根除丙型肝炎的“神药”—丙肝病毒NS5A抑制剂

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2020年中国国家药监局(NMPA)“官宣”批准了14款创新药,其中有三种是治疗丙型肝炎的药物,它们都是丙肝病毒(HCV)NS5A抑制剂。一个是东阳光长江药业股份有限公司的1类创新药磷酸依米他韦胶囊(商品名:东卫恩),这是国内自主研发并拥有自主知识产权的创新药,另一个是歌礼生物科技(杭州)有限公司的1类创新药盐酸拉维达韦片(商品名:新力莱)。拉维达韦是歌礼从一家位于旧金山的小生物技术公司—Presidio制药购入的。凯因科技的1类创新药盐酸可洛派韦胶囊(商品名:凯力唯),化合物专利是从美国的intermune inc(英特穆恩公司)转让来的。


这着实让感到意外!甲肝和乙肝在发展中国家很普遍,但丙肝大多在发达国家发现。据世界卫生组织估计,2015年全球有7100万人有慢性HCV感染,其中中国有1千万HCV携带者。这让想起了威利·萨顿,当他被问及为什么抢劫银行时,萨顿只是简单地回答:“因为钱在银行里呀。”

同样,为什么在中国一年内会批准两款丙肝病毒NS5A抑制剂?因为丙型肝炎病毒非结构蛋白NS5A是一个有效的靶点,美国己有六个NS5A抑制剂上市,新药成功的几率很高。  

根除丙型肝炎的“神药”—丙肝病毒NS5A抑制剂   第1张

下面,杰克教授将为大家讲述甲型肝炎和乙型肝炎的发展历史, 以及丙肝病毒NS5A抑制剂在丙型肝炎治疗中作用。


01
甲型肝炎和乙型肝炎


甲型肝炎也被称为传染性肝炎,具有高度传染性,潜伏期约一个月。甲型肝炎多流行于卫生条件差的地区,受污染的食物和水是常见的传染源。甲型肝炎通过粪口途径传播,甲肝病毒在肝脏中复制,分泌入胆汁,然后随粪便排出。
 
1988年,由于食用生贝类(大部分是甲肝病毒污染的蛤),中国上海爆发了甲肝流行。大约有31万例甲型肝炎,其中8000多例需要住院治疗。疫情结束时,共有47名患者死亡,死亡率为0.015%。病人中已患乙肝的患者死亡率比单纯感染甲肝患者的死亡率高5.6倍[1]
  
即使在今天,甲型肝炎也没有有效的抗病毒药物。良好的卫生可能是最好的预防措施,另一种预防措施是甲肝疫苗。

中国使用的是H2型活疫苗。为了制备疫苗,要从甲型肝炎患者的粪便标本中提取并分离出H2病毒,然后在人成纤维细胞中繁殖,通过连续传代(有时多达23次),从猴肾细胞到人类成纤维细胞,然后细胞裂解物纯化,福尔马林失活,氢氧化铝佐剂吸收,最终制备而成。
 
我国于1992年引进了减毒H2疫苗,1993年又引进了灭活HM疫苗。数以百万计的中国人已经接种甲肝疫苗,中国极可能用疫苗成功地消灭甲肝病毒[2]

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乙型肝炎的潜伏期大约三个月,通过被感染的血液、血清或血浆而传播。1965年,Baruch(Barry)Blumberg通过观察血液样本中的澳大利亚抗原发现了乙型肝炎病毒(HBV)。他还发明了一种从乙肝患者血浆中提取的乙肝疫苗,由默克公司研发。

其后,默克公司利用重组DNA技术开发出了更好的乙肝疫苗Recombivax HB,于1986年获得FDA批准。
 
当时,中国和亚洲许多发展中国家一样,乙肝感染很普遍。在人口如此庞大的国家,乙型肝炎的感染率高达15%。乙肝成为当年中国第一大公共卫生问题。
 
上世纪80年代末,中国政府与默克公司就乙肝疫苗进行洽谈。人们立即意识到默克公司的基因工程重组乙肝疫苗太贵了,技术转让是唯一经济可行的方法。
 
默克公司首席执行官罗伊·维杰洛斯(Roy Vegelos)决定向中国政府收取最便宜的价格,七百万美元,出售两个最先进的重组DNA疫苗工厂,产能为每年2000万剂乙肝疫苗。一套建在北京,另一套建在深圳。不久,通过普及疫苗接种,中国控制了乙型肝炎的漫延,数百万生命获救[3]

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在乙肝有效治疗药物问世前,治疗乙肝的唯一方法是干扰素和后来的聚乙二醇干扰素。从1998年以来,6种乙肝治疗药物被FDA批准上市。它们可分为两类:

