艾滋病（AIDS）是当今世界严重威胁人类生命健康的传染性疾病，其病原体为人免疫缺陷病毒（HIV），其中HIV-1是致病的主要亚型。在HIV-1的生命周期中，逆转录酶（reverse transcriptase，RT）携带病毒遗传信息的单链RNA逆转录成双链DNA，是抗艾滋病药物设计的关键靶标。其中，RT抑制剂主要包括核苷类和非核苷类逆转录酶抑制剂，而HIV-1非核苷类抑制剂（non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors, NNRTIs）具有活性高、选择性强、毒性低等诸多优点，是目前治疗艾滋病高效抗逆转录病毒疗法（俗称“鸡尾酒疗法”）的重要组成部分。但由于HIV-1病毒的高变异性，第一代NNRTIs对大量的耐药株不敏感，包括L100A、Y181C和Y181C+K103N（临床最严重的耐药株之一）等。第二代NNRTIs对多种耐药株具有很高的抑制活性，但较低的水溶性和较差的透膜性导致其生物利用度低、口服剂量加大，从而引起毒副作用和交叉耐药等问题。另外，随着依曲韦林（ETV）及利匹韦林（RPV）临床的常规化应用，一些耐变异毒株也随之出现，显著地降低了ETV及RPV的临床疗效。因此，通过合理的结构修饰得到高效、广谱抗耐药以及具有良好药代动力学性质的NNRTIs是当前抗艾滋病药物研究的重要领域之一（相关报道）。
图1. 基于靶标结构及多样性导向的结构优化发现高效抗耐药性HIV-1抑制剂
以最新一代抗艾滋病药物依曲韦林为先导化合物，山东大学药学院药物化学研究所的刘新泳教授（点击查看介绍）课题组与比利时Leuven大学医学院微生物与免疫学研究所合作，发现了一类对HIV-1野生株及多数临床常见突变株均优于上市药物依曲韦林的噻吩并嘧啶类化合物，但美中不足的是，代表性化合物K-5a2对临床最常见的单突变株K103N以及双突变株Y181C+K103N的活性仍有待改善（相关报道）。为进一步提高对这两种临床最常见突变株的活性，该团队以K-5a2为先导化合物，根据靶标三维空间的适配性要求，特别是蛋白溶剂界面柔性区域的结构特征，综合运用基于靶标结构的合理药物设计及抗耐药性药物设计策略（形成主链氢键、精准靶向保守型氨基酸等），依次对其右翼、中心杂环和左翼进行了系统的结构修饰（图1），以探讨未知的化学空间，并完善该类抑制剂的构效关系；采用多样性导向的结构修饰，可克服柔性靶标与配体精准结合模式的不可预知性；设计合成了多系列噻吩并嘧啶类HIV-1 NNRTIs并进行了细胞及靶点水平的生物活性测试以及早期成药性评价，最终发现多个对HIV-1野生株及临床常见的严重耐药株均有纳摩尔水平抑制活性的化合物。
化合物25a（DK5-1）具有抑制HIV-1野生株和多种临床常见突变株的活性，较先导化合物K-5a2和依曲韦林均有大幅度提高。其中，抑制临床最常见的突变株K103N的活性（EC50= 0.908 nM）是K-5a2的3倍；尤其是抑制临床严重的双突变株RES056（EC50 = 5.50 nM）的活性是K-5a2的6倍、依曲韦林的3倍。对单突变株L100I、Y181C、Y188L和E138K，25a的EC50值均小于5.5 nM，远优于上市药物依曲韦林。初步的药代动力学试验显示25a在大鼠体内达峰时间为1.7小时，半衰期为3.93小时，并显示出良好的口服生物利用度（F = 16.19 %）。小鼠急性毒性试验表明，其LD50> 2000 mg/kg，心脏毒性试验结果显示其抑制hERG钾离子通道的作用较低。目前正在对25a进行后续的成药性和临床前评价。
另外，本文作者还通过分子模拟分析了该类化合物的作用模式及抗耐药性机理。作者指出，除了DAPY类化合物经典的作用力之外，25a的右翼磺酰胺基团可与蛋白溶剂界面的Lys104和Val106的主链之间形成关键氢键作用，左翼新引入的氰基乙烯基基团指向由高度保守氨基酸Phe227和Trp229组成的狭长通道，并与之形成紧密的疏水作用，这也是25a能对多数耐药株保持高效抑制活性的主要原因。该研究的一些启示对其他易突变型或配体结合位点高度柔性靶标的药物设计具有普遍的参考价值（图1）。
上述研究内容已在线发表于美国化学会药物化学领域权威期刊Journal of Medicinal Chemistry 上，第一作者为山东大学药学院的康东伟博士，山东大学药学院的刘新泳教授、展鹏副教授及比利时鲁汶大学的Christophe Pannecouque教授为本论文的共同通讯作者。化合物的药代动力学实验由山东大学第二附属医院的方增军协助完成。目前，该成果已申请中国发明专利与国际专利，有多家制药公司对该类抗艾滋病候选药物表现出浓厚的开发兴趣。
该研究工作得到了多项科技部、国家自然科学基金委国际合作重点项目及面上项目以及山东省重点研发计划（重大关键技术）等项目的资助。
该论文作者为：Dongwei Kang, Zengjun Fang, Boshi Huang, Xueyi Lu, Heng Zhang, Haoran Xu, Zhipeng Huo, Zhongxia Zhou, Zhao Yu, Qing Meng, Gaochan Wu, Xiao Ding, Ye Tian, Dirk Daelemans, Erik De Clercq, Christophe Pannecouque, Peng Zhan, and Xinyong Liu
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Structure-Based Optimization of Thiophene[3,2-d]pyrimidine Derivatives as Potent HIV-1 Non-nucleoside Reverse Transcriptase Inhibitors with Improved Potency against Resistance-associated Variants
J. Med. Chem., 2017, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.7b00332
导师介绍
刘新泳
http://www.x-mol.com/university/faculty/22653