陸泓雨，張彥

1.北京大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，北京 100871；2.軍事醫(yī)學(xué)研究院 生物工程研究所，北京 100071

瑞德西韋（Remdesivir）是吉利德科學(xué)公司（Gilead Sciences）正在研發(fā)的一種核苷類似物[1]，2012 年報(bào)道其具有抗RNA 病毒活性[2]，此后，更多的體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明其具有治療埃博拉病毒病[3]、中東呼吸綜合征[4]等RNA 病毒感染的應(yīng)用前景，但在埃博拉病毒病治療的臨床研究中效果不如單克隆抗體而被替換[5]。2020 年1 月31日，《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》在線發(fā)表論文，首次介紹了美國(guó)新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）患者在使用瑞德西韋后臨床癥狀迅速減輕的情況[6]。我國(guó)于2020 年2 月初批準(zhǔn)進(jìn)行瑞德西韋抗新型冠狀病毒（2019-nCoV）的臨床試驗(yàn)[7]。2020 年 3 月23 日，瑞德西韋被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）認(rèn)定為“孤兒藥”，涉及適應(yīng)癥為COVID-19[8]，這將有助于加快其審批進(jìn)程。

本文主要介紹瑞德西韋的作用機(jī)理、設(shè)計(jì)原理、合成路線和應(yīng)用情況，以期對(duì)這一藥物有一個(gè)相對(duì)全面的認(rèn)識(shí)。

1 藥物結(jié)構(gòu)與作用機(jī)理

瑞德西韋，分子式C27H35N6O8P，相對(duì)分子質(zhì)量602.576，是一種具有廣譜抗病毒活性的核糖核苷類似物[9]，進(jìn)入人體細(xì)胞后被胞內(nèi)脂酶分解為羧基結(jié)構(gòu)，繼續(xù)分解為單磷酸腺苷，磷酸化為三磷酸腺苷，參與并影響病毒RNA 復(fù)制的過(guò)程而發(fā)揮抗病毒作用。其結(jié)構(gòu)式及體內(nèi)轉(zhuǎn)化過(guò)程見(jiàn)圖1。

瑞德西韋的抗病毒作用原理是通過(guò)磷酸化后形成的三磷酸核苷類似物被RNA 聚合酶識(shí)別，參與病毒基因組的合成，而瑞德西韋經(jīng)過(guò)修飾的糖基會(huì)引起病毒RNA 空間空間構(gòu)象的變化，阻止磷酸二酯鍵的形成致使鏈合成的終止[1]，即通過(guò)抑制RNA 依賴性的RNA 聚合酶（RNA-dependent RNA-polymerases，RdRp）活性從而發(fā)揮作用，此機(jī)制已經(jīng)被證明是其抗埃博拉病毒的原因[4]。

2 合成路線研究

2.1 藥物設(shè)計(jì)路線

藥物設(shè)計(jì)的第一步是設(shè)計(jì)并篩選能與靶向目標(biāo)互作的活性物質(zhì)，具體到病毒則是篩選能抑制病毒生長(zhǎng)活性的核苷類似物。目前已可利用人工智能和機(jī)器深度學(xué)習(xí)輔助完成這一步[10]。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)篩選發(fā)現(xiàn)化合物A（圖2）有抑制活性，其主要結(jié)構(gòu)特征有二：母核為鳥(niǎo)嘌呤類似物，戊糖與母核的C9 經(jīng)C-C 鍵相連[11]。與正常鳥(niǎo)苷的CN 鍵相比，這種C-C 鍵結(jié)構(gòu)既可以使1′位取代的化合物更穩(wěn)定，也可以使其磷酸化后成為RdRp的底物，從而插入病毒的RNA 鏈。經(jīng)過(guò)對(duì)化合物A 及其結(jié)構(gòu)相似的化合物進(jìn)行細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與其結(jié)構(gòu)相似的化合物對(duì)病毒活性較弱，說(shuō)明化合物A 的活性和選擇性在篩選的化合物中都呈優(yōu)化狀態(tài)，構(gòu)效關(guān)系相對(duì)嚴(yán)格[1]。

