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关键词：COVID-19；Paxlovid；研发
科普作家Bethany Halford在博客上详细讲述了辉瑞的重磅COVID-19口服药Paxlovid的开发过程，简直是一个精彩绝伦的科学故事。
所以特意介绍给大家。
虽然我是做抗病毒免疫的，但是我一直对抗病毒小分子充满兴趣，所以我十分关注这些药物的开发，并一直在微博上报道。
我之前讲过开发历经十几年的HIV重磅抗病毒药—HIV衣壳抑制剂GS-6207的发现过程。而这里的高活性抗病毒药Paxlovid的开发，只用了不到两年。
其开发过程可以说是抗病毒小分子药物研发的另一个典范。我虽然对药物化学很感兴趣，但毕竟不是药化出身，希望学药化的同行指正。

Paxlovid可将COVID-19住院或死亡的风险降低 88%，并且这是目前唯一可以降低病毒载量的小分子抗病毒药。
辉瑞公布其抗病毒药的关键结果，四大特征支持其更接近“特效药”
随着高度传染性Omicron突变株导致COVID-19病例在世界范围内激增，医生们希望Paxlovid能成为一些患者的生命防线。上个月底FDA授予了Paxlovid的紧急使用（EUA），美国联邦政府立刻购买了2000万个疗程的药物。
辉瑞宣布计划在今年进行1.2亿个疗程的成产
，并寻求FDA的全部通过。


这个药物开发的故事开始于2020年3月13日。
辉瑞美国麻省剑桥分布的英国裔药物化学家Dafydd Owen被要求在家上班（WFH），那时辉瑞关闭了大量办公室和实验室，并要求员工在家上班。而Owen的经理让他在家筹划开发抗病毒小分子，以应对疫情。
Owen作为资深的药物化学家从英国剑桥大学获得有机合成博士学位，并在辉瑞公司工作了22年。11年前他移居美国，进入辉瑞的麻省剑桥分部。他擅长药物化学最经典的药物，酪氨酸激酶药物的高通量筛选（HTS）及开发。
酪氨酸激酶靶点药物的开发，是药物化学领域最经典的开发案例，Janet Rowley发现慢性粒细胞白血病患者有异位形成的费城染色体表达酪氨酸激酶，瑞士诺华公司的靶向酪氨酸激酶的药物格列卫（Gleevec，imatinib）的开发故事被传颂了几十年。

在这里之所以要谈格列卫，是因为开发抗病毒和开发抗肿瘤小分子药物具有共性，就是药物往往针对病毒和肿瘤的异常的酶结构，根据酶分子的构象设计和筛选药物。
Owen之前没有开发过抗病毒药，对从头开发一种抗病毒药毫无头绪，但是他的酶化学及HTS经验赋予了他独特的创新视角。在周末疯狂补习抗病毒药物开发的同时，辉瑞公司决定优先开发SARS-CoV-2的主要蛋白酶3CL（Mpro）。
3CL的主要功能是切割病毒的复制酶replicase多蛋白pro-protein，经3CL切割后的replicase才具有功能。
辉瑞之所以选择该靶点进行开发，主要是因为在2002-2003年非典疫情中，辉瑞开始开发SARS抗病毒药PF-00835231，PF-00835231的靶点是SARS-CoV的蛋白酶。PF-00835231始终没有进行临床试验，因为PF-00835231临床前开发时，SARS疫情已经结束。

PF-00835231是一个药物化学中的多肽类小分子药物，其富含氢键，具有极性表面，无法被肠道吸收，因此要将其改造成为口服SARS-CoV-2药物需要进行一系列化学修饰。
这便是Owen团队面临的最大挑战。
Owen最终于2020年4月重返实验室，在之后的13个月，他在家里设置了临时办公室，主要设计和讨论如何使PF-00835231及其抗病毒衍生物获得口服特性，其中一个策略是消除氢键供体，Owen团队由此运用了系统化学修饰，逐一消除氢键供体，再检测消除氢键后的每一个化合物的功能。该团队从PF-00835231中消除的第一个氢键供体是α-羟甲基酮。该位点与3CL中的半胱氨酸发生共价反应，因此药化专家推断他们可以将其替换为不是氢键供体的不同反应基团。他们选择了两个系列的化合物：一个具有苯并噻唑-2-基酮作为反应基团，另一个含有腈的反应基团。
直到药物活性实验接近尾声，化学家才在两者之间进行选择。

