《Signal Transduction and Targeted Therapy》：Antiviral drug discovery and development: challenges and future directions
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这篇综述系统回顾了抗病毒药物研发历程，从首个药物碘苷到新冠时期的瑞德西韦等，总结了基于靶点的发现（TBDD）与表型筛选两大策略，探讨了AI辅助、纳米技术等新兴手段，并梳理了病毒生命周期、宿主靶点及天然免疫信号通路（如JAK-STAT、cGAS-STING）等关键研究方向，为应对未来病毒威胁提供了全面视角。
抗病毒药物的发展历程与药物发现基本原理
抗病毒药物的发展
自1963年第一个抗病毒药物碘苷获批以来，抗病毒药物研发走过了六十余年的历程。碘苷作为嘧啶类抗病毒药，通过竞争性抑制胸苷激酶和DNA聚合酶来阻碍病毒复制，其成功验证了通过化学修饰天然核苷酸来破坏病毒复制的策略。随后，阿昔洛韦作为首个选择性、病毒激活的前体药物出现，它依赖病毒胸苷激酶启动磷酸化，其活性三磷酸形式选择性抑制疱疹病毒DNA聚合酶，标志着抗病毒化疗新时代的开始。针对艾滋病毒（HIV）的流行，1987年齐多夫定获批，通过抑制核苷逆转录酶（RT）阻断病毒逆转录过程。进入90年代，计算机辅助药物设计（CADD）开始发挥作用，例如基于合理设计开发的神经氨酸酶（NA）抑制剂扎那米韦和奥司他韦，为流感的治疗和预防提供了有力工具。
进入21世纪，抗病毒药物研发进入快速发展阶段。针对丙型肝炎病毒（HCV）的蛋白酶抑制剂和聚合酶抑制剂（如索磷布韦），针对呼吸道合胞病毒的融合抑制剂等相继出现。核苷类似物如拉米夫定、阿德福韦酯和恩替卡韦为慢性乙型肝炎（HBV）的管理提供了更有效的选择。新冠病毒（SARS-CoV-2）疫情爆发后，全球研发力量迅速集结，瑞德西韦、奈玛特韦等药物在短时间内取得重要进展，为抗击疫情提供了关键支持。截至2024年3月，中国已批准包括阿兹夫定、奈玛特韦、莫诺拉韦、先诺特韦等在内的七种口服新冠药物上市。
药物发现的基本原理
现代药物发现过程漫长、高风险且成本高昂。为了提高成功率，研究正经历从仿制到原创的转型。在靶点和机制创新方面，多靶点协同药物设计超越了传统的单靶点方法。在技术进步方面，人工智能（AI）与实验方法的深度融合，使得机器学习（ML）能够优化分子生成、毒性预测和多目标优化，从而缩短临床前开发周期。
靶点识别与验证
药物靶点是指体内具有药效功能并能被药物调节的生物大分子。靶点识别与验证的一般流程涉及寻找疾病相关生物分子标志物，并对这些生物分子进行功能研究以确定候选靶点。一个有潜力的药物靶点应与疾病的发生、发展或病理生理过程有明确的因果关系，并且对其调节应能有效缓解症状或延缓疾病进展。靶点可以通过基因模型、蛋白质模型和动物模型进行验证。利用CRISPR/Cas9系统或RNA干扰等技术在细胞或动物模型中特异性敲除或降低靶基因的表达，通过观察对疾病表型的影响，可以建立靶基因与疾病间的因果关系。
抗病毒药物靶点与信号通路
病毒-宿主相互作用网络主要包括三大抗病毒药物靶点：病毒靶点、宿主靶点以及病毒对宿主天然免疫的拮抗。其中，病毒靶点是传统的主要焦点。
病毒生命周期的不同阶段，包括吸附、穿透、脱壳、复制、基因表达、组装和释放，都是抗病毒干预的潜在靶点。例如，针对SARS-CoV-2，已报道的抑制剂包括刺突蛋白（S）抑制剂、木瓜样蛋白酶（PLpro）抑制剂、主要蛋白酶（Mpro）抑制剂、非结构蛋白12（NSP12）抑制剂等。
