前沿突破 | 廣州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)可以抑制新冠病毒感染的廣譜環(huán)肽抑制劑

近日，廣州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室施一團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京生命科技研究院、山東大學(xué)、香港大學(xué)、美國(guó)國(guó)家癌癥研究所癌癥研究中心等國(guó)內(nèi)外多家科研單位在Nature Communications發(fā)表了題為“Intranasal administration of broad-spectrum macrocyclic peptide inhibitor protects against SARS-CoV-2 Omicron variants”的研究論文。研究首次發(fā)現(xiàn)一種大環(huán)肽抑制劑可通過(guò)結(jié)合保守區(qū)域，將SARS-CoV-2刺突蛋白三聚體鎖定在“閉合”構(gòu)象，且在小鼠模型上經(jīng)鼻內(nèi)給藥后，該環(huán)肽分子對(duì)奧密克戎變異株具有預(yù)防和治療雙重作用，為新冠病毒防控提供了全新候選藥物，也為廣譜抗冠狀病毒藥物研發(fā)開(kāi)辟了新路徑。

盡管新冠大流行階段已結(jié)束，但新冠病毒的持續(xù)變異仍對(duì)全球公共衛(wèi)生安全構(gòu)成潛在威脅，奧密克戎等變異株的頻繁出現(xiàn)，使得研發(fā)兼具預(yù)防與治療效果、不易受變異影響的廣譜抗病毒藥物成為當(dāng)前科研領(lǐng)域的迫切需求。在抗病毒藥物體系中，大環(huán)肽分子憑借獨(dú)特優(yōu)勢(shì)脫穎而出——相較于抗體藥物和小分子藥物，它兼具生產(chǎn)成本低、結(jié)構(gòu)多樣性豐富、生物活性強(qiáng)、目標(biāo)特異性高、穩(wěn)定性好及可改造性強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為近年來(lái)抗病毒藥物研發(fā)的重點(diǎn)方向。

針對(duì)這一需求，本研究以新冠病毒刺突蛋白（spike, S）的受體結(jié)合區(qū)域（Receptor binding domain，RBD）為核心靶標(biāo)，進(jìn)行大環(huán)肽抑制劑的系統(tǒng)性篩選工作，成功獲得了一種具有高效抗病毒活性的大環(huán)肽6L3-3P11K。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該大環(huán)肽能夠有效抑制多種SARS-CoV-2變異株的復(fù)制，為廣譜抗病毒奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究進(jìn)一步揭示了其抗病毒機(jī)制：6L3-3P11K可特異性結(jié)合在S蛋白三聚體中保守的非受體結(jié)合部位，并形成同源三聚體結(jié)構(gòu)，將S蛋白三聚體牢牢鎖定于“閉合”構(gòu)象，從而阻斷S蛋白與ACE2受體的結(jié)合，從源頭抑制病毒入侵。基于這一機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該大環(huán)肽進(jìn)行定向改造，進(jìn)一步獲得了具有熱穩(wěn)定性與胰蛋白酶抗性的大環(huán)肽6L3-1F3P11hR。

圖1 6L3-3P11K與原型株（PT）及BA.2.75 SARS-CoV-2刺突蛋白結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)

▲圖2 6L3-3P11hR與6L3-1F3P11hR的體外抗病毒活性（細(xì)胞和人鼻類器官水平）

體外實(shí)驗(yàn)中，6L3-3P11hR與6L3-1F3P11hR在細(xì)胞和人鼻類器官水平均展現(xiàn)出優(yōu)異的抗病毒活性，能夠有效抑制病毒增殖。更為關(guān)鍵的是，在K18-hACE2轉(zhuǎn)基因小鼠攻毒模型中，經(jīng)鼻腔給藥后，6L3-1F3P11hR表現(xiàn)出顯著的預(yù)防與治療雙重效果。值得注意的是，低劑量環(huán)肽6L3-1F3P11hR預(yù)防性給藥后，能顯著降低小鼠鼻甲與肺組織中的病毒RNA載量及感染性病毒滴度，且小鼠組織病理學(xué)評(píng)分顯著改善，肺部病理變化也明顯減輕，在動(dòng)物模型表現(xiàn)出比口服給藥Nirmatrelvir（Paxlovid核心抗病毒成分）更好的抗病毒效果。本研究不僅為新冠疫情防控提供了候選藥物，更為大環(huán)類廣譜抗冠狀病毒藥物的設(shè)計(jì)與改造提供了重要理論參考和技術(shù)支撐。

圖3 6L3-1F3P11hR在K18-hACE2轉(zhuǎn)基因小鼠模型中能有效預(yù)防SARS-CoV-2感染

廣州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室王敏副研究員，實(shí)習(xí)生楊金月，山東大學(xué)博士生譚亞紅、香港大學(xué)袁碩峰教授、美國(guó)國(guó)家癌癥研究所癌癥研究中心史國(guó)利博士為本文共同第一作者，廣州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室施一研究員，山東大學(xué)尹貽貞教授、香港大學(xué)陳福和教授和北京生命科技研究院侯宏衛(wèi)研究員為共同通訊作者。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京生命科技研究院項(xiàng)目、廣州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)項(xiàng)目等的支持。