然后需要對(duì)選定的化合物A 進(jìn)行前藥修飾。核苷類藥物插入RNA 鏈中抑制病毒的復(fù)制需要發(fā)生3 次磷酸化反應(yīng)才能活化，而第1 個(gè)磷酸化反應(yīng)是限速步驟，對(duì)起效和作用強(qiáng)度影響最大。為此將一個(gè)磷酸基團(tuán)與核糖的5′位相連，這樣有利于直接進(jìn)行后2 步磷酸化反應(yīng)，利于發(fā)揮藥效。在插入磷酸基團(tuán)后，其負(fù)電荷會(huì)影響藥物分子的極性，降低藥物的體內(nèi)運(yùn)輸能力。為此用非極性前藥進(jìn)行遮蔽，形成化合物B 的一般結(jié)構(gòu)（圖3）[11]。最后對(duì)取代基進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)篩選，得到了瑞德西韋的最終結(jié)構(gòu)。

2.2 合成路線

目前瑞德西韋主要有2 條合成路線（圖4、5）。2 條線路的前半部分合成核苷類似物（Nuc）的方法相同，都是由帶有保護(hù)基團(tuán)的內(nèi)酯（化合物1）和鹵化的氨基氮雜吲哚（化合物2）為原料反應(yīng)生成化合物3，然后通過(guò)一步取代反應(yīng)生成化合物4，去保護(hù)基生成核苷。合成的后半部分路線上，第一代直接合成得到的化合物7a 是消旋體，需要高效液相色譜法進(jìn)行分離才能得到單一構(gòu)型化合物；第二代方法在核苷基礎(chǔ)上先形成縮醛對(duì)順式鄰二醇進(jìn)行保護(hù)形成化合物5，再與化合物6 反應(yīng)生成單一構(gòu)型化合物7。

圖1 瑞德西韋結(jié)構(gòu)式及其體內(nèi)轉(zhuǎn)化過(guò)程[4]

圖2 化合物A 的結(jié)構(gòu)[11]

圖3 化合物B 的結(jié)構(gòu)[11]

2.3 討論與評(píng)價(jià)

瑞德西韋上述2 條合成路線的主體思路是相同的，其合成步驟基本相似，第二代合成路線相比于第一代主要是在細(xì)節(jié)上的優(yōu)化，包括反應(yīng)條件與催化劑的重新選擇、基團(tuán)的保護(hù)與手性合成的優(yōu)化。

在第一步糖基化步驟中，使用碘代物取代第一代方法中的溴代物，并使用格氏試劑進(jìn)行鹵素交換，使產(chǎn)率達(dá)到40%，并且溫度和試劑選擇更溫和，有利于大規(guī)模生產(chǎn)；第二步反應(yīng)在大于95∶5 的投料比的條件下可以獲得85%的產(chǎn)率，并且加入三氟甲磺酸（TfOH）是促進(jìn)高產(chǎn)量和高選擇性的關(guān)鍵；BCl3處理對(duì)芐基的去保護(hù)作用較好，使化合物4 易于結(jié)晶分離；2，2-二甲氧基丙烷在H2SO4存在的情況下可以使羥基化合物的保護(hù)率達(dá)到90%，并且經(jīng)研究消旋的化合物9 在異丙醚作為溶劑重結(jié)晶的情況下得到單一構(gòu)型化合物6（圖6），高產(chǎn)的化合物5 與單一構(gòu)型的6 進(jìn)行反應(yīng)，再進(jìn)行脫保護(hù)反應(yīng)就可以順利得到高產(chǎn)率的單一構(gòu)型的最終化合物[3]。上述反應(yīng)條件的優(yōu)化直接導(dǎo)致了產(chǎn)率的提高和產(chǎn)量的增加。

