Репурпозинг FDA-одобренных лекарств для ингибирования главной протеазы SARS-CoV-2: анализ виртуального скрининга

Нацеливание на главную протеазу SARS-CoV-2

Разработка нового антивирусного средства как дорогая, так и времязатратная. В условиях глобальной пандемии острая необходимость — выявить лекарства, способные быстро остановить вирусную репликацию. Репурпозинг лекарств — использование медикаментов, уже доказавших безопасность у людей — предлагает многообещающий шорткат. В то время как одиночные лекарства могут давать скромные выгоды, стратегические комбинации, атакующие множество вирусных белков, как в случае ВИЧ терапии, могут дать существенные клинические выигрыши. Ключевой вопрос: какие комбинации будут наиболее эффективны против SARS-CoV-2?

Наше исследование фокусируется на архитектуре активного сайта протеазы, сравнивая её с хорошо охарактеризованной протеазой SARS-CoV, связанной с микромолярными ингибиторами. Этот структурный инсайт направляет дизайн потенциальных ингибиторов для SARS-CoV-2.

Затем мы выполнили виртуальный скрининг библиотеки FDA-одобренных лекарств для идентификации молекул, предсказанных связываться с протеазой, и оценки их потенциала в комбинационных терапиях.

Белки SARS-CoV-2

Быстрое секвенирование вирусных геномов от пациентов предоставило последовательности многочисленных потенциальных лекарственных мишеней. Многие из этих белков делят высокую схожесть с SARS-CoV аналогами, позволяя начальные гомологические модели. По мере доступности экспериментальных структур (X-ray, Cryo-EM), они уточняют наше понимание лекарственных сайтов.

Среди коронавирусов, главная протеаза (Mpro, также известная как 3CL Протеаза) является ведущей лекарственной мишенью. Наряду с папаиноподобными протеазами, Mpro кливирует полипротеин 1ab в 11 определенных сайтах, процесс, критичный для вирусной матурации.

Ингибирование Mpro блокирует репликацию. Поскольку никакая человеческая протеаза не разделяет её кливирующую специфичность, ингибиторы менее вероятно проявят офф-таргет токсичность.

Структурно-базированный дизайн для репурпозинга: Mpro

Mpro функционирует как гomodимер (Рис. 2), каждая субъединица содержащая каталитическую диаду His41/Cys145.

SARS-CoV-2 протеаза разделяет 96,1 % идентичности и 99 % схожести с её SARS-CoV предком. Только один остаток отличается в активном сайте: позиция 46 — Серин вместо Аланина (Рис. 3).

Множество структур SARS-CoV Mpro, комплексованных с микромолярными ингибиторами, доступны; самые мощные лиганды ковалентны. Активный сайт подразделяется на четыре субсайта (S1′, S1, S2, S4), приспосабливающие разнообразные химические типы.

В высокоаффинных комплексах (PDB 2ZU4 и 2GX4; Ki = 0,038 мкМ и 0,053 мкМ) тиол цистеина 145 формирует ковалентную связь с ингибитором, подчеркивая важность ковалентного вовлечения для сильного связывания.

Детальный анализ этих взаимодействий информирует ключевые контакты для мониторинга в докинг-исследованиях.

Воркфлоу виртуального скрининга

Используя 2,5 Å кристаллическую структуру димера SARS-CoV-2 протеазы, связанного с ковалентным ингибитором N3 (PDB 6LU7), выпущенной в феврале, мы провели систематический виртуальный скрин. N3 занимает субстрат-связывающий карман в вытянутой конформации (Рис. 5).

Наша библиотека включала 2684 FDA-одобренных лекарства с молекулярным весом < 800 Da. Докинг выполнялся с GOLD (CCDC), за которым следовали расчеты свободной энергии связывания с CHARMM/GBMV. Каждая поза проходила ин-ситу лигандную минимизацию (сфера 14 Å) и оценку энтропии лиганда. Многие топ-набирающие соединения были известными HIV/HCV протеазными ингибиторами (Рис. 6).

Лучший кандидат, Троксерутин — флавоноид — набрал высоко. Флавоноиды имеют документированную протеазно-ингибирующую активность; недавние IC₅₀ значения для гербацетина, роифолина и пектолинарина против SARS-CoV составляли 33,17, 27,45 и 37,78 мкМ соответственно.

Дипиридамол (Рис. 7) занял пятое место. Недавний препринт сообщает о его способности подавлять репликацию HCoV-19 с EC₅₀ 100 нМ in vitro.

Препринт исследования HIV протеазных ингибиторов дальше поддерживает активность против SARS-CoV-2. Нелфинавир, например, ингибировал вирусную репликацию в клетках Vero E6.

Ритонавир и Лопинавир, оба взаимодействующие с каталитическими остатками и дополнительными ключевыми боковыми цепями (GLU166, PRO168, GLN189), находятся под клиническим расследованием. Однако IC₅₀ данные для этих агентов против SARS-CoV-2 остаются недоступными.

Атазанавир также показывает активность в инфицированных клетках, снижая вирусную репликацию и проинфл ammаторное цитокиновое производство. Только что выпущенная структура (PDB 6W63) с ингибитором X77 разделяет похожую ориентацию связывающего сайта с 6LU7; ре-доукинг подтвердил сопоставимые предсказания.

Импликации и будущие направления

С четырьмя субсайтами, карман Mpro может приспосабливать разнообразные лиганды с умеренной аффинитетом. Виртуальный скрининг таким образом служит мощным инструментом для выявления кандидат-ингибиторов и эллюцидации их режимов связывания.

Эти вычислительные гипотезы требуют экспериментальной валидации — измерений IC₅₀, ковалентного докинга и фармакокинетического профилирования — для разработки клинически жизнеспособных терапевтик. Ковалентные ингибиторы, в частности, часто демонстрируют превосходную потенцию и длительное действие, делая их привлекательными лидами.

В конечном счете, эта работа обеспечивает быструю, структурно-направленную дорожную карту для репурпозинга существующих лекарств против COVID-19, облегчая срочный перевод от лавки к постели пациента.

Мы благодарим Cambridge Crystallographic Data Centre за доступ к GOLD; его доказанная эффективность в виртуальном скрининге и оптимизации лидов подкрепляет это исследование. Интерфейс к GOLD доступен в Discovery Studio.