瑞德西韋的合成、作用機制與應用

陸泓雨，張彥

1.北京大學 基礎醫學院，北京 100871；2.軍事醫學研究院 生物工程研究所，北京 100071

瑞德西韋（Remdesivir）是吉利德科學公司（Gilead Sciences）正在研發的一種核苷類似物[1]，2012 年報道其具有抗RNA 病毒活性[2]，此后，更多的體外實驗和動物實驗證明其具有治療埃博拉病毒病[3]、中東呼吸綜合征[4]等RNA 病毒感染的應用前景，但在埃博拉病毒病治療的臨床研究中效果不如單克隆抗體而被替換[5]。2020 年1 月31日，《新英格蘭醫學雜志》在線發表論文，首次介紹了美國新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）患者在使用瑞德西韋后臨床癥狀迅速減輕的情況[6]。我國于2020 年2 月初批準進行瑞德西韋抗新型冠狀病毒（2019-nCoV）的臨床試驗[7]。2020 年 3 月23 日，瑞德西韋被美國食品藥品監督管理局（FDA）認定為“孤兒藥”，涉及適應癥為COVID-19[8]，這將有助于加快其審批進程。

本文主要介紹瑞德西韋的作用機理、設計原理、合成路線和應用情況，以期對這一藥物有一個相對全面的認識。

1 藥物結構與作用機理

瑞德西韋，分子式C27H35N6O8P，相對分子質量602.576，是一種具有廣譜抗病毒活性的核糖核苷類似物[9]，進入人體細胞后被胞內脂酶分解為羧基結構，繼續分解為單磷酸腺苷，磷酸化為三磷酸腺苷，參與并影響病毒RNA 復制的過程而發揮抗病毒作用。其結構式及體內轉化過程見圖1。

瑞德西韋的抗病毒作用原理是通過磷酸化后形成的三磷酸核苷類似物被RNA 聚合酶識別，參與病毒基因組的合成，而瑞德西韋經過修飾的糖基會引起病毒RNA 空間空間構象的變化，阻止磷酸二酯鍵的形成致使鏈合成的終止[1]，即通過抑制RNA 依賴性的RNA 聚合酶（RNA-dependent RNA-polymerases，RdRp）活性從而發揮作用，此機制已經被證明是其抗埃博拉病毒的原因[4]。

2 合成路線研究

2.1 藥物設計路線

藥物設計的第一步是設計并篩選能與靶向目標互作的活性物質，具體到病毒則是篩選能抑制病毒生長活性的核苷類似物。目前已可利用人工智能和機器深度學習輔助完成這一步[10]。經過實驗篩選發現化合物A（圖2）有抑制活性，其主要結構特征有二：母核為鳥嘌呤類似物，戊糖與母核的C9 經C-C 鍵相連[11]。與正常鳥苷的CN 鍵相比，這種C-C 鍵結構既可以使1′位取代的化合物更穩定，也可以使其磷酸化后成為RdRp的底物，從而插入病毒的RNA 鏈。經過對化合物A 及其結構相似的化合物進行細胞實驗，發現與其結構相似的化合物對病毒活性較弱，說明化合物A 的活性和選擇性在篩選的化合物中都呈優化狀態，構效關系相對嚴格[1]。

然后需要對選定的化合物A 進行前藥修飾。核苷類藥物插入RNA 鏈中抑制病毒的復制需要發生3 次磷酸化反應才能活化，而第1 個磷酸化反應是限速步驟，對起效和作用強度影響最大。為此將一個磷酸基團與核糖的5′位相連，這樣有利于直接進行后2 步磷酸化反應，利于發揮藥效。在插入磷酸基團后，其負電荷會影響藥物分子的極性，降低藥物的體內運輸能力。為此用非極性前藥進行遮蔽，形成化合物B 的一般結構（圖3）[11]。最后對取代基進行優化，經過動物實驗篩選，得到了瑞德西韋的最終結構。

2.2 合成路線

目前瑞德西韋主要有2 條合成路線（圖4、5）。2 條線路的前半部分合成核苷類似物（Nuc）的方法相同，都是由帶有保護基團的內酯（化合物1）和鹵化的氨基氮雜吲哚（化合物2）為原料反應生成化合物3，然后通過一步取代反應生成化合物4，去保護基生成核苷。合成的后半部分路線上，第一代直接合成得到的化合物7a 是消旋體，需要高效液相色譜法進行分離才能得到單一構型化合物；第二代方法在核苷基礎上先形成縮醛對順式鄰二醇進行保護形成化合物5，再與化合物6 反應生成單一構型化合物7。

