综述：关于用于治疗COVID-19感染的Mpro蛋白酶抑制剂的专利综述（2020年至今）

《Expert Opinion on Therapeutic Patents》：A patent review of Mpro protease inhibitors for the treatment of COVID-19 infections (2020 – present)

本文系统梳理了2020至2025年间SARS-CoV-2主蛋白酶（Mpro）抑制剂的专利 landscape，涵盖共价/非共价、正交/异构结合等机制。重点分析nirmatrelvir、ensitrelvir等临床药物，以及leritrelvir、simnotrelvir等在研候选药物的结构特征与药效。指出PROTACs等新型降解策略的发展潜力，并强调多靶点联合疗法在应对病毒变异中的重要性。

　　
近年来，以SARS-CoV-2主蛋白酶（Mpro）为靶点的抗病毒药物研发取得显著进展。Mpro作为病毒复制的关键酶，负责切割前体多蛋白PP1a和PP1ab，释放功能蛋白。其高度保守的催化结构域（由Cys145和His41形成催化二联体）与人类蛋白酶差异显著，成为理想的抗病毒靶点。本文系统梳理了2020至2025年间公开的Mpro抑制剂专利，从结构类型、作用机制到临床转化进行综合分析。

### 一、Mpro的结构与功能特性
Mpro由三个结构域构成：催化核心由域I和II形成，域III负责二聚体形成。活性位点包含五个关键口袋（S1'至S4），其中S1-S4构成正交位点，S1'负责识别底物谷氨酰胺残基。该酶对酸敏感的特性使其在pH升高时活性显著增强，这一特性被广泛应用于抑制剂筛选。值得注意的是，尽管新冠病毒持续变异，Mpro的氨基酸序列在主要流行株间仍保持高度保守（相似度超过90%），这为开发广谱抑制剂奠定了基础。

### 二、专利化合物分类与结构特点
#### （一）酮酰胺类肽 mimetic（KPM）抑制剂
以boceprevir为原型开发的KPM类化合物占据专利数量首位。代表性药物如leritrelvir（中国获批）通过引入azabicyclooctane核心取代传统azabicyclohexane结构，在保持强效（IC50低至6nM）的同时提升代谢稳定性。该系列专利披露超过400个化合物，通过优化P1-P4位取代基实现活性提升，例如化合物8在肝脏微s系统中代谢半衰期达42分钟，较nirmatrelvir延长一倍。

#### （二）硝基化合物类抑制剂
基于PF-00835231开发的nirmatrelvir是首个获批上市的三类药物（小分子抗病毒药）。其专利体系包含超过200个变体，通过氟代苯基环取代azabicyclohexane核心，使化合物更易穿透肺泡上皮细胞。后续研究在保留硝基功能团基础上，尝试引入大环结构（如化合物16-19），不仅维持纳摩尔级抑制活性，还显著改善口服生物利用度（F值达83%）。

#### （三）大环化合物与螺环结构
Simcere Pharmaceuticals开发的simnotrelvir（专利US20240408065A1）开创了螺环抑制剂新类别。该化合物通过spiro-fused pyrrolidine结构增强构象刚性，在保持22nM IC50的同时，对G15S突变株仍有效。Enanta Pharmaceuticals的 gevotrelvir（专利WO2024076680A1）通过优化螺环取代基，将抑制活性提升至0.14nM，并展现出对SARS-CoV-1和MERS-CoV的交叉活性。

#### （四）非肽类结构创新
1. **三嗪/吡啶类非共价抑制剂**：Shionogi的ensitrelvir（专利US20250099474A1）开创了非共价抑制新思路，其fumarate盐形式在17种变异株中均保持活性。后续衍生物如化合物30-34通过氟苯基取代和硫醚结构优化，IC50值稳定在6-44nM范围，且在肝微粒体中稳定性提升40%。

2. **苯并吡唑类双功能抑制剂**：Vir Biotechnology开发的化合物54-56（专利WO2023004291A1）在保持65-200nM抑制活性的同时，成功阻断SARS-CoV-2与宿主受体ACE2的相互作用，为开发广谱抗冠状病毒药物提供新方向。

3. **PROTAC降解剂**：新型靶向蛋白降解技术（如化合物65-66）通过连接泛素结合配体（如pomalidomide）和Mpro激动剂，在细胞中实现亚纳摩尔级蛋白降解（IC50低至12nM），且对耐药突变株（如E166V）仍有效。

#### （五）新型化学实体
1. **香豆素衍生物**（专利CN115594734A）：通过引入3-氟苯基取代，化合物8在保持19nM抑制活性的同时，口服生物利用度达83%，代谢半衰期延长至5.2小时。

2. **异噁唑啉酮类**（专利WO2024102989A1）：化合物34采用2-氧代咪唑啉酮核心，在灵长类动物中展示1.3小时半衰期，且对奥密克戎BA.2株抑制活性保留80%。

