羟烷基侧链的新颖d-葡萄糖衍生无环嘌呤核苷类似物的抗登革热活性。所有合成的化合物在Huh-7细胞中均表现出可忽略的细胞毒性，突出了其良好的安全性。其中，化合物5e成为最有前景的类似物，对DENV2表现出最高的抑制活性。分子对接和分子动力学模拟为5e在NS5 GTP/加帽位点的稳定结合模式提供了结构基础。ADMET指导的构效关系分析强调了亲脂性、渗透性和氢键受体是决定该系列抗病毒效力和可开发性的关键因素。这些发现表明，无环嘌呤核苷代表了一类有前景的抗登革热支架，值得进一步开发。