对抗所有冠状病毒的口服药诞生了吗?从辉瑞的帕克洛维谈起

2002年,香港爆发SARS疫情;2004年,科学家就申请了一款冠状病毒蛋白酶药物的专利(WO2005113580A1)。孰料,SARS就此消失无踪,该药物在人身上派不上用场,後续转为治疗猫冠状病毒(feline coronavirus,FCoV)的药物。时光流转,15年後2019冠状病毒疾病(COVID-19)袭来,人类在覆灭之际想起了这款宠物药物。
今(2021)年10月5日,继默沙东(Merck)的「莫纳皮拉韦」(Molnupiravir)之後,辉瑞药厂(Pfizer)发表了可用於COVID-19的口服药帕克洛维(Paxlovid)就是前叙药物的延伸研究,辉瑞在新闻稿宣称其抗重症疗效将近九成。高超的疗效振奋人心,有望成为首批口服药物之一。
在辉瑞、默沙东推出口服药物之前,医界认可治疗COVID-19的方式仅能藉助有静脉注射药物如:单株抗体、瑞德西韦(Remdesivir)等。但静脉给药、必须让病人住院,倘若治疗手段仅有静脉注射,势必大幅增加医护负担、降低病人的服从性。
因此对於COVID-19此类全球性流行病而言,口服药物的出现,代表病人能在家自行服药,减轻医疗负担、提高病人遵从性。更提供了曝露前保护(如:前往隔离病房或严重疫区前开始吃药)、曝露後预防(如:和确诊者接触的5天内,立刻吃药)的策略选项。
那麽,辉瑞的口服药为什麽有效?帕克洛维的运作机制和瑞德西韦、莫纳皮拉韦有什麽差别吗?

从冠状病毒生活史 看帕克洛维的作用机制

在说明辉瑞的帕克洛维抗病毒机制之前,我们先简单了解一下冠状病毒的生活史,其步骤依序如下:
1. 病毒接触细胞表面受器、进入细胞
2. 病毒释出内藏的RNA基因,转译出大段的病毒蛋白质等
3. 病毒蛋白酶切割大段的病毒蛋白质,切出有功能的蛋白质
4. 病毒的RNA聚合酶持续复制新RNA
5. RNA基因持续转译出新结构性病毒蛋白
6. 新RNA基因、结构性病毒蛋白组装成新病毒,再离开细胞

帕克洛维主要阻断步骤3病毒结构蛋白质的出现,因此以下我们将对该步骤做详细说明。冠状病毒是单股正链RNA病毒,进入宿主细胞、释出病毒颗粒内的RNA後,会利用人体细胞的核醣体转译出两条多肽链pp1a和pp1ab。此两条多肽链是多个非结构性蛋白(non-structural protein, NSP)的前驱物组合,在後续的步骤中,会被病毒蛋白酶切开,就能协助病毒复制子代。
当非结构性蛋白被正确地切开後,会分头行动。有的负责停止人体细胞正常转译,并促使分解人体mRNA;有些会利用病毒RNA为模版、开始复制更多的新RNA,其中最重要的为RNA依赖性RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase,RdRp)——nsp12。换言之,若能阻止「切开」的步骤,就能阻止非结构性蛋白出现、进而扼杀病毒的复制流程。打个比方,还未经切割摺叠的多肽链,就像是一块很大张的西装布料,上面用粉笔绘着剪裁线。而病毒蛋白酶能辨认剪裁线、逐一切下,裁切後的布料就能进一步缝合成西装外套、裤子等,也就是在後续的步骤中形成正确、具有功能的蛋白质。若能打坏剪刀,那麽布料就无法成为有功能的产品了。
那麽,是哪些蛋白酶负责正确地切开多肽链呢?病毒产生的两条多肽链内都各包含2个蛋白酶,分别是3CL蛋白酶(3C-like protease)和PL蛋白酶(papain-like protease)。因为帕克洛维是阻断3CL,故以下将主要叙述3CL蛋白酶的运作机制。
3CL和PL蛋白酶是两条多肽链的其中一部分(图一),而整个「切开」的过程、就从两个蛋白酶的自我裁切开始。3CL和PL会将自己从pp1a和pp1ab里切出来,然後3CL将负责11个裁切处,而PL则辨识3个裁切处,陆续地切出其他的非结构性蛋白,让它们去劫持细胞、复制病毒基因等。