第一类乙肝治疗药物是核苷类药物。葛兰素史克的拉米夫定(3TC)于1998年获得批准。BMS的恩替卡韦于2005年批准上市,在国内已广泛应用。2006年,诺华的替比夫定(LdT, Tyzeka)被授权治疗乙型肝炎。
 
第二类HBV药物是无环核苷磷酸盐的前药。20世纪70年代早期,威康公司的化学家霍华德·谢弗(Howard Schaeffer)确定,化合物的完整核糖糖环,如鸟苷(阿昔洛韦的前体),对于结合DNA合成酶并不是必需的。此外,磷酸盐可以模拟核苷单磷酸,有效地绕过第一磷酸化步骤(称为激酶绕过

含有极性磷酸基团的无环核苷酸类似物会在肾近端小管积累,从而导致肾脏毒性。肾脏毒性限制了这类药物的使用。此外,磷酸基团的高极性也阻碍了该药跨越肠道脂质双分子层的有效吸收。补救的策略是用前药来遮盖磷酸基团。
 
吉列德的阿德福韦酯(Hepsera)于2002年获批,替诺福韦酯(Viread)于2008年获批。最终,吉利德使用磷酰胺前药ProTide,得到了替诺福韦艾拉酚胺(Vemlidy),该药于2016年被FDA批准用于治疗乙肝。
 
这类无环核苷磷酸盐被联合国教科文组织命名为Holý Trinity。三位科学家对它们的发现和开发做出了主要贡献,他们是安东尼·霍尔、约翰·C·马丁和埃里克·德·克莱克[4]

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02
丙肝治疗药物


1989年HCV被发现。31年后的2020年10月5日,诺贝尔大会在卡罗琳娜学院宣布,诺贝尔生理学或医学奖授予哈维·J·奥尔特、迈克尔·霍顿和查尔斯·M·赖斯,以表彰他们“发现了丙型肝炎病毒”。2020年诺贝尔奖颁发时,已经有了很多治疗丙型肝炎的药物。

在更安全、更有效的直接抗病毒药物出现之前,丙肝的治疗主要采用聚乙二醇干扰素和广谱抗病毒药利巴韦林。令人遗憾的是,干扰素引起流感样症状,利巴韦林可能引起溶血性贫血。在许多情况下,严重的副作用导致患者停止治疗。

Rice的HCV基因组发现有助于发现直接作用抗HCV药物。下图是与非结构蛋白相关的HCV基因组的一部分。几乎所有的HCV非结构蛋白都被证明是抑制HCV复制的有效靶点。

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最早的治疗丙型肝炎的直接作用抗病毒药物是Schering-Plough公司的波普瑞韦(Victrelis)和Vertex公司的替拉普韦(Incivek)。这两款药物均于2012年5月获批,它们都是HCV NS3/4A丝氨酸蛋白酶的缓慢可逆共价抑制剂。
 
在结构上,这两款药物都有一个酮酰胺的“弹头”作为该酶的可逆转亲电陷阱。当药物与蛋白酶结合时,活化碳基与起催化作用的139-丝氨酸形成可逆共价键。药物与蛋白酶的加合物模拟了丝氨酸蛋白酶的过渡态。

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波普瑞韦和替拉普韦是非常好的丙肝病毒NS3/4A抑制剂,但还有更好的抑制剂紧随其后。德国勃林格•殷格翰公司为NS3/4A抑制剂的研发奠定了坚实的基础,其大环抑制剂“法达瑞韦”和无环抑制物“西鲁普韦”均为可逆抑制剂。
 
至少有8款NS3/4A抑制剂获得了FDA的批准,其中四种是单药处方药:杨森的司美匹韦(Olysio,2013年),罗氏的达诺瑞韦(Ganovo,2013,仅在中国上市),BMS的阿舒瑞韦(Sunvepra,2014年)和默克的伐尼瑞韦(Vanihep,2014,只在日本上市)。

另外四种药物为复方制剂中的成分:默克的格拉瑞韦(Zepatier,2016)、默克的那拉匹韦(Arlansa,2016,仅在俄罗斯)、阿布维的格卡瑞韦(Mavyret,,2017)和吉利德的伏西瑞韦(Vosevi,2017年)
 
真正使丙型肝炎成为可治愈疾病的药物是HCV NS5B抑制剂,特别是吉利德的索非布韦(Sovaldi,2013)。该药是位于新泽西州普林斯顿的一家小型生物技术公司Pharmasset发现的。
 
