Hergebruik van FDA-Goedgekeurde Medicijnen om SARS-CoV-2 Hoofdprotease te Remmen: Een Virtuele Screening Analyse

Targeting de SARS-CoV-2 Hoofdprotease

Het ontwikkelen van een nieuw antiviraal is zowel duur als tijdrovend. Midden in een mondiale pandemie is de urgente noodzaak om medicijnen te identificeren die virale replicatie snel kunnen stoppen. Medicijnhergebruik—het benutten van medicijnen al bewezen veilig in mensen—biedt een veelbelovende snelweg. Terwijl enkele medicijnen bescheiden voordelen kunnen bieden, zouden strategische combinaties die meerdere virale eiwitten aanvallen, zoals in het geval van HIV-therapie, substantiële klinische winst kunnen opleveren. De sleutelvraag: welke combinaties zullen het meest effectief zijn tegen SARS-CoV-2?

Onze studie richt zich op de actieve-plaats architectuur van de protease, vergeleken met de goed gekarakteriseerde SARS-CoV protease gebonden aan micromolaire inhibitoren. Deze structurele inzicht gids het ontwerp van krachtige inhibitoren voor SARS-CoV-2.

We voerden vervolgens een virtuele screening uit van een FDA-goedgekeurde medicijnenbibliotheek om moleculen te identificeren die voorspeld worden de protease te binden en hun potentieel in combinatietherapieën te evalueren.

SARS-CoV-2 Eiwitten

De snelle sequencing van virale genomen van patiënten leverde de sequenties van talloze potentiële medicijndoelen. Veel van deze eiwitten delen hoge gelijkenis met SARS-CoV tegenhangers, wat initiële homologiemodellen mogelijk maakt. Naarmate experimentele structuren (X-ray, Cryo-EM) beschikbaar komen, verfijnen ze ons begrip van druggable sites.

Onder coronavirussen is de hoofdprotease (Mpro, ook bekend als 3CL Protease) een leidend medicijndoel. Naast papain-achtige proteases, cleaveert Mpro het polyproteïne 1ab op 11 gedefinieerde plekken, een proces essentieel voor virale rijping.

Het remmen van Mpro blokkeert replicatie. Omdat geen humane protease de cleavagespecificiteit deelt, zijn inhibitoren minder geneigd off-target toxiciteit te vertonen.

Structuur-Gebaseerd Ontwerp voor Hergebruik: Mpro

Mpro functioneert als een homodimer (Fig. 2), elk subunit bevattend een katalytische His41/Cys145 dyad.

De SARS-CoV-2 protease deelt 96,1% identiteit en 99% gelijkenis met zijn SARS-CoV voorloper. Alleen één residue verschilt in de actieve plaats: positie 46 is Serine in plaats van Alanine (Fig. 3).

Talrijke SARS-CoV Mpro structuren gecomplexeerd met micromolaire inhibitoren zijn beschikbaar; de meest krachtige liganden zijn covalente. De actieve plaats is onderverdeeld in vier subsites (S1′, S1, S2, S4) die diverse chemotypen accommoderen.

In hoge-affiniteit complexes (PDB 2ZU4 en 2GX4; Ki = 0,038 µM en 0,053 µM) vormt de cysteine 145 thiol een covalente binding met de inhibitor, wat het belang van covalente binding voor sterke binding benadrukt.

Gedetailleerde analyse van deze interacties informeert de sleutelcontacten om te monitoren in docking studies.

Virtuele Screening Workflow

Met de 2,5 Å kristalstructuur van de SARS-CoV-2 protease dimer gebonden aan de covalente inhibitor N3 (PDB 6LU7) uitgebracht in februari, voerden we een systematische virtuele screen uit. N3 bezit de substraat-bindingszak in een uitgekte conformatie (Fig. 5).

Onze bibliotheek bestond uit 2.684 FDA-goedgekeurde medicijnen met molecuulgewicht < 800 Da. Docking werd uitgevoerd met GOLD (CCDC), gevolgd door bindings-vrije-energie berekeningen met CHARMM/GBMV. Elke pose onderging in-situ ligand minimalisatie (14 Å straal) en ligand-entropie schatting. Veel top-scoring verbindingen waren bekende HIV/HCV protease inhibitoren (Fig. 6).

De beste kandidaat, Troxerutin—een flavonoïde—scorde hoog. Flavonoïden hebben gedocumenteerde protease-remmende activiteit; recente IC₅₀ waarden voor herbacetin, rhoifolin en pectolinarin tegen SARS-CoV waren 33,17, 27,45 en 37,78 µM, respectievelijk.

Dipyridamol (Fig. 7) rankte vijfde. Een recente preprint rapporteert zijn vermogen om HCoV-19 replicatie te onderdrukken met een EC₅₀ van 100 nM in vitro.

Preprint studies van HIV protease inhibitoren ondersteunen verder activiteit tegen SARS-CoV-2. Nelfinavir remde bijvoorbeeld virale replicatie in Vero E6 cellen.

Ritonavir en Lopinavir, beide interagerend met katalytische residuen en additionele sleutel zijketens (GLU166, PRO168, GLN189), zijn onder klinische onderzoek. Echter, IC₅₀ data voor deze middelen tegen SARS-CoV-2 blijven onbeschikbaar.

Atazanavir toont ook activiteit in geïnfecteerde cellen, wat virale replicatie en pro-inflammatoire cytokinproductie vermindert. Een net vrijgegeven structuur (PDB 6W63) met inhibitor X77 deelt een vergelijkbare bindingsplaatsoriëntatie met 6LU7; re-docking bevestigde vergelijkbare voorspellingen.

Implicaties en Toekomstige Richtingen

Met vier subsites kan de Mpro zak diverse liganden met matige affiniteit accommoderen. Virtuele screening dient dus als krachtig instrument om kandidaat inhibitoren te identificeren en hun bindingsmodi te verduidelijken.

Deze computationele hypothesen vereisen experimentele validatie—IC₅₀ metingen, covalente docking, en farmacokinetisch profieleren—om klinisch haalbare therapeutica te ontwikkelen. Covalente inhibitoren, in het bijzonder, vertonen vaak superieure potentie en verlengde werking, wat ze aantrekkelijke leads maakt.

Uiteindelijk biedt dit werk een snelle, structuur-geguide roadmap voor het hergebruik van bestaande medicijnen tegen COVID-19, wat de urgente vertaling van bank naar bedside vergemakkelijkt.

We danken het Cambridge Crystallographic Data Centre voor toegang tot GOLD; de bewezen effectiviteit in virtuele screening en lead optimalisatie ondersteunt deze studie. Een interface naar GOLD is beschikbaar binnen Discovery Studio.