导读

氯喹在临床试验中被证实对新型冠状病毒肺炎（COVID-19）具有良好的治疗效果，对控制疫情具有重要意义，但其治疗机理和分子机制尚不清晰。疫情爆发不久，晶泰科技与广东众生药业建立合作，针对氯喹的作用机理进行研究探索，并取得阶段性重要成果，由此为进一步理解氯喹对新型冠状病毒的治疗效果和优化制剂设计等提供参考。目前，晶泰科技与众生药业正针对研究结果联合进行实验验证。

2月19日国家卫生健康委员会发布了《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第六版）》，抗病毒治疗部分删除“目前没有确认有效的抗新型冠状病毒治疗方法。”在试用药物中，增加“磷酸氯喹（成人500mg，每日２次）和阿比多尔（成人200mg，每日３次）”两个药物。（ ）

磷酸氯喹作为一款抗疟疾药，同时具有广谱抗病毒、免疫调节的作用。与“人民的希望” 瑞德西韦(Remdesivir)不同，因为其上市时间已久，无专利限制，在中国有多家药企具备生产与销售资质，可快速满足临床需求，且便于生产和存储，药物可及性更高；其毒副作用比洛匹那韦（Lopinavir）、利托那韦（Ritonavir）等抗HIV药物更小，作为应急药物具有多重优势，加之临床效果明确，成为疫情防控与患者治疗“新的希望”。

但目前氯喹治疗新冠肺炎的机理和分子机制尚不清晰。晶泰科技对氯喹可能的作用机制进行了分子动力学模拟，发现氯喹可以与催化唾液酸合成的GNE蛋白形成稳定的结合构象从而影响病毒受体糖基化，同时还发现另一个氯喹可以稳定结合的潜在靶点PLpro，并将对两种作用机制下的有效构象进行进一步的亲和力研究。这两项阶段性成果为氯喹治疗新型冠状病毒肺炎的有效性提供佐证，为抗“疫”药品开发优化提供研究基础与科学参考。目前，晶泰科技正与众生药业合作，推进体外实验验证。

氯喹在新型冠状病毒上的作用机理

图1. 氯喹的化学结构

氯喹（图1）以抗疟疾为主要适应症，近年的研究中发现它也具有抗病毒的功效。根据目前的文献报道与晶泰科技的研究成果，氯喹治疗新冠肺炎COVID-19存在四种可能的机理：

1. 通过干扰冠状病毒受体蛋白ACE2（Angiotensin-Converting Enzyme 2 受体血管紧张素转化酶2）的末端糖基化来削弱病毒与受体的结合，从而阻断病毒感染 【1】；

2. 通过提高病毒与细胞融合所需的内吞体的pH值来抑制病毒感染【2】；

3. 通过对免疫系统的调节来抑制病毒的复制【3】；

4. 通过与病毒蛋白水解酶PLpro结合，抑制冠状病毒的转录和翻译过程，从而抑制病毒传播、达到治疗效果。

另有两种文献中的氯喹机理，包括影响ACE2在细胞表面上的表达，以及干扰病毒Spike蛋白的合成过程，已在实验中被排除。

氯喹抑制新型冠状病毒感染的

关键蛋白PLpro

为了综合考察氯喹抑制SARS-CoV-2的潜在位点， 我们对ChEMBL数据库中与冠状病毒相关的小分子抑制剂进行了结构相似性搜索，发现了一个与氯喹结构相似的分子，其结合靶点为SARS病毒上的PLpro (PDBID：4OVZ)【4】。病毒编码的多聚蛋白1a/1ab，通过自身编码的两个蛋白水解酶PLpro（Papain-Like Protease）和3CLpro（3C-like protease）水解产生16个成熟的非结构蛋白（nsp1～nsp16）。这些非结构蛋白参与病毒的转录、复制，是病毒感染宿主过程中的重要功能蛋白。

我们对SARS-CoV-2 PLpro进行同源建模，并分别将氯喹的几种可能的结合模式和PLpro进行对接，并运行长程分子动力学模拟评估复合物构象的稳定性。模拟发现，在较为稳定的结合模式中，氯喹的不同结合模式在与PLpro结合的稳定性存在差异，其中一种与PLpro结合更加稳定（图2）。氯喹分子上的喹啉基团和Lys157形成了一个稳定的阳离子-π键相互作用，同时紧邻喹啉环的氮原子也和Leu162残基上的羰基形成了一个稳定的氢键，对稳定氯喹起到了重要作用（图2）。

上述模拟结果表明，SARS-CoV-2 PLpro也可能是氯喹的靶点之一。

图2 氯喹（绿色）和PLpro（橙色及紫色）的相互作用模式图

氯喹影响病毒受体糖基化

的可能作用机制

氯喹干扰病毒受体蛋白ACE2的末端糖基化这一机理推断，主要源于对SARS病毒（SARS-CoV） 的已有研究。最近的研究结果表明，SARS-CoV-2在人体中结合的受体蛋白很可能和SARS-CoV相同，为ACE2蛋白 【5】，并且两种病毒中负责与受体结合的Spike蛋白（简称S蛋白）具有较高的同源性，序列相似度为76.47% 【5】。由此推断，SARS-CoV病毒S蛋白与受体结合和细胞融合相关的作用机理可能也同样适用于SARS-CoV-2的研究。