HCV NS5B蛋白是一种RNA依赖的RNA聚合酶,负责病毒基因组的复制。索非布韦早期临床试验表明,它对基因型-1的受试者有巨大的希望,98%完成治疗方案的患者在治疗结束12周后达到了持续病毒反应(SVR),SVR被定义为无法检测到病毒。索非布韦耐受性良好,无病毒反弹。
 
在随后的临床试验中,索非布韦的成功超出了所有人的想象。索非布韦和利巴韦林的组合在12周内达到100%的持续病毒反应。除了非常有效,索非布韦显然也非常安全。这些惊人的结果为丙型肝炎的治疗革命奠定了基础。[5]
 
2011年,Pharmasset公司的市值达到70亿美元,尽管索非布韦是其唯一的真正值钱的资产。同一时期的Vertex公司拥有更高的市值,也是如此。11月,吉列德首席执行官兼董事长约翰·C·马丁(John C. Martin)宣布,吉列德将以约112亿美元的价格收购Pharmasset公司,溢价高达89%,相当于吉列德市值的三分之一。
 
Pharmasset首席执行官谢弗·普莱斯(Schaefer Price)持有公司3%的股份,这笔交易使他轻松获得2.55亿美元。另一位创始人,雷蒙德·斯辛纳齐,持有公司4.4%的股份,从这笔交易中获得4.4亿美元。这个仅有82名雇员的公司里,即使实验科学家们都成为了百万富翁。[6]
 
2013年底,索非布韦(Sovaldi)获得了FDA的批准与利巴韦林联合治疗HCV基因型1-4。这是第一个不与麻烦的干扰素联合治疗HCV的获批疗法。

尽管华尔街都认为收购Pharmasset过于昂贵,但吉列德仍然赚了不少。索非布韦以每片药卖1000美元的高价而闻名,这引起了病人、保险公司甚至国会的不满。丙型肝炎曾一度被估值为200亿美元的市场。
 
市场上另外两种NS5B抑制剂是艾伯维的达拉他韦(Viekira Pak,2014年)和BMS的贝卡布韦(Ximency,2016年,仅在日本获批)。它们都是复方药物的成分。
 
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03
丙型肝炎和NS5A抑制剂


非结构蛋白5A(NS5A)实际上没有酶的活性,这一点不像HCV基因组中的许多其他蛋白质,如NS3丝氨酸蛋白酶和NS5B聚合酶,但这并不意味着NS5A没有用。事实上,它是HCV RNA复制和病毒粒子组装所必需的,NS5A被称为HCV生命周期的主调节器
 
NS5A蛋白的晶体结构于2005年被公布。尽管很难找到与酶活性无关的药物,但BMS的达卡他韦于2008年成为第一个临床上显示疗效的NS5A抑制剂。单剂量达卡他韦的效果显著,HCV感染者的病毒RNA迅速下降。

BMS使用了一种独特的表型复制子检测方法筛选了超过100万种化合物,并确定了一种亚氨基噻唑烷酮作为中等强效的丙肝抑制剂的苗头化合物。实验和分析表明,该苗头化合物能与NS5A蛋白的结合。
 
从筛选化合物的结构中简单地除去一个氧,就可以很容易地将高通量筛选(HTS)得到苗头化合物的效力提高超过250倍。这种去掉一个氧的化学型在一些有机溶剂中不稳定,会通过自由基途径被降解掉。一个关键的启发性实验发现,一种二聚体(来自分析基质中的自由基降解过程)在复制子检测中被发现是有效的抑制剂。
 
随后,BMS Wallingford分部的由Nick Meannwell领导的化学家小组将这种二聚体被简化为具有二苯乙烯核结构的对称分子,从而获得了一个新的先导化合物。化学家们对先导化合物进行了重点提高效力的结构细化,这一重要的迭代产生了达卡他韦。
 
达卡他韦可用于更广泛的HCV基因型,扩大了HCV病毒适应证。化学家们还优化了其药代动力学特性,使达卡他韦在皮摩尔浓度就能在细胞检测中有活性。丙肝病毒NS5A复制复合物抑制剂达卡他韦(Daklinza)于2015年获得批准,成为首个表型复制子临床验证有效的药物[7]
 
BMS的达卡他韦对其他NS5A抑制剂的发现都有巨大影响。事实上,达卡他韦的结构特征可以在其他5个NS5A复制复合抑制剂中找到,包括:吉利德的雷迪帕维和韦帕他韦;默克的艾尔巴司韦以及艾伯维的奥贝他韦和派仑他韦。
 
