大约30%的呼吸道感染是由冠状病毒引起的，导致广泛的疾病，在某些情况下甚至会导致流行病和大流行病，正如我们在COVID-19大流行中所经历的那样。尽管开发了可以设计预防性疫苗的突破性技术，但全球各地对这些疫苗的获取并不平等，特别是在资源匮乏的国家，以及其他犹豫不决的因素也阻碍了其采用。
此外，新的冠状病毒变异株不断出现，这些变异株具有更高的传染性和对现有疫苗及抗病毒治疗的抵抗力。因此，急需快速起效、对多种呼吸道冠状病毒具有广泛活性且可以迅速分发为口服治疗的抗病毒药物。
2020年初，在COVID-19大流行开始时，哈佛大学怀斯生物启发工程研究所组建了一个由计算生物学家、传染病专家、药物化学家和药物开发专家组成的多学科团队。该团队由怀斯研究所创始人唐纳德·因格伯医学博士、哲学博士领导，旨在利用怀斯研究所现有的计算和生物建模能力，迅速将现有的FDA批准的药物重新用于抗击这种疾病。
通过创建一个基于电影行业程序动画软件的AI支持和物理基础的分子建模和药物发现管道，他们确定了口服的、FDA批准的药物贝姆塞替尼作为潜在的抗病毒剂。然而，为了进一步优化其活性，并在Open Philanthropy-Good Ventures基金会的支持下，他们使用这种化合物作为起点，开发了一种更具体且有效的抗病毒药物，对广泛的冠状病毒具有疗效。他们的研究结果发表在《Frontiers in Molecular Biosciences》上。
将冠状病毒带入电影
在COVID-19期间，许多研究小组试图开发针对冠状病毒共有的刺突蛋白外部表面的药物，这些刺突蛋白与宿主细胞表面的受体分子结合并介导病毒进入。在项目开始时，研究人员假设，与其针对这些容易在疫苗和治疗压力下发生突变的外部位点，不如专注于刺突蛋白中的隐藏区域，这可能会带来前所未有的好处。
“我们认为，那些在病毒最初与宿主细胞结合时保持隐藏但在准备膜融合的关键时间窗口内变得可访问的恒定区域可能是理想的位点。靶向这些位点可能是一种在病毒释放其遗传物质到宿主细胞胞质之前将其锁定在预融合阶段的方法。”第一作者查尔斯·赖利博士说，他曾是怀斯研究所的主要科学家，与因格伯共同领导了该项目。
“主要的挑战在于识别这些移动的齿轮，我们可以为此设计一种对多种冠状病毒都有效的通用扳手。”
此前，赖利和因格伯曾使用电影特效行业的工具来开发从原子水平到整个细胞水平的分子运动和功能的计算模型，并用此描绘了人类生命起源——精子与卵细胞融合的过程，如短片《The Beginning》所示。
该团队采用了类似的方法来模拟SARS-CoV-2刺突蛋白在结合其受体并在接近融合的过程中发生的动态转变。为了完成这一复杂的建模，他们实际上对其他研究人员在不同阶段捕获的刺突蛋白的结构快照进行了动画处理，这些快照是在X射线晶体学和其他研究中获得的。
这种基于刺突蛋白实际物理特征的“分子动力学模拟”使他们能够生成“合成数据”，从中可以识别出S2亚单位中经历了大规模机械转换的区域。
通过将AI方法应用于他们的合成数据，他们能够确定其中一个高度活跃的机械区域内的特定位点，该位点在促进刺突蛋白嵌入宿主细胞膜之前的预融合步骤中显现出来。这个关键位点有可能作为一个结合口袋，用于阻止膜融合和病毒进入的药物化合物，重要的是，它在不同的冠状病毒家族成员中共享。
靶向移动目标
为了识别能够精确嵌入刺突蛋白S2亚单位预测结合口袋的药物，研究人员通过计算机筛选了约10,000种现有药物，并根据它们对口袋的预测结合亲和力进行排名。
排名最高的口服可用药物是贝姆塞替尼，在他们的AI支持的模拟和分子对接研究中，贝姆塞替尼在整个区域经历多次结构变化时仍能牢固结合，最终将其冻结在预融合阶段。
事实上，团队凭借怀斯高级首席科学家西尔维·贝尔尼埃博士和怀斯转化研发高级主任肯·卡尔森博士的药物开发专业知识，证明了贝姆塞替尼能够强烈抑制表达ACE2受体的人类肺细胞中的SARS-CoV-2感染，从而阻止其进入细胞。
有趣的是，其他研究人员也观察到了贝姆塞替尼的感染阻断效果，并且在一项住院COVID-19患者的临床试验中，贝姆塞替尼确实改善了临床结果。但普遍认为该药物必须通过其原始靶点AXL激酶蛋白发挥作用，AXL激酶蛋白有助于肿瘤细胞的生长。
“为了无可辩驳地证明贝姆塞替尼通过我们提出的机制实现了其抗病毒活性并进一步提高其效力，我们需要创造结构相似的化合物（类似物），这些化合物对AXL没有亲和力，但保留了对刺突蛋白结合口袋的亲和力。”赖利说。
团队中的才华横溢的药物化学家乔尔·摩尔博士设计了一系列新化合物，其中最好的一种被称为WYS-633，它像贝姆塞替尼一样抑制SARS-CoV-2病毒进入肺细胞，并且重要的是，不会与AXL结合。WYS-633还阻止了SARS-CoV-1、MERS和多种SARS-CoV-2变种感染细胞，这表明这种方法确实可以导致一种针对多种冠状病毒的广谱抗病毒药物。
为了进一步改进WYS-633的药物特性，特别是考虑到口服生物利用度，团队进行了另一轮药物化学、AI支持的计算分析和体外测试，最终得到了WYS-694，这是一种比WYS-633强12.5倍的抗病毒化合物。
在最后的关键步骤中，贝尔尼埃、卡尔森和其他团队成员在表达人ACE2受体的小鼠中测试了WYS-694作为口服预防治疗的效果，然后感染了SARS-CoV-2病毒。虽然贝姆塞替尼和WYS-633未能降低病毒载量，但WYS-694将动物体内的病毒载量减少了四倍以上，并显著抑制了SARS-CoV-2感染。
“尽管使用谷歌的AlphaFold 3机器学习算法进行的额外计算预测支持了我们的中心假设，但我们仍需要通过详细的结构研究来证明WYS-694确实在刺突蛋白S2亚单位中我们确定的目标位点上结合，并且仅通过这种相互作用而没有任何其他潜在靶点就能实现抗病毒活性。”赖利说。“但我们的发现非常令人信服，为应对病毒爆发开辟了一条新途径。”
“通过瞄准一种口服可用且广泛抑制多种冠状病毒的药物，即使作为预防性治疗，我们故意设定了最高标准。”资深作者因格伯说。
“然而，我们整合的新AI驱动的计算和实验技术已被证明在实现这一目标方面极其强大。除了生产出一种在未来呼吸道大流行中有用的有前景的新药外，这种方法在发现针对使用膜融合蛋白的其他病毒家族（包括流感、HIV、埃博拉、麻疹等）的药物方面也具有巨大潜力。”
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