圖4 瑞德西韋的第一代合成路線[3]

圖5 瑞德西韋的第二代合成路線[3]

圖6 制備單一構(gòu)型化合物6 的過(guò)程[3]

此外，第二代合成線路通過(guò)選擇更優(yōu)質(zhì)和特異性更高的反應(yīng)物、控制反應(yīng)條件（溫度、溶劑等）、進(jìn)行立體化學(xué)設(shè)計(jì)等方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)合成線路的優(yōu)化，從而提高反應(yīng)選擇性、降低反應(yīng)成本、提高產(chǎn)率，可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行百克級(jí)合成[3]，甚至達(dá)到了工業(yè)批量生產(chǎn)的要求，為未來(lái)的臨床研究和臨床使用做好準(zhǔn)備。

作為一種研究時(shí)間較短的在研藥品，目前對(duì)瑞德西韋的研究特別是合成研究尚不充分，第二代合成路線還會(huì)有改進(jìn)的空間，如何改進(jìn)其合成路線也會(huì)是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。通過(guò)不斷優(yōu)化反應(yīng)條件并創(chuàng)造新的半合成、全合成路線，甚至借助人工智能與深度學(xué)習(xí)對(duì)藥物的設(shè)計(jì)、合成進(jìn)行優(yōu)化，都會(huì)讓合成路線的效率和產(chǎn)率得到進(jìn)一步提高。

3 藥物應(yīng)用研發(fā)進(jìn)展

瑞德西韋作為一種具有廣譜抗RNA 病毒活性的藥物，在預(yù)防和治療RNA 病毒病上有著廣泛的應(yīng)用。在COVID-19 出現(xiàn)前，其已經(jīng)完成了多項(xiàng)動(dòng)物活體實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)，主要是針對(duì)埃博拉、中東呼吸綜合征等病毒。

針對(duì)埃博拉病毒，瑞德西韋在體外實(shí)驗(yàn)和靈長(zhǎng)類動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)出抑制病毒復(fù)制的活性[4]，但在臨床試驗(yàn)中被單克隆抗體替換，原因是后者死亡率更低[12]。

針對(duì)中東呼吸綜合征，小鼠實(shí)驗(yàn)證明瑞德西韋有比較好的對(duì)非人哺乳動(dòng)物的治療效果，預(yù)防性和治療性用藥均可改善肺功能，降低肺病毒載量，減輕肺病理學(xué)損傷[5]。這也是在COVID-19 暴發(fā)后選擇瑞德西韋進(jìn)行臨床試驗(yàn)的原因之一。

瑞德西韋已經(jīng)被證明可以在體外有效抑制新近出現(xiàn)的2019-nCoV[13]，并且在美國(guó)的1 例COVID-19 臨床治療中產(chǎn)生了一定的效果[6]，證明其可能在人體內(nèi)具有抗2019-nCoV 活性。在中國(guó)，瑞德西韋已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行針對(duì)COVID-19 的臨床試驗(yàn)，但目前尚沒(méi)有結(jié)果證實(shí)或證偽其可以作為 抗 2019-nCoV 藥 物 使用[14]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)瑞德西韋分子設(shè)計(jì)方法的研究，討論了藥物分子的穩(wěn)定性與化學(xué)鍵、成鍵基團(tuán)等多種因素的關(guān)系，討論了藥物的體內(nèi)反應(yīng)條件和物理化學(xué)性質(zhì)在藥物設(shè)計(jì)中的重要影響，對(duì)掌握藥物設(shè)計(jì)的一般規(guī)律有指導(dǎo)意義。通過(guò)對(duì)瑞德西韋2條合成路線的討論，明確了改變反應(yīng)條件和立體化學(xué)在有機(jī)合成中間的重要作用，對(duì)實(shí)驗(yàn)室有機(jī)合成和進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)都具有重要的指導(dǎo)意義。