3CL蛋白酶因其在冠状病毒复制中的核心作用和高度保守性，被认为是广谱抗冠状病毒药物的理想靶点，现已有多个3CL蛋白酶抑制剂获批上市。但研究表明，目前已获批的药物虽然对β属冠状病毒3CL蛋白酶有效，但在面对其他属类（α、γ、δ）冠状病毒3CL蛋白酶时，其抑制效率明显下降，尤其是针对上述新发现的可感染人的PDCoV和CCoV-HuPn-2018的3CL蛋白酶抑制效率较为微弱。因此，为应对日益复杂的冠状病毒谱系，并储备能抵御未知变异毒株的候选药物，亟需开发能覆盖全谱系“超广谱”3CL蛋白酶抑制剂。
近日，中国科学院上海药物研究所等研究团队，针对冠状病毒传播潜力及其耐药性挑战，突破了现有3CL蛋白酶抑制剂广谱性不足的局限，即通过对全谱系冠状病毒3CL蛋白酶进行深度生物信息学与结构解析研究，设计并获得了具有“超广谱”活性的3CL蛋白酶抑制剂，为研发广谱抗冠状病毒药物提供了通用设计策略。
研究团队对涵盖α、β、γ、δ四种属类、26个亚属的59种冠状病毒3CL蛋白酶进行了系统的序列和结构分析，发现底物结合口袋中的S2和S4亚位点是决定抑制剂广谱活性的关键变异区域。随后，研究人员以奈玛特韦为起点，通过解析其与PDCoV和CCoV-HuPn-2018 3CL蛋白酶的高分辨率晶体结构，并与SARS-CoV-2 3CL蛋白酶复合物结构进行对比分析，揭示了奈玛特韦对两种新病毒3CL蛋白酶活性减弱的分子机制，强调了修饰奈玛特韦P2和P4片段，以增强广谱抑制活性的重要性。
基于此，研究团队利用基于结构的药物设计策略对奈玛特韦结构进行优化。研究发现，通过缩小P2片段体积，并采用非环状结构，可避开不同属病毒3CL蛋白酶S2口袋的空间位阻。同时，通过精细调控P4片段，可增强对α属病毒的适应性。经过多轮优化，研究团队发现了化合物8。该化合物在分子水平和细胞水平，对四种属类代表性的3CL蛋白酶均表现出强效抑制活性，即IC50值均小于100nM，EC50值处于1.2-13.4μM区间。
为全面评估化合物8的广谱活性，研究团队进一步拓展了对该化合物的广谱性评价谱系范围。结果显示，化合物8对32种涵盖所有亚属的3CL蛋白酶均表现出纳摩尔级的强效抑制活性（IC50：19-146nM），并对多种临床常见的奈玛特韦耐药突变体保持高度敏感。同时，细胞水平抗病毒实验结果表明，化合物8对包括HCoV-OC43、HCoV-229E、SARS-CoV-2及其多种变体在内的人类冠状病毒均具有良好抗病毒活性（EC50：0.01-3.3 μM），其体内抗病毒疗效也在HCoV-OC43感染的小鼠模型中得到验证。
该研究系统探索并形成了一套针对广谱抗病毒药物靶点开展“超广谱”抑制剂设计的完整流程和通用策略，为研发下一代广谱抗冠状病毒药物奠定了基础，也为应对未来可能出现的新型病毒提供了前瞻性储备。
相关研究成果发表在《先进科学》（Advanced Science）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院、湖北省等的支持。
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基于结构的广谱3CL蛋白酶抑制剂设计与优化
化合物8的“超广谱”抑制活性
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