图一:SARS-CoV-2 的pp1a 和pp1ab 两条多肽链、其nsp(仅标注3CL、PL、RdRp)。红色箭头代表被3CL 辨认、裁切的位置,黑色箭头代表被PL 辨认、裁切的位置。

冠状病毒的非结构性蛋白,对病毒存活非常重要。其中最重要的是,多个非结构性蛋白会组装成复制酶和转录酶复合物 (replicase–transcriptase complex, RTC),该复合物协助复制RNA病毒基因,也协助产出其他病毒蛋白的RNA、进而强而我们已知,主要负责切出非结构性蛋白的蛋白酶是3CL,所辨认、切除的胺基酸序列都是Leu-Gln↓Ser-Ala-Gly(↓记号为切割位点),蛋白酶3CL似乎专门辨认、切割该序列Gln之後的多肽链。因此模仿被辨认、切割的结构、进而制成小分子药物,就有可能让蛋白酶误食药物、进而失去活性。
科学家对多种冠状病毒,包括SARS-CoV-2、SARS-CoV、MERSCoV的3CL蛋白酶进行X光晶体结构的分析,发现它们之间具备高度结构相似性和保守性。若能开发出针对3CL的小分子药物,就有机会延伸成对抗现在旧有、未来新兴冠状病毒的广谱型药物。而更重要的是,目前研究上,尚未发现人类体内有着相同特性的酵素;换言之,该药物有可能不会误伤人体、造成严重副作用。综上所述,针对3CL的小分子药物,也许是人类心目中最理想的抗冠状病毒药物。
类似的设计概念,已在其他病毒上使用,如:人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)和C型肝炎病毒(hepatitis C virus, HCV),都已有各自对应的蛋白酶抑制剂药物上市使用。

模仿布料的裁切线:抑制冠状病毒3CL蛋白酶

辉瑞的帕克洛维,内含两种药物,分别为新药PF-07321332和老药利托那韦(ritonavir)。PF-07321332是3CL蛋白酶抑制剂,而利托那韦可抑制人体正常酵素,避免PF-07321332过快被人体代谢,已被应用在抗HIV等治疗。
在十数年前,香港爆发2002年的SARS疫情後不久,辉瑞的科学家就透过模仿被3CL蛋白酶辨识、切割的多肽链特徵(即前述模仿Leu-Gln↓Ser-Ala-Gly的结构),设计出第一代3CL蛋白酶抑制剂:PF-00835231。然而,SARS就此消失人间,此化合物的研发、应用转向宠物领域,最後成为治疗猫冠状病毒引发腹膜炎(feline infectious peritonitis, FIP)的药物(GC-376)。制宿主细胞制造病毒蛋白质。
世事难料,去年由全新的冠状病毒所爆发的COVID-19袭向人类,全球的科学家倾力对抗。PF-00835231和GC-376也被加入测试中,结果发现它们都能阻断SARS-CoV-2存活,显示开发3CL蛋白酶抑制剂的方向正确。
科学家再逐步微调化合物的结构、以改善口服生物利用率、制程友善性等。透过不断测试,其口服生物利用率,从PF-00835231的1.4%,拉高到PF-07321332的50%。
PF-07321332属於可逆、竞争型酵素抑制剂,透过模仿病毒多肽链的特徵,让3CL蛋白酶误食,因此若有足够浓的药物,就能和多肽链竞争、让3CL蛋白酶咬不到真正的多肽链。而PF-07321332的腈基(nitrile)会和蛋白酶结合成可逆的共价键,等同於黏住蛋白酶的嘴巴,进一步阻止3CL蛋白酶正常的工作。
以图二为例,该图的4个抑制3CL蛋白酶的化合物,其P1支链的设计以γ-lactam模仿Gln胺基酸, 而P 2支链设计以疏水性的环丁烷(cyclohexyl)或环丙烷(cyclopropyl)基团模仿白胺酸(Leucine, Leu)。而设计成弹头(warhead)的官能基,可和3CL蛋白酶的活性位置形成共价键、卡住蛋白酶。其中PF-07321332符合高口服生物利用率、药厂制程友善度佳,同时也在细胞实验里展现出抗病毒的效果,於是辉瑞将此化合物投入人体的临床试验,力求尽速推出COVID-19口服药物。

图二:部分3CL 蛋白酶抑制剂的结构,其中PF-07321332 是辉瑞口服药的主要活性成分;而GC-376 应用在治疗猫冠状病毒感染;PF-00835231 是2002 年香港爆发初代SARS 後,研发出的第一代3CL 蛋白酶抑制剂。

帕克洛维有效吗?适用於哪些情况?

