基于萘啶骨架的HIV-1整合酶抑制剂通过优化π-π堆积相互作用增强抗耐药突变效力

《NAR Molecular Medicine》：Pi-Pi Stacking Interactions with Viral DNA Contribute to the Potency of Naphthyridine-Based HIV-1 Integrase Inhibitors

本研究针对HIV-1整合酶链转移抑制剂（INSTI）耐药突变导致的治疗失效问题，开发了新型4-氨基-5-羟甲基萘啶类抑制剂。通过冷冻电镜结构解析发现，4b化合物能通过增强与病毒DNA的π-π堆积作用，显著提高对G118R、Q148K等临床常见耐药突变的抑制效力，为新一代抗艾滋病药物设计提供了新策略。

　　

在艾滋病治疗领域，病毒耐药性始终是悬在科研人员头顶的达摩克利斯之剑。尽管整合酶链转移抑制剂（INSTI）已成为抗HIV-1治疗的核心药物，但病毒通过整合酶（IN）基因突变产生的耐药性问题日益突出。特别是随着第二代INSTIs（如多替拉韦DTG、比克替拉韦BIC和卡博特拉韦CAB）的广泛应用，针对这些药物的耐药突变株也逐渐出现，严重威胁着长期治疗效果。

在这一背景下，美国国家癌症研究所等机构的研究团队将目光投向了萘啶类INSTIs的优化设计。他们此前开发的含5-羟甲基的化合物4a已显示出良好的抗耐药突变活性，但其作用机制尚不明确。更令人困惑的是，为何在缺乏6位取代基的情况下，5位羟甲基仍能保持抗耐药活性？为解答这一谜题，研究团队在《NAR Molecular Medicine》上发表了最新成果，通过综合运用结构生物学和计算生物学方法，揭示了萘啶类抑制剂与病毒DNA之间的关键相互作用机制。

研究团队采用的关键技术方法包括：基于Diels-Alder/逆Diels-Alder级联反应和Dieckmann缩合反应的化合物合成策略；基于荧光素酶报告基因的细胞水平抗病毒活性检测；高分辨率冷冻电镜（分辨率达2.3 ?）解析HIV-1整合体与抑制剂的复合物结构；结合分子动力学模拟（200 ns）、量子力学/分子力学（QM/MM）计算和自由能微扰（FEP）的理论分析。

抗病毒效力测定

研究人员通过细胞水平实验评估了化合物4a和4b对野生型（WT）和一系列耐药突变HIV-1的抑制活性。结果显示，4-氨基化合物4b对WT HIV-1的EC₅₀为1.2±0.4 nM，与第二代INSTIs相当。更重要的是，4b对单突变体（G118R、E138K、N155H、R263K）和多重突变体（G140S/Q148K、G140A/Q148K等）均表现出显著优于4a和第二代INSTIs的抗病毒活性。特别是对G140S/Q148K双突变体，4b的效力比其他抑制剂强10倍以上，凸显其卓越的抗耐药特性。

HIV-1整合体与4a和4b复合物的冷冻电镜结构解析

通过高分辨率冷冻电镜结构分析，研究人员发现4a和4b均采用典型的INSTI结合模式：三原子杂环螯合两个Mg²⁺催化金属离子，酰胺二氟苄基与病毒DNA（vDNA）末位胞嘧啶核苷（dC）形成π-π堆积。特别值得注意的是，病毒DNA末端的腺嘌呤碱基存在两种构象：堆积构象（腺嘌呤位于抑制剂萘啶环上方）和非堆积构象（腺嘌呤向后弯曲）。

4a和4b与病毒DNA的功能基团作用计算研究

分子动力学模拟显示，4b促使腺嘌呤碱基采用堆积构象的比例（72%）显著高于4a（53%），对应结合自由能改善约0.45 kcal/mol。量子力学/分子力学计算表明，4位的氨基取代基（-0.47 au）比羟基取代基（-0.67 au）具有更低的负电性，通过+M效应增强萘啶环的电子密度，从而优化与腺嘌呤的π-π堆积相互作用。同时，4b的分子平面性更好（偏差约3.0°），而4a的萘啶环偏差达10.0°，进一步促进了轨道重叠和堆积稳定性。

研究结论表明，4-氨基-5-羟甲基萘啶类抑制剂4b通过优化分子内氢键网络、增强萘啶环平面性以及提高电子密度，显著改善了与病毒DNA末端腺嘌呤的π-π堆积相互作用。这种独特的结合模式使其对临床常见耐药突变保持高效抑制，特别是对G140S/Q148K等难治性突变体表现出卓越活性。该研究不仅阐明了5位羟甲基增强抗耐药活性的结构基础，还验证了通过调控4位取代基优化π-π堆积作用的药物设计策略，为开发下一代抗HIV-1药物提供了重要理论依据和设计思路。