另一个重要的氢键供体位于PF-00835231的亮氨酸部分。
Owen团队决定用可以消除N-H健的环状氨基酸替换该部分。为了实现类亮氨酸结合，该基序还具有一个带有两个甲基的稠合环丙基环。计算机辅助药物设计表明该结构将插入结合位点。
而幸好这种设计有个先例：先灵葆雅曾在丙型肝炎（HCV）抗病毒药物boceprevir中使用过它。

这个化学修饰实际上是该工作最关键的部分。
Owen评价说环化是有机合成中的大决战，它直接这个药物设计的成败，因为一旦分子环化后，化学修饰无法再改变分子构象。
事实证明，这一设计是成功的，但代价是消除氢键后，该分子与蛋白酶口袋中的甘氨酸结合减弱，造成了药物活性的降低。
为了恢复与甘氨酸的相互作用，研究团队将PF-00835231的吲哚进行了各种置换尝试，包括甲磺酰胺、乙酰胺和三氟乙酰胺。 这三个分子看起来很相似，但只有三氟乙酰胺的置换产物能被肠道吸收。三氟乙酰胺的置换十分重要，Owen认为这一步反应保证了该药物的口服生物利用度。

最后，药化专家必须在它们的反应基团—苯并噻唑-2-基酮和腈之间做出选择。腈比苯并噻唑-2-基酮更易溶解。
分子越易溶解，就越容易制备临床前毒理学研究所需的高浓度分子溶液。而且大规模生产腈比大规模生产苯并噻唑-2-基酮要容易得多，但是苯并噻唑-2-基酮比腈更容易加扰。
最后基于大规模生产的需要，团队决定选择腈。
2020年7月22日，辉瑞化学家首次制造了 PF-07321332（最终被称为nirmatrelvir）。
这只是该团队合成的20个化合物物之一。2020年9月1日，大鼠药代动力学数据出炉，证明该药物口服生物利用度极好。

从那时开始，辉瑞化学家迅速扩大了 PF-07321332的大规模生产。
到2020年11月上旬该团队交付了1400g的化合物用于毒理学研究。
由于该药物为多肽类，因此其合成基本上归结为将酰胺键连接在一起。 Owen指出，PF-07321332中有一些复杂的双环结构和内酰胺，这是PF-00835231中唯一保留的分子部分。

为了制造他们的抗病毒候选药物 Paxlovid，该团队将PF-07321332与HIV抗病毒药物利托那韦结合使用。
这种方法是研究人员从项目开始就意识到需要采用的方法。利托那韦对SARS-CoV-2没有抗病毒活性，但确实与肝药酶结合，从而防止 PF-07321332在肝脏代谢中失活。


药化专家顾问 Jeremy Green对PF-07321332迅速开发赞不绝口。
他认为在蛋白酶领域，开发出可渗透肠道的化合物具有巨大挑战性，尤其是多肽类药物。2021年Owen将PF-07321332合成过程和活性实验发表在了Science。
Owen指出这个药物的开发是对学科科学家合作的结果。他表示大型制药公司能够将这些科学家整合在一个团队里，人们发挥他们的专业优势。
而他希望在这个阶段Paxlovid能帮助至于患者，并且能对疫情控制起到一定作用。
（感谢新时代的白衣骑士！）
参考文献：
https://cen.acs.org/pharmaceuticals/drug-discovery/How-Pfizer-scientists-transformed-an-old-drug-lead-into-a-COVID-19-antiviral/100/i3
本期编辑：Henry，微信号healsan。
Hanson临床科研团队，由6位在美国的医生及医学科学家组成；目前在美国主要从事新药研发和临床科研。
本文作者：王宇歌博士，一直从事病毒新药研发和mRNA疫苗研发工作。微博：子陵在听歌。
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