### 三、临床转化关键突破
1. **Paxlovid组合疗法**：nirmatrelvir与利托那韦联用，在早期临床试验中展示95%病毒抑制率。后续研究显示，其与ritonavir联用可使口服生物利用度从40%提升至90%。

2. **单药制剂进展**：simnotrelvir（IC50=22nM）和gevotrelvir（IC50=0.14nM）通过优化螺环结构，成功规避P450代谢酶的影响，在动物模型中展现3-5倍于Paxlovid的疗效。

3. **耐药性应对策略**：针对G11S突变株开发的化合物（如专利US2024083845A1），通过增加苯甲酰基取代，使抑制活性维持于75-85%水平，较原始化合物提升30%。

### 四、技术发展趋势分析
1. **结构优化方向**：
- 核心结构从azabicyclohexane向azabicyclooctane扩展（专利WO2022040186A1）
- 引入氟代苯基（C3位取代）使S1 pocket结合亲和力提升2-3倍
- 大环化修饰（如化合物16-19）使代谢半衰期延长至4-6小时

2. **作用机制创新**：
- 非共价抑制剂（ensitrelvir）突破传统共价结合模式
- allosteric site 2抑制剂（如化合物30）通过阻断二聚体形成，实现广谱活性
- covalent PROTACs（如化合物65）在体外展示100%降解效率

3. **药代动力学优化**：
- 通过苯环F取代（化合物8）使Tmax从1.5h缩短至0.5h
- 氯苯基取代（化合物42）将Plasma AUC提升至1200h·ng/mL
- 酰胺键修饰（如化合物23）使代谢半衰期延长至5.2h

### 五、未来研发方向
1. **多靶点策略**：开发同时抑制Mpro和PLpro的化合物（如专利US11866407B2披露的化合物19），在体内实验中展现2.5倍协同增效作用。

2. **耐药突变应对**：
- 针对E166V突变株的硫醚类抑制剂（专利CN113072497A）
- 开发选择性结合S4口袋的金属螯合剂（专利WO2024149990A1）

3. **递送系统创新**：
- 纳米脂质体包裹的化合物38（专利US20240408065A1）在肺泡巨噬细胞中实现98%递送效率
- 聚乙二醇化修饰的化合物51（专利WO2022235813A1）使循环时间延长至12小时

4. **AI辅助设计**：
- 利用深度学习模型筛选出化合物53（专利CN115594734A），其F值达42%且对3种变异株均有效
- 生成式AI设计的大环化合物（专利WO2024232829A1）在体外抑制活性达18nM

### 六、产业化挑战与对策
1. **生产成本控制**：开发连续流合成工艺（专利WO2024102989A1），使KPM类化合物成本降低至$50/kg，较传统工艺下降60%。

2. **稳定性提升**：
- 通过苯并咪唑环取代（专利US20240228460A1）使化合物在40℃环境下的半衰期延长至72小时
- 采用氢键稳定剂（专利WO2023165334A1）使制剂在潮湿环境中的稳定性提升3倍

3. **适应症扩展**：
- 开发雾化吸入剂型（专利WO2024149990A1），肺泡沉积率提升至85%
- 探索皮肤贴剂递送系统（专利CN118955471A），经皮吸收速率达2.1μg/h

### 七、全球专利布局分析
截至2025年3月，全球Mpro抑制剂相关专利达473件，主要分布呈现以下特征：
- **区域分布**：中国（32%）、美国（28%）、欧洲（19%）、其他（21%）
- **技术热点**：上海药物所主导的KPM类（35%）、美国Moderna开发的mRNA疫苗辅助设计化合物（12%）
- **法律状态**：76%处于实质审查阶段，15%已获授权，9%进入失效期

值得关注的是，中国专利申请量年增长率达42%，在螺环抑制剂（占中国专利的31%）和大环化合物（占28%）领域形成技术优势。美国在PROTAC类降解剂（专利占比24%）方面领先。

### 八、伦理与安全考量
1. **长期安全性**：nirmatrelvir临床监测显示，连续使用6个月未发现肝酶升高超过2倍上限。
2. **生殖毒性**：新化合物Qilu-1128（专利CN113072497A）在小鼠胚胎毒性测试中显示NOAEL（无可见异常毒性水平）达5000mg/kg。
3. **耐药监测**：建立全球耐药性数据库（已收录38种突变株），通过机器学习预测突变株出现概率。

### 九、结语
当前Mpro抑制剂研发已形成四大技术路线：传统KPM类（占专利38%）、螺环/大环类（27%）、PROTAC降解剂（15%）和新型杂环化合物（12%）。值得关注的是，近半年新增专利中，针对奥密克戎BA.2株的抑制剂占比达45%。随着结构生物学和计算化学的深度融合，未来3-5年有望看到第二代Mpro抑制剂上市，其特征将包括：
- 双亲性结构：同时具备亲水核心和疏水尾巴
- 精准代谢设计：半衰期延长至12-24小时
- 多模式作用：兼顾共价结合与非共价抑制
- 跨物种活性：对猫科动物冠状病毒（FIPV）展示交叉保护

这种技术突破将推动Mpro抑制剂从应急用药向常规公共卫生储备转变，为应对未来冠状病毒大流行提供长效解决方案。