近日，我校胡愛國教授與合作課題組在中國化學會旗艦刊“CCS Chemistry”發(fā)表了題為“Extracellular Disintegration of Viral Proteins as an Innovative Strategy for Developing Broad-Spectrum Antivirals Against Coronavirus”的研究論文，報道了一種新的抗病毒策略—細胞外超級消毒法（Extracellular Ultrasanitizing Treatment, ECUST）。在具有破壞病毒結構蛋白能力的烯二炔分子上嫁接多個硫酸鹽陰離子基團，形成廣譜抗冠狀病毒的復合物。該類復合物高度負電荷集中的特點使得其在宿主細胞外與冠狀病毒結合，從而實現(xiàn)對其特異性殺傷作用。
二十一世紀伊始，全球已經(jīng)經(jīng)歷了三次冠狀病毒疫情的暴發(fā)，包括2003年SARS病毒引發(fā)的傳染性非典型肺炎疫情，2012年由MERS病毒引發(fā)的中東呼吸綜合征疫情，以及目前尚未完全終結的由SARS-CoV-2病毒引起的新冠肺炎（COVID-19）疫情。近幾年中全球無數(shù)個研究團隊致力于研發(fā)出高效的抗冠狀病毒疫苗及藥物，對新冠肺炎的預防與治療起到了重要的作用。這些抗病毒方法大致可以分為兩類，一類作用于細胞內(nèi)，一類作用于細胞外。前者主要針對病毒在細胞內(nèi)復制、組裝、釋放等過程中的關鍵的酶而起效，但是，在細胞內(nèi)“追殺”病毒難免會影響細胞中正常的生理過程，帶來多種副作用。后者主要以親合模式，屏蔽病毒進入細胞的通路，副作用相對較小。然而，新冠病毒的一些變種已經(jīng)出現(xiàn)了免疫逃逸現(xiàn)象，使得疫苗保護作用大幅度降低。而廣泛使用的抗病毒藥物在對抗這些新變異株時也已經(jīng)表現(xiàn)出耐藥性問題。人們亟需一種全新的抗病毒策略以應對快速突變的病毒乃至未來可能爆發(fā)的新病毒。針對以上問題，本文報道了一種獨特的抗病毒策略，利用多陰離子化的烯二炔化合物在宿主細胞外破壞冠狀病毒的結構蛋白質(zhì)，達到廣譜高效抗病毒的效果。
烯二炔是由一個烯單元共軛連接兩個炔單元而形成的“炔-烯-炔”主體化學結構。由于它們結合了獨特的分子結構和強烈的生物大分子（如DNA）剪切活性，吸引了無數(shù)合成化學家和生物學家的目光。天然烯二炔是目前已知最具細胞毒性的分子，它們的抗腫瘤活性比臨床上常用藥物如阿霉素高出上千倍。除了剪切DNA外，烯二炔類化合物還可作用于蛋白質(zhì)，使蛋白質(zhì)鏈發(fā)生分子內(nèi)交聯(lián)或降解，從而失去其結構完整性乃至生物活性。然而，天然烯二炔是從放線菌中分離得到的，來源非常稀少，提取量一般在微克級別。由于它們復雜的分子結構，通過化學方法進行合成也非常困難，極大地限制了它們的應用。為了尋找能夠替代天然烯二炔的優(yōu)異藥物，人們付出了大量努力用于設計合成具有高反應活性的烯二炔分子。胡愛國教授研究組經(jīng)過系列研究，發(fā)現(xiàn)在非環(huán)烯二炔的烯端引入馬來酰亞胺基團對于降低化合物的熱觸發(fā)反應溫度有著重要作用，并提出了馬來酰亞胺促進的重排和環(huán)芳香化反應（MARACA）機制（J. Org. Chem. 2020, 85, 9808-9819）。研究表明馬來酰亞胺基團的存在可以促進分子內(nèi)的級聯(lián)1,3-質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，使得原本熱穩(wěn)定的開環(huán)烯二炔化合物在生理環(huán)境下原位轉(zhuǎn)化為烯炔-聯(lián)烯結構，并快速通過Myers-Saito環(huán)化反應形成高活性的雙自由基中間體。
通過電子順磁共振實驗，本文作者證明所設計合成的烯二炔化合物具有在生理溫度下產(chǎn)生自由基的能力。選用自由基捕捉劑PBN將體系生成的自由基轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的氮氧自由基。研究結果表明，與對照組相比，烯二炔體系在3520 G處出現(xiàn)了對應于氮氧自由基信號的典型三組雙重峰，由此證實了體系中自由基的產(chǎn)生。作者進一步借助SDS-PAGE凝膠電泳技術探究了此類馬來酰亞胺基烯二炔化合物對新冠病毒S蛋白的損傷作用。結果表明烯二炔對蛋白質(zhì)具有非常強烈的破環(huán)能力，且裂解效果呈現(xiàn)濃度依賴性。
由于細胞表面的糖萼（多糖-蛋白質(zhì)復合物）帶有大量的負電荷，而冠狀病毒的S蛋白，特別是受體結合域（receptor binding domain，RBD）具有高度正電荷集中的特點，因此冠狀病毒可以通過靜電相互作用結合到人類宿主細胞上。胡愛國教授研究組設計的復合烯二炔模擬了糖萼的電荷特性，在高反應活性的烯二炔分子上嫁接了多個硫酸鹽基團。這些多陰離子基團的引入使得烯二炔不再進入細胞，從而不會對宿主細胞造成破壞。與此同時，烯二炔核心基團則在多陰離子基團的協(xié)助下與冠狀病毒的S蛋白結合，通過其產(chǎn)生的高活性雙自由基氧化破壞S蛋白的結構，從而使得冠狀病毒失去與宿主細胞結合的能力。在敏感細胞系（Huh-7，hACE2/Caco2和RD）中通過空斑減數(shù)中和試驗評估了這些復合烯二炔對人季節(jié)性冠狀病毒（hCoV-229E, hCoV-NL63和hCoV-OC43）感染能力的影響。結果顯示所有的烯二炔均對冠狀病毒表現(xiàn)出明顯的抑制作用。使用CCK-8細胞計數(shù)試劑盒檢測烯二炔的細胞毒性，發(fā)現(xiàn)EDY-C即使在最高工作濃度（1 mM）下也沒有表現(xiàn)出任何細胞毒性。本文作者進一步探究了這些烯二炔化合物對抗新冠病毒omicron變種的能力。研究結果發(fā)現(xiàn)，烯二炔作用濃度可以低至56 nM，而當其濃度超過mM級別時才表現(xiàn)出細胞毒性，選擇性因子超過20000，說明其是一種潛在的安全高效的廣譜抗新冠病毒藥物。
文章鏈接：https://www.chinesechemsoc.org/doi/full/10.31635/ccschem.023.202302706