UDP-N-acetylglucosamine 2-epimerase（UDP-GlcNAc 2-epimerase，以下简称GNE）在唾液酸（sialic acid）的生物合成中发挥关键作用（图3），而唾液酸参与SARS-CoV表面受体ACE2的糖基化过程，因此抑制GNE可能会起到对ACE2去糖基化的作用【6】。

我们对氯喹和GNE蛋白质单体的活性位点和别构抑制位点进行对接，发现氯喹可以在别构位点上形成一个能量相对稳定的对接构象，并且和原来晶体结构（PDB ID: 4ZHT）上的别构抑制剂CMP-Neu5Ac的头部芳香环形成十分完美的重合（图4）。

图3 UDP-N-acetylglucosamine 2-epimerase的晶体结构（PDB ID: 4ZHT）。左上方的小分子为别构抑制剂CMP-Neu5Ac。

图4 氯喹（黄色骨架）的对接构象。银色骨架为别构抑制剂CMP-Neu5Ac。

通过观察，我们发现氯喹的头部喹啉环和周围的蛋白环境形成了合理的局部作用。喹啉环上的氮原子和附近的Lys259形成了一个氢键，Lys259和Asp53形成了盐桥，而Asp53的侧链和吡啶环几乎平行，又形成了阴离子-π相互作用，环环相扣，稳定了氯喹喹啉环的位置。然而，GNE单体上的这个别构位点位于蛋白的表面，这种结合方式将直接导致氯喹尾部疏水性质的碳链曝露在溶剂环境中，并不利于氯喹和GNE的结合。另一方面，GNE在生物体内常常是以二聚体或四聚体的形式起催化作用。别构抑制剂在GNE的四聚体结构中成对出现 【7】。因此，基于氯喹在蛋白单体上的对接构象，我们建立了GNE二聚体和氯喹复合物的模型(图5), 并运行20 ns的分子动力学模拟。经模拟优化后产生的构象显示，氯喹的头部喹啉环依然保持稳定，尾部碳链则被一些疏水性质的氨基酸侧链所围绕。尾部的季胺氮原子成为氢键供体，和受体蛋白主链上的氧原子形成氢键相互作用（图5）

图5 （a）氯喹（黄色骨架）在GNE二聚体（绿色）上形成的复合物模型。（b）氯喹经动力学模拟优化后在GNE二聚体别构位点上的结合模式。

目前氯喹作用于冠状病毒的具体机制还没有充分的实验数据支撑。分子对接和动力学模拟显示氯喹可以稳定结合于GNE的别构位点，因此可能通过抑制UDP-GlcNAc 2-epimerase对唾液酸的合成来影响糖基化，从而发挥抗 SARS-CoV-2病毒的作用；同时也可以稳定地与PLpro结合，抑制病毒的转录与复制，实现治疗效果。

【1】Vincent, M. J. et al. (2005) Chloroquine is a potent inhibitor of SARS coronavirus infection and spread. Virol. J. 2, 69.

【2】Yang, Z. et al. (2004) pH-dependent entry of severe acute respiratory syndrome coronavirus is mediated by the spike glycoprotein and enhanced by dendritic cell transfer through DC-SIGN. J Virol . 78, 5642-5650.

【3】Adriaan H. de Wilde etl al. (2014) Screening of an FDA-approved compound library identifies four small-molecule inhibitors of Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus replication in cell culture. Antimicrob Agents Chemother. 58, 4875–4884.

【4】Baez-Santos, Y.M. et al (2014) X-ray Structural and Biological Evaluation of a Series of Potent and Highly Selective Inhibitors of Human Coronavirus Papain-like Proteases. J.Med.Chem. 57: 2393-2412

【5】Xu, X., Chen, P., Wang, J., Feng, J., Zhou, H., Li, X., Zhong, W. and Hao, P. (2020) Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission. Sci China Life Sci 63.

【6】 Savarino, A. et al. (2006) New insights into the antiviral effects of chloroquine. Lancet infect. dis. 6, 67-69.

【7】Chen, S.-H. et al.(2016) Mechanism and inhibition of human UDP-GlcNAc 2-epimerase, the key enzyme in sialic acid biosynthesis. Sci. Rep. 6, 23274-23274.

【8】Zumla, A. et al. (2016) Coronaviruses – drug disCoVery and therapeutic options. Nat. Rev. Drug DisCoV. 15, 327-347.

【9】Barnard, D. L. et al. (2006) Evaluation of immunomodulators, interferons and known in vitro SARS-CoV inhibitors for inhibition of SARS-CoV replication in BALB/c mice. Antiviral Chem. Chemother. 17, 275–284.

注：本文旨在介绍研究进展，不是治疗方案推荐。请患者前往正规医院就诊。

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