相较於疫苗,辉瑞的口服药物、其公开数据、研究非常少见,仅能从该公司的新闻稿得知,帕克洛维临床一期约在今年3月启动、年中完成;2/3期在9月启动,而在11月5日发布新闻稿,宣布期中数据的结果极佳、提前暂停招募受试者。鉴於缺乏公开数据,本文仅就新闻稿等探究帕克洛维的优、劣势。
帕克洛维口服的方式相当简易,每隔12小时服药一次,连续5天即可。据新闻稿所述,在症状发作的5天内吃药,到了第28天,安慰剂组约6.7%恶化成重症或死亡(612名受试者,41人重症,其中10人因病亡故),而药物组仅1%恶化成重症、且无人死亡(607名受试者,6人重症,0人因病亡故)。重症或死亡比率从6.7%降至1%,换算的疗效约85%。若能在症状出现的3天内吃药,则疗效更能提高到89%。
辉瑞设计此帕克洛维的主要目的是「阻止高风险族群重症/死亡」,因此受试者「必须都符合」下述条件:
✔COVID-19确诊
✔病情为轻症
✔进行试验前5天内,曾经出现过COVID-19症状
✔高龄者,或至少罹患一项「可能恶化成重症」的慢性病,如:肥胖、糖尿病、心脏病等

与默沙东的莫纳皮拉韦比较

两者的差异

辉瑞新闻稿叙述帕克洛维可降低重症风险将近九成;而默沙东的新闻稿,表示自家药物可降低重症风险约五成。但这不代表辉瑞药物远胜默沙东,两种药物的公开研究都太少,无法判断两者之间的优劣。
承上,同理可知,两种药物的副作用也尚未明了。尽管两家药厂都宣称副作用和安慰剂相似,但目前的试验人数,辉瑞仅收了1219人、默沙东仅收了775人,仅有千余人的安全数据,很难看出药物更少见的副作用。
而辉瑞的帕克洛维同时包含了PF-07321332和利托那韦(ritonavir)两种药物, 患者除了要承受PF-07321332的副作用外,也要考虑到利托那韦带来的影响,如:利托那韦的功能为抑制人体代谢药物,若患者同时也服用某些药物(如:抗癌药物),则可能会产生交互作用、导致体内药物浓度过高。
而机制的部分,尽管两款药物都针对感染早期(出现症状後的5天内),但各自针对不同的酵素。辉瑞的帕克洛维针对3CL蛋白酶,让病毒无法产出生存必须的蛋白质;而默沙东的莫纳皮拉韦则针对RNA依赖性RNA聚合酶,让病毒复制产生致命性突变。
因此,理论上确实有可能以这两种药物同时采用进行「鸡尾酒式疗法」──两种不同机制的药物综合使用,以提高疗效、降低抗药性病毒的机率。但现实上,有一定的难度,因为它们有着共同的劣势。

(Photo by Julia Zyablova on Unsplash)

两者共同的劣势

帕克洛维与莫纳皮拉韦最大的共同问题,是「钱」。就美国政府采购价而言,默沙东的莫纳皮拉韦,单价每人712美元,合台币超过2万元。辉瑞的帕克洛维,单价为每人530美元,合台币约1.5万元。动辄上万元的药物,很难推动自费,也会对政府财政造成压力。
此外,口服药还需要面对的隐忧,包括了人类的惰性,人类始终是懒惰的。口服药的优点是「在家自己吃」、缺点是「在家就会随便吃」。随意乱吃非但可能治不好病,还可能会养出具备抗药性的病毒。这也是在医疗使用上值得审慎考虑的部分。
在这场世纪大瘟疫里,科学已经打赢病毒,人类唯一无法战胜的事情,是人性。
保持冷静,继续前进。Keep Calm and Carry On.

参考文献
1. Philip V’kovski et al., Coronavirus biology and replication: implications for SARS-CoV-2 Nature Reviews Microbiology, 2021.
2. Sven Ullrich & Christoph Nitsche, The SARS-CoV-2 main protease as drug target,Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters,2020.
3. Dafydd R Owen et al., An oral SARS-CoV-2 Mpro inhibitor clinical candidate for the treatment of COVID-19, Science, 2021.

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