研究人员开辟了抗艾滋病毒药物开发的新线索

诸平

Electron microscope image of viral particles produced in HIV-infected human immune cells (macrophages). Image credit: Kathleen Collins and Michael Mashiba.

据美国密西根大学（University of Michigan简称U-M）网站2024年3月7日报道，密歇根大学的研究人员与德国亥姆霍兹药学研究所（Hemholtz Institute for Pharmaceutical Research, Germany）的罗尔夫·穆勒（Rolf Müller）合作，在实验室中成功地修饰了一种天然化合物，从而产生了具有抗艾滋病毒活性的高级先导化合物（Researchers open new leads in anti-HIV drug development, using a compound found in nature）。相关研究结果于2024年3月7日已经在《药物化学杂志》（Journal of Medicinal Chemistry）网站发表——Morgan McCauley, Matthew Huston, Alanna R. Condren, Filipa Pereira, Joel Cline, Marianne Yaple-Maresh, Mark M. Painter, Gretchen E. Zimmerman, Andrew W. Robertson, Nolan Carney, Christopher Goodall, Valeri Terry, Rolf Müller, David H. Sherman, Kathleen L. Collins. Structure-activity relationships of natural and semisynthetic plecomacrolides suggest distinct pathways for HIV-1 immune evasion and vacuolar ATPase-dependent lysosomal acidification. Journal of Medicinal Chemistry, 2024. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.3c01574. Publication Date: March 7, 2024. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jmedchem.3c01574

此研究成果为开发可能有助于治愈而非治疗艾滋病毒的药物提供了一条新的途径。虽然有有效的治疗方法来控制HIV，但由于这种病毒能够隐藏在免疫系统中，潜伏在受感染细胞的储存库中，因此治愈方法仍然难以捉摸。

密歇根大学医学院（U-M Medical School）微生物学和免疫学教授凯瑟琳·柯林斯（Kathleen Collins）医学博士解释说：“对于大多数病毒，当人们被感染时，他们会生病一段时间，然后免疫系统开始发挥作用，病毒被清除。但是对于艾滋病毒，一旦患者被感染，这种病毒将伴随他们的一生，这意味着他们必须无限期地接受治疗。”

艾滋病病毒能够隐藏在患者细胞中的一个关键因素是该病毒制造的一种名为Nef的蛋白质。这种蛋白质关闭了细胞通常用来提醒免疫系统感染的系统，从而阻止免疫细胞识别和清除艾滋病病毒。

凯瑟琳·柯林斯和她的实验室已经研究这种蛋白质超过15年，研究它是如何工作的，以及它是如何被禁用的。她和密歇根大学生命科学研究所（U-M Life Sciences Institute）教授大卫·谢尔曼（David Sherman）博士此前发现，自然界中发现的一种化学物质可以抑制HIV Nef，使免疫系统能够发现并消除病毒感染的细胞:一种由土壤来源的微生物产生的化合物，称为刀豆素A (concanamycin A简称CMA)。

然而，在其自然形式下，CMA作为一种潜在的治疗方法提出了几个挑战。研究团队要克服的第一个挑战是补给。虽然CMA是一种天然存在的化合物，但产生它的原始细菌数量太少，无法用于实验室的测试和修改。将CMA开发为抗HIV药物的另一个主要挑战是Nef不是CMA的主要目标。

同时担任密歇根大学药学院、医学院和文理艺术学院（U-M College of Pharmacy, Medical School, and College of Literature, Science, and the Arts）教授的大卫·谢尔曼解释说:“CMA在人体细胞中的主要作用是抑制一种叫做液泡ATP酶（vacuolar ATPases简称V-ATPase）的酶，在这种情况下，我们绝对不想阻止这种酶。因此，我们需要找到一种方法来修饰CMA的活性，在不影响其典型的细胞靶标V-ATPase的情况下，扩大CMA开始抑制HIV Nef靶标的有效剂量差距。”

通过这项最新的研究，该团队克服了这两个挑战。大卫·谢尔曼的研究小组利用生物工程技术开发出了一种能使CMA产量增加2000倍的菌株。实验室里的合成化学家们随后创造了这种化合物的70多种新变体，置换了不同的化学基团，以测试它们对抗HIV Nef的效力。

凯瑟琳·柯林斯实验室的研究小组对这些新化合物进行了一系列测试，以测量它们对细胞的毒性，以及它们如何影响HIV Nef和V-ATPase的活性。密歇根大学医学院的内科教授凯瑟琳·柯林斯说:“尽管我们知道CMA对HIV Nef蛋白非常有效，但所有的药物都有副作用。所以我们要确保在考虑将药物用于动物或人类之前，我们已经尽了一切努力将药物的副作用降到最低。”

该团队现在已经有了几种CMA类似物，它们在非常低的剂量水平下就能有效地阻断HIV Nef，而不会中断脱靶效应（off-target effects）或对人体细胞产生毒性。然而，他们警告说，在这些化合物准备好在临床环境中进行进一步测试之前，还有几个重要的步骤要做。

大卫·谢尔曼说：“但我们确实受到鼓舞，因为我们的团队已经解决了一些非常重要的问题。我们已经对微生物进行了改造，以产生可持续的天然产物分子供应，并有很好的化学方法来制造新的类似物。我们有方法继续追踪关键的毒性和效价参数以进一步减少脱靶效应。”

这项研究得到了美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的支持。

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Abstract

The human immunodeficiency virus (HIV)-encoded accessory protein Nef enhances pathogenicity by reducing major histocompatibility complex I (MHC-I) cell surface expression, protecting HIV-infected cells from immune recognition. Nef-dependent downmodulation of MHC-I can be reversed by subnanomolar concentrations of concanamycin A (1), a well-known inhibitor of vacuolar ATPase, at concentrations below those that interfere with lysosomal acidification or degradation. We conducted a structure–activity relationship study that assessed 76 compounds for Nef inhibition, 24 and 72 h viability, and lysosomal neutralization in Nef-expressing primary T cells. This analysis demonstrated that the most potent compounds were natural concanamycins and their derivatives. Comparison against a set of new, semisynthetic concanamycins revealed that substituents at C-8 and acylation of C-9 significantly affected Nef potency, target cell viability, and lysosomal neutralization. These findings provide important progress toward understanding the mechanism of action of these compounds and the identification of an advanced lead anti-HIV Nef inhibitory compound.