根據賓夕法尼亞州立大學科學家領導的一項新研究，幾種已獲美國食品藥品監督管理局（FDA）批准的藥物–包括治療2型糖尿病、丙型肝炎和艾滋病毒的藥物–大大降低了SARS-CoV-2的Delta變體在人類細胞中的複製能力。具體來說，研究小組發現這些藥物抑制了某些病毒酶，即蛋白酶，這些酶對SARS-CoV-2在受感染的人類細胞中的複製至關重要。
賓夕法尼亞州立大學生物化學和分子生物學副教授Joyce Jose說：“SARS-CoV-2疫苗的目標是刺突蛋白，但這種蛋白處於強大的選擇壓力之下，正如我們在Omicron身上看到的那樣，它可能發生重大突變。仍然迫切需要SARS-CoV-2的治療藥物，這些藥物針對的是病毒中除刺突蛋白以外的其他部分，這些部分不那麼容易進化。”
以前的研究表明，兩種SARS-CoV-2酶–包括Mpro和PLpro的蛋白酶–是有希望成為抗病毒藥物開發的目標。例如，輝瑞公司的COVID-19療法Paxlovid針對Mpro。據Jose稱，這些酶是相對穩定的；因此，它們不太可能迅速產生耐藥性突變。
賓夕法尼亞州立大學生物化學和分子生物學教授Katsuhiko Murakami指出，這些病毒蛋白酶由於具有裂解或切割蛋白質的能力，對SARS-CoV-2在受感染細胞中的複製至關重要。
“SARS-CoV-2從其RNA基因組中產生長的蛋白質，稱為多聚蛋白，這些蛋白質必須被這些蛋白酶有序地切割成單個蛋白質，導致形成功能性病毒酶和蛋白質，一旦進入細胞就開始病毒複製，”Murakami解釋說。“如果你抑制了這些蛋白酶中的一種，就可以阻止SARS-CoV-2在感染者中的進一步傳播。”
這些發現於2月25日發表在《通信生物學》雜誌上。
該團隊設計了一種檢測方法，在活的人類細胞中快速識別Mpro和PLpro蛋白酶的抑製劑。
Jose說：“雖然有其他的檢測方法，但我們設計的新型檢測方法可以在活細胞中進行，這使我們能夠同時測量抑製劑對人類細胞的毒性。”
研究人員用他們的檢測方法測試了64種化合物庫–包括艾滋病毒和丙型肝炎蛋白酶的抑製劑；發生在某些原生動物寄生蟲中的半胱氨酸蛋白酶；以及二肽基肽酶，一種參與2型糖尿病的人類酶–以測試它們抑制Mpro或PLpro的能力。從這64個化合物中，研究小組確定了11個影響Mpro活性的化合物和5個影響PLpro活性的化合物，其截止點是蛋白酶活性降低50%，細胞存活率為90%。
生物化學和分子生物學副研究教授Anoop Narayanan使用活體共聚焦顯微鏡監測了這些化合物的活性。
Narayanan說：“我們設計的實驗是，如果化合物影響了蛋白酶，你會在細胞的某些區域看到熒光。”
接下來，該團隊在賓夕法尼亞州立大學Eva J. Pell ABSL-3高級生物研究實驗室的BSL-3設施中評估了16種PLpro和Mpro抑製劑對SARS-CoV-2病毒的抗病毒活性，並發現其中8種對SARS-CoV-2具有劑量依賴的抗病毒活性。具體來說，他們發現Sitagliptin和Daclatasvir抑制PLpro，而MG-101、Lycorine HCl和Nelfinavir mesylate抑制Mpro。其中，研究小組發現，MG-101還通過抑制蛋白酶對刺突蛋白的處理，阻礙了病毒感染細胞的能力。
“我們發現，當用選定的抑製劑預處理細胞時，只有MG-101影響病毒進入細胞，”Narayanan說。
此外，研究人員發現，用Mpro和PLpro抑製劑的組合處理細胞具有額外的抗病毒效果，對SARS-CoV-2的複製提供了更大的抑制。
Jose說：“我們的研究表明，在細胞培養中，如果你把Mpro和PLpro抑製劑結合起來，就會對病毒產生更強的效果，而不會增加毒性。這種組合的抑制作用是非常有力的。”
為了研究MG-101抑制Mpro蛋白酶活性的機制，包括生物化學和分子生物學博士後學者Manju Narwal在內的科學家們使用X射線晶體學獲得了MG-101與Mpro複合的高分辨率結構。
“我們能夠看到MG-101是如何與Mpro的活性部位互動的，”Narwal說。“這種抑製劑模擬了多聚蛋白，並以類似的方式與蛋白酶結合，從而阻斷了蛋白酶與多聚蛋白的結合和切割，這是病毒複製的一個重要步驟。”
Murakami補充說：“通過了解MG-101化合物如何與活性部位結合，我們可以設計出可能更加有效的新化合物。”
事實上，該團隊正在根據他們通過X射線晶體學確定的結構設計新化合物。他們還計劃測試他們已經在小鼠體內證明有效的組合藥物。
儘管科學家們研究了SARS-CoV-2的Delta變體，但他們說這些藥物很可能對Omicron和未來的變體有效，因為它們針對的是病毒不太可能發生重大變異的部分。
Jose說：“開發針對各種冠狀病毒的廣譜抗病毒藥物是針對循環和新出現的冠狀病毒感染的最終治療策略。我們的研究表明，重新利用某些FDA批准的藥物，這些藥物在抑制Mpro和PLpro的活動方面表現出有效性，可能是對抗SARS-CoV-2的一個有用策略。”