由新型冠状病毒SARS-CoV-2引起的COVID-19大流行持续对全球公共卫生造成严重威胁。截至2021年1月底，该病毒已感染超过1亿例，并导致240多万例死亡。然而，至今尚缺乏抗SARS-CoV-2的特效药物。因此针对新冠病毒的创新药物研发迫在眉睫。 

2021年2月19日，四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室杨胜勇教授团队、雷剑研究员团队与中科院昆明动物所郑永唐研究员团队合作研究新型冠状病毒小分子抑制剂取得重要进展，共同在Science上在线发表题为“SARS-CoV-2 M^pro inhibitors with antiviral activity in a transgenic mouse model”的研究论文。

在新冠病毒的关键复制酶中，SARS-CoV-2主蛋白酶（M^pro）在病毒复制过程中起关键作用。同时，M^pro在CoVs中是保守的，且还没有发现M^pro的人类同源蛋白，这使得它成为理想的抗新冠病毒的靶点广泛研究。目前已有多项关于SARS-CoV-2 M^pro抑制剂的研究被报道，但均局限于体外研究。 

研究团队首先通过理性药物设计（rational drug design），基于已经上市的抗HCV药物特拉匹韦（telaprevir）和波普瑞韦（boceprevir）的双环脯氨酸片段，设计并合成了32个包含双环脯氨酸片段的全新结构小分子化合物（图1）。这些化合物在体外均可有效抑制SARS-CoV-2 M^pro活性，最高IC₅₀值达到7.6 nM。 

　　图1 | SARS-CoV-2 M^pro抑制剂的理性药物设计概念图  　　  

然后，该团队解析了酶抑制活性最高的代表性分子MI-23与M^pro复合物的晶体结构，发现小分子紧密结合在共价结合在蛋白活性位点，占据蛋白P1、P2、P3位点，并与多个关键氨基酸产生氢键作用。这种相互作用模式很好地印证了该团队的分子设计思想。 

　　图2 | SARS-CoV-2 M^pro-MI-23晶体结构　　  

研究团队进一步开展了对这一系列化合物的体外细胞水平上的抗SARS-CoV-2病毒活性、大鼠药代动力学性质和安全性等评价。针对挑选出的20个分子进行细胞水平的抗SARS-CoV-2病毒实验，结果显示在不同细胞株均具有良好抗病毒效果（图3）。选择其中6个细胞活性较好的化合物进行药代动力学测试和体内安全性评价，结果表明化合物MI-09和MI-30具有良好的药代动力学性质和安全性。 

　　图3 | 6个化合物在细胞水平的抗SARS-CoV-2活性 　　  

在hACE2转基因小鼠模型上评价了化合物MI-09和MI-30的抗SARS-CoV-2感染效果（图4）。研究发现，口服或腹腔注射MI-09或MI-30可显著降低肺部病毒载量和肺部病理损伤。经化合物处理的小鼠表现出轻度肺泡间隔增厚和炎症细胞浸润，而对照组表现为中度症状。进一步研究发现，与对照组相比，经化合物处理感染小鼠模型肺中出现的中性粒细胞和巨噬细胞更少，这表明免疫细胞浸润受到抑制。 

　　图4 | MI-09和MI-30降低SARS-CoV-2感染小鼠模型肺部病毒载量和肺部病理损伤 

综上所述，该研究工作报道了一系列高活性的全新结构新冠病毒M^pro小分子抑制剂，并从分子、细胞和动物三个层面详细阐述了这些抑制剂的作用机理和抗病毒效果，从药代动力学性质和安全性等方面证实该系列化合物具有开发成为抗SARS-CoV-2病毒药物的潜力。同时，这也是首次公开报道的新冠M^pro抑制剂在SARS-CoV-2感染小鼠模型的实验数据。此项研究工作的报道，代表了口服SARS-CoV-2药物开发的关键进展。 

四川大学华西医院杨胜勇教授、雷剑研究员和中科院昆明动物所郑永唐研究员为该研究论文共同通讯作者；乔婧昕硕士、李越山博士、曾睿硕士、刘丰亮副研究员、罗荣华高级实验师、黄冲博士、汪益妃硕士为共同第一作者。该研究获四川省新冠应急攻关项目、四川大学华西医院新型冠状病毒肺炎疫情科技攻关项目、国家自然科学基金以及国家重点研发计划重点项目等资助。