宿主靶向抗病毒药物是通过干扰特定的宿主细胞因子来遏制病毒复制的治疗策略。宿主细胞激酶在许多病毒的复制过程中至关重要。例如，人类二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）是催化嘧啶核苷酸从头合成途径的关键酶，抑制其活性可有效阻止病毒DNA和RNA的生物合成。衔接子相关激酶1（AAK1）调控多种病毒的细胞内运输，使得AAK1靶向药物成为开发广谱抗病毒剂的优选候选。
病毒与宿主的相互作用是一个动态过程。宿主通过模式识别受体识别病毒RNA后，抗病毒天然免疫信号通路被迅速激活，诱导产生干扰素刺激基因（ISGs）等宿主限制因子。同时，病毒也进化出多种调控机制来对抗宿主天然免疫。利用病毒-宿主相互作用网络作为抗病毒药物靶点，特别是针对流感病毒（IAV）和SARS-CoV-2，为解决病毒耐药性挑战提供了新思路。
抗病毒药物的信号通路
抗病毒疗法可以通过多种机制特异性调节信号通路，以增强宿主抗病毒反应或抑制病毒复制与传播。主要的抗病毒信号通路包括干扰素（IFN）信号通路、视黄酸诱导基因I（RIG-I）信号通路、环鸟苷酸-腺苷酸合成酶-干扰素基因刺激蛋白（cGAS-STING）信号通路和Toll样受体（TLR）信号通路等。
IFN信号通路是抗病毒免疫反应的关键机制之一。病毒感染后，细胞分泌的IFN与其受体结合，激活Janus激酶（JAK）。随后，JAK磷酸化信号转导和转录激活因子（STAT），导致其二聚化并核转位，启动一系列ISGs的表达。SARS-CoV-2的核衣壳蛋白（N蛋白）可通过竞争性结合STAT1和STAT2，干扰它们与JAK1和酪氨酸激酶2（TYK2）的相互作用，从而抑制其磷酸化和核转位。
核因子κB（NF-κB）通路可在病毒感染早期被激活，一方面促进炎症因子产生，另一方面也能增加IFN转录。SARS-CoV-2的N蛋白与病毒RNA结合后发生强烈的液-液相分离（LLPS），这有助于招募NF-κB信号中的关键激酶TAK1和IKK复合物，从而增强NF-κB的激活。
RIG-I在识别病毒RNA后，将信号传递至IFN-β信号通路和NF-κB信号通路。其下游效应器线粒体抗病毒信号蛋白（MAVS）是激活转录因子如IFN调节因子3（IRF3）和NF-κB的关键信号转导器。SARS-CoV-2的多个蛋白，如ORF6、ORF8和N蛋白，都是IFN的有效拮抗剂。
cGAS-STING信号通路主要感知细胞质中的病毒DNA，激活后会触发I型IFN等炎症介质的产生。β-抑制蛋白2可以直接与cGAS相互作用，促进cGAS与DNA的结合以及cGAMP的合成，从而正向调节I型IFN通路。SARS-CoV-2的N蛋白能抑制cGAS的DNA识别能力，损害cGAS诱导的IFN-I信号。
当前挑战与未来方向
尽管在药物筛选和AI方面取得了显著进展，但抗病毒药物的发现仍面临诸多挑战。这些挑战包括病毒的高突变率、易于产生耐药性、病毒种类繁多且共性少、研发过程中难以平衡药效与安全性等。此外，临床试验设计的复杂性和患者选择进一步加大了难度。研发的高成本、巨大风险以及新技术（如需要大量数据支持的机器学习）的应用限制也构成了额外障碍。
未来，药物发现将深度融合表型筛选和TBDD两种策略。人工智能在药物发现中的应用日益普遍，特别是在蛋白质结构预测、药物靶点识别和生物活性预测领域。纳米技术在抗病毒药物的递送和疫苗开发中发挥了关键作用，例如脂质纳米颗粒在mRNA疫苗中的应用。此外，针对无膜细胞器（液-液相分离）等新方向的探索，以及从传统中药活性成分（如青蒿素、三氧化二砷）中探索现代药理机制，都将为抗病毒药物的研发开辟新的路径。
