基于AI设计的广谱冠状病毒Mpro共价抑制剂ISM3312的发现及其抗病毒机制研究

本研究针对冠状病毒主蛋白酶(Mpro)高度保守的特性，利用AI驱动的Chemistry42平台设计出新型共价抑制剂ISM3312。该化合物通过α-氯氟乙酰胺(CFA)不可逆结合C145残基，对SARS-CoV-2、MERS-CoV等7种人类冠状病毒均显示纳摩尔级抑制活性，且不受P-gp外排泵影响。特别值得注意的是，ISM3312能有效抑制Nirmatrelvir耐药株，为应对冠状病毒耐药性进化提供了战略储备候选药物。研究成果发表于《Nature Communications》，为广谱抗冠状病毒药物开发树立了新范式。

　　

在COVID-19大流行持续演变的背景下，冠状病毒(CoV)家族引发的呼吸道感染已成为全球重大公共卫生威胁。目前已知7种可感染人类的冠状病毒，从普通感冒病原体HCoV-229E到致死率高的MERS-CoV，其遗传多样性给防治带来巨大挑战。虽然针对SARS-CoV-2刺突蛋白的疫苗和中和抗体已投入使用，但病毒通过频繁突变产生的免疫逃逸现象，以及现有蛋白酶抑制剂如Nirmatrelvir需要联用P-糖蛋白(P-gp)抑制剂带来的药物相互作用风险，都凸显出开发新型广谱抗冠状病毒药物的紧迫性。

广州医科大学附属第一医院呼吸疾病国家重点实验室联合上海宇道生物等机构的研究团队，将人工智能与结构生物学相结合，开发出靶向冠状病毒保守靶点主蛋白酶(M^pro)的广谱抑制剂ISM3312。这项突破性研究揭示了通过不可逆共价结合机制克服病毒耐药性的新策略，相关成果发表在《Nature Communications》期刊。

研究团队主要运用了以下关键技术：1）AI驱动的Chemistry42平台进行分子生成与优化；2）X射线晶体学解析M^pro-ISM3312复合物结构；3）酶动力学分析验证不可逆抑制机制；4）人源化小鼠模型评估体内抗病毒效果；5）人呼吸道类器官感染模型模拟临床病理过程；6）连续传代实验预测耐药性发展。

发现新型M^pro抑制剂
研究团队利用Chemistry42平台的40余种生成模型，基于4C-Ugi反应骨架进行多轮优化。首轮筛选获得α-氯乙酰胺先导化合物（IC₅₀=0.98μM）后，引入CFA战争头降低硫醇反应性。最终获得的ISM3312（化合物3）对SARS-CoV-2 M^pro的IC₅₀达14 nM，且对76种蛋白酶展示优异选择性。晶体结构显示其CFA战争头与C145形成碳硫键，同时与G143、H163等关键残基建立氢键网络。

广谱抗冠状病毒活性
酶学实验证实ISM3312能有效抑制所有测试的人类冠状病毒M^pro，包括SARS-CoV-2（14 nM）、MERS-CoV（16 nM）、229E（19 nM）等。在VeroE6细胞模型中，其对Delta、BA.2.3、XBB.1等变异株的EC₅₀维持在71-215 nM范围，且活性不受P-gp抑制剂影响（变化仅1-2倍），显著优于Nirmatrelvir（变化达49-81倍）。

类器官与动物模型验证
在人近端气道类器官中，200 nM ISM3312可使BA.2.3病毒载量降低100倍以上。K18-hACE2小鼠实验中，75 mg/kg BID剂量即可完全防护 ancestral毒株攻击，并显著减少肺脑组织病毒载量。值得注意的是，ISM3312对MERS-CoV MA30感染小鼠的肺病毒滴度抑制达4个数量级，且能减轻OC43感染引发的脑炎症状。

克服耐药性优势
连续传代实验发现，ISM3312处理18代的病毒仅产生T21I/L50F/P252L等远端突变，对抑制剂敏感性仅降低15倍。相比之下，Nirmatrelvir处理组出现E166V等经典耐药突变，敏感性下降153倍。分子动力学模拟揭示，ISM3312与E166的弱氢键相互作用（3.26 ?）使其对E166A/V突变更具耐受性，而Nirmatrelvir因丧失与E166的强氢键（3.20 ?）而更易产生耐药。

这项研究通过AI辅助药物设计成功开发出具有独特优势的广谱抗冠状病毒候选药物。ISM3312的创新性体现在：1）首个进入临床的基于4C-Ugi骨架M^pro抑制剂；2）首创CFA战争头在抗病毒领域的应用；3）"魔法甲基"的引入形成独特结合构象；4）两步合成工艺大幅降低生产成本。更重要的是，该化合物与现有临床药物Nirmatrelvir具有互补的耐药谱系，为构建抗冠状病毒"药物组合拳"提供了关键拼图。

从转化医学角度看，ISM3312的广谱活性使其不仅能应对当前SARS-CoV-2变异，还可作为未来可能出现的新型冠状病毒的战略储备。研究揭示的不可逆共价抑制机制为抗病毒药物设计提供了新思路，而AI平台在突发传染病药物研发中的成功应用，则为加速公共卫生危机响应树立了典范。随着进一步临床开发，这类药物有望成为呼吸道病毒综合防治体系的重要支柱。