圖1 瑞德西韋結構式及其體內轉化過程[4]

圖2 化合物A 的結構[11]

圖3 化合物B 的結構[11]

2.3 討論與評價

瑞德西韋上述2 條合成路線的主體思路是相同的，其合成步驟基本相似，第二代合成路線相比于第一代主要是在細節上的優化，包括反應條件與催化劑的重新選擇、基團的保護與手性合成的優化。

在第一步糖基化步驟中，使用碘代物取代第一代方法中的溴代物，并使用格氏試劑進行鹵素交換，使產率達到40%，并且溫度和試劑選擇更溫和，有利于大規模生產；第二步反應在大于95∶5 的投料比的條件下可以獲得85%的產率，并且加入三氟甲磺酸（TfOH）是促進高產量和高選擇性的關鍵；BCl3處理對芐基的去保護作用較好，使化合物4 易于結晶分離；2，2-二甲氧基丙烷在H2SO4存在的情況下可以使羥基化合物的保護率達到90%，并且經研究消旋的化合物9 在異丙醚作為溶劑重結晶的情況下得到單一構型化合物6（圖6），高產的化合物5 與單一構型的6 進行反應，再進行脫保護反應就可以順利得到高產率的單一構型的最終化合物[3]。上述反應條件的優化直接導致了產率的提高和產量的增加。

圖4 瑞德西韋的第一代合成路線[3]

圖5 瑞德西韋的第二代合成路線[3]

圖6 制備單一構型化合物6 的過程[3]

此外，第二代合成線路通過選擇更優質和特異性更高的反應物、控制反應條件（溫度、溶劑等）、進行立體化學設計等方法，實現了對合成線路的優化，從而提高反應選擇性、降低反應成本、提高產率，可以在實驗室進行百克級合成[3]，甚至達到了工業批量生產的要求，為未來的臨床研究和臨床使用做好準備。

作為一種研究時間較短的在研藥品，目前對瑞德西韋的研究特別是合成研究尚不充分，第二代合成路線還會有改進的空間，如何改進其合成路線也會是一個值得研究的問題。通過不斷優化反應條件并創造新的半合成、全合成路線，甚至借助人工智能與深度學習對藥物的設計、合成進行優化，都會讓合成路線的效率和產率得到進一步提高。

3 藥物應用研發進展

瑞德西韋作為一種具有廣譜抗RNA 病毒活性的藥物，在預防和治療RNA 病毒病上有著廣泛的應用。在COVID-19 出現前，其已經完成了多項動物活體實驗和臨床試驗，主要是針對埃博拉、中東呼吸綜合征等病毒。

針對埃博拉病毒，瑞德西韋在體外實驗和靈長類動物實驗中體現出抑制病毒復制的活性[4]，但在臨床試驗中被單克隆抗體替換，原因是后者死亡率更低[12]。

針對中東呼吸綜合征，小鼠實驗證明瑞德西韋有比較好的對非人哺乳動物的治療效果，預防性和治療性用藥均可改善肺功能，降低肺病毒載量，減輕肺病理學損傷[5]。這也是在COVID-19 暴發后選擇瑞德西韋進行臨床試驗的原因之一。

瑞德西韋已經被證明可以在體外有效抑制新近出現的2019-nCoV[13]，并且在美國的1 例COVID-19 臨床治療中產生了一定的效果[6]，證明其可能在人體內具有抗2019-nCoV 活性。在中國，瑞德西韋已經開始進行針對COVID-19 的臨床試驗，但目前尚沒有結果證實或證偽其可以作為 抗 2019-nCoV 藥 物 使用[14]。

4 結語

通過對瑞德西韋分子設計方法的研究，討論了藥物分子的穩定性與化學鍵、成鍵基團等多種因素的關系，討論了藥物的體內反應條件和物理化學性質在藥物設計中的重要影響，對掌握藥物設計的一般規律有指導意義。通過對瑞德西韋2條合成路線的討論，明確了改變反應條件和立體化學在有機合成中間的重要作用，對實驗室有機合成和進行工業生產都具有重要的指導意義。