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尽管吉利德起步较晚,但其雷迪帕韦在2014年获得FDA批准,比BMS的达卡他韦(Daklinza)的获批还早一年。吉利德开始研究HCVNS5A时抑制剂,该公司有20多个HCV研究项目正在进行,一些化合物进入临床试验。雷迪帕韦的结构与BMS的达卡他韦有很大的相似性,但又有一定的区别。
 
吉利德很有可能是从BMS的达卡他韦专利中获得了结构的灵感。这种做法并没有什么不对,通常被通俗地称为专利找空。专利的一个主要目的,除了防止竞争对手做一模一样的事,就是鼓励竞争,只要有足够的差异。例如,雷迪帕韦是不对称的,而达卡他韦具有C2对称性。
 
吉利德发现,他们的非对称方法提供了有用的结构变化和更优越的性能。虽然这两种药物都有一个联苯核心,雷迪帕韦的核心结构是稠合的三环双氟芴。这两种氟阻断了芴环上的代谢弱点,这是目前药物设计中经常采用的策略。最后,化学家们发现螺旋环丙基改性的吡咯烷片段上的分子左侧提供了最有效的抑制剂。
 
这样得到的药物雷迪帕韦具有皮摩尔级的抗病毒效力。考虑到它有99%的蛋白结合,实际效力高达飞摩尔级!雷迪帕韦还有一个较长的半衰期,超过40小时。吉利德巧妙地将他们的重磅药物索非布韦添加到雷迪帕韦中,作为商品名为Harvoni的组合药物。该药是第一个被批准用于治疗HCV感染的单片剂方案,其治愈率高达95%,治疗时间短至只有8周。[8]
 
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吉利德完成雷迪帕韦的发现后,又发现了一种更好的NS5A抑制剂,该抑制剂可有效治疗所有的HCV感染患者,不论HCV基因型。吉利德的努力最终发现了泛基因型NS5A抑制剂维帕他韦,它对HCV所有六个基因型都有高效力。
 
维帕他韦与NS5B抑制剂索非他韦联合,成为单片复方Epclusa,于2016年获批。维帕他韦还与索非他韦和吉利德的NS3/4A抑制剂伏西瑞韦联合制成单片复方Vosevi,于2017年获批[8]
 
默克公司研究丙型肝炎病毒靶点长达30年,其NS5A抑制剂艾尔巴司韦是由他们新成立的外部基础研究(EBR)小组和中国药明康德的科学家团队发现的。2008年,Craig Coburn领导的EBR-8小组在药明25位化学家的支持下启动了HCV NS5A项目。
 
虽然默克公司最初基于哌嗪的药物发现与NS5A有关,但其分子结构开始缓慢转变为含咪唑类、吡咯烷类和L-缬氨酸的达卡他韦类分子,毫无疑问,也受到BMS的达卡他韦的强烈影响。
 
当默克公司用吲哚环取代达卡他韦的苯基环时,他们获得了新的知识产权。此外,分子中独特的四环吗啡样支架也是创新。他们的劳动成果导致了艾尔巴司韦的发现。它与默克公司的NS3/4A蛋白酶抑制剂格拉瑞韦联合使用,单片复方于2016年获批,商品名为Zepatier[9]
 
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雅培作为医疗诊断的巨头,是首批将丙肝病毒血样检测商业化的公司之一。艾伯维于2013年从雅培分离出来,艾伯维在传染病领域有着悠久的传统,为抗菌和抗病毒药物做出了巨大贡献。
 
艾伯维的NS5A抑制剂哌仑他韦的起源要归功于表型筛选HTS获得的苗头化合物。虽然其作用机制不可知,但该苗头化合物抑制HCV基因型1b的亚基因组复制子的复制。

萘啶被发现可作为强大的基因型1b的复制子抑制剂。艾伯维在利用C2对称策略发现HIV蛋白酶抑制剂利托那韦(Norvir)方面非常成功,该策略也非常适合他们的NS5A抑制剂发现项目。
 
艾伯维广泛的药化工作发现了奥贝他韦,其III期临床试验的有效性和安全性数据证明了监管备案的合理性。艾伯维将奥贝他韦与他们的 NS3/4A 蛋白酶抑制剂帕瑞他韦、NS5B 聚合酶抑制剂达拉他韦、药物增强剂利托那韦相结合,自 2014 年以来已销售了商业名为Viekira Pak的四种药物组合。
 
联合药物效果很好,但一粒药丸中有四种药物使得其药理学和药物相互作用变得更加复杂。如果更少的药物能达到同样的治疗终点,那将好得多。

为了进一步改进奥贝他韦,艾伯维对其分子进行了三次重大修改。两种异丙基被两个乙醚类似物取代,这降低了药物的亲脂性。另一个油性的叔丁基-苯基"帽"被苯基-哌啶集所取代,由于含氮哌啶环,其理化性能更好。
 
更重要的是,增加四个氟原子无疑减缓了其在体内的代谢,从而获得了一个更好的NS5A抑制剂—哌仑他韦。艾伯维将哌仑他韦与 NS3/4A 抑制剂格卡瑞韦相结合,自 2017 年以来销售该药物,其商品名为Mavyret。这个复方药只含有两种药物成分,使开处方的医生和药剂师的工作容易得多。[10]
 
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综上所述,FDA批准的HCV NS5A蛋白抑制剂如下:


  • 雷迪帕韦(Harvoni的一种成分,与索非布韦联合,吉利德),2014年

  • 奥贝他韦(ViekiraPak的一种成分,与NS3/4A抑制剂帕瑞他韦、达拉他韦和利托那韦联合使用),2014年

  • 达卡他韦(达克林扎,BMS),2015年

  • 艾尔巴司韦(Zepatier的一种成分,与NS3/4A抑制剂格佐普韦联合使用),默克公司,2016年

  • 哌仑他韦(Mavyret的一种成分,与NS3/4A抑制剂格卡瑞韦联合使用),艾伯维,2017

  • 唯帕他韦(Epclusa的一种成分,与NS5B抑制剂索非他韦联合使用,吉利德),2016年;沃士韦(Vosevi的一部分,与NS3/4A抑制剂伏西瑞韦和索非他韦联合使用),2017年


 
在HCV NS5A抑制剂领域,中国正在赶上美国。这真是太棒了!需要提醒的是,单靠NS5A抑制剂远远不能治愈肝炎,它们需要与NS3/4A和NS5B抑制剂联合使用以覆盖所有病毒型。病毒非常狡猾,会不断变异。为了根除丙肝,我们能阻断的非结构蛋白越多,根除这个看不见的敌人的机会就越大。
 
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04
医学的胜利 


几乎所有安全有效的直接作用HCV的抗病毒药物都违反了Lipinski五规则。辉瑞公司的计算化学家克里斯·利平斯基(Chris Lipinski)在20世纪90年代仔细研究市场上所有的小分子药物后,提出了五规则。要使药物具有生物有效性,或类药性,分子通常遵循一定的规则。
 
Lipinski五规则是一个大致衡量化合物的溶解度和渗透性的是否达到“典型”药物分子的水平。如果下列两项或更多项超过这些限制,就要为这个化合物设置预警:


  • 分子量(M) >500.0道尔顿

  • 脂水分配系数对数值(C) > 5.0

  • 氢键受体(A)>10

  • 氢键供体(D)>5



否则,化合物标记为OK。

Lipinski五规则的公布是药物发现领域一个分水岭,产生了持久的影响。科学家也和所有人一样喜欢捷径。如果有一个简单的规则可遵循,生活会变得更容易。Lipinski提出的“五规则”恰好正中研发经理的下怀,他们总能在演讲中明智地指出,有一两个分子超出了五规则的范围。
 
同时,其他计算化学家也提出了自己的规则。一方面,大制药公司生产的大部分分子都是“遵守规则的”,因此具有更好的理化性能。另一方面,有很多优秀的药物(约10%)由于遵循教条而被遗漏,这极大地阻碍了药物设计的创新。

规则就是用来打破的,许多药物超出了五规则的限制。几乎所有的丙肝病毒直接作用抗病毒药物都超出了Lipinski五规则。为什么?

因为我们不能完全预先想到起作用的许多因素。例如,“化学变色龙”可以发挥作用。有些分子,如环孢素A,具有很多极性基团,不适于穿透细胞膜。但环孢素A形成四个分子内氢键,变得明显更具有“油性”,因此能够进入细胞。如今,超越五规则的药物变得越来越多。




05
肝炎病毒和有效治疗方法的发现是现代医学真正的胜利


肝炎病毒的发现是科学的胜利。甲肝病毒通过免疫电子显微镜发现,乙肝病毒通过抗原抗体反应发现,丙型肝炎病毒通过克隆发现,它代表了病毒学的巅峰。

肝炎有效治疗药物的发现是学术界、政府机构,特别是制药行业科学家的胜利。这种成功是药理学、药物化学、计算化学、药物代谢和药代动力学、毒理学和临床科学进步的顶峰。从这些经验中获得的知识对于我们征服下一个看不见的敌人,例如SARS-Cov-2,将是无价的。
 
最为重要的是,肝炎领域的成功是患者的胜利。有效的甲肝、乙肝、丙肝疫苗和治疗药物可以挽救患者的生命,提高患者的生活质量。
 
千真万确!肝炎领域的成功是现代医学的胜利。



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