CN117100755B - 化合物imb44-16在制备抗新冠病毒药物中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物制药技术领域,具体涉及一种化合物IMB44‑16或基于其结构的类似物在抗新冠病毒方面的应用。本发明提供的应用中,该小分子化合物能够在体外阻断新冠病毒Spike蛋白与受体ACE2的结合,进而起到抗新冠病毒的作用。

Description

化合物IMB44-16在制备抗新冠病毒药物中的应用
技术领域
本发明属于生物制药技术领域,具体涉及一种化合物IMB44-16或基于其结构的类似物在抗新冠病毒方面的应用。
背景技术
新型冠状病毒(SARS-CoV-2)是本世纪继冠状病毒(SARS-CoV)和中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)之后引发全球疫情的第三个冠状病毒。现阶段SARS-CoV-2仍在地球的部分地区横行,危害人类生命健康,对社会和经济造成不良意义。
在抗病毒药物研发策略中,靶向病毒进入的药物因作用时间早被认为是主要的预防疗法之一,对已感染了病毒的细胞,抑制病毒进入可防止感染的扩大,阻断病毒的进一步传播,从而起到治疗作用,因此病毒进入阶段相关调控因子是理想的抗病毒药物研发的靶标。冠状病毒的得名来自于病毒脂质层外面由棘突蛋白(Spike蛋白)构成的冠状突起。受体识别是冠状病毒感染宿主细胞的第一步,也是必不可少的一步。Spike蛋白在冠状病毒侵染细胞的过程中发挥着非常重要的作用,冠状病毒利用Spike蛋白与宿主细胞表面的特异性受体结合,宿主蛋白酶可将Spike蛋白切割为独立的两个多肽,即包含受体结合结构域(Receptor binding domain,简称RBD)的S1亚基和负责同源三聚体形成并介导病毒粒子和细胞膜融合的S2亚基,从而介导病毒进入宿主细胞进行增殖。
在SARS-CoV-2感染宿主细胞时,S1亚基的受体结合结构域(Receptor bindingdomain,简称RBD)即S-RBD能够特异性识别细胞表面的受体血管紧张素转化酶2(ACE2),它们之间的相互作用对病毒与宿主细胞膜的结合起着决定性的作用,S-RBD/ACE2相互作用抑制剂可能具有抗病毒活性。因此,SARS-CoV-2S-RBD/ACE2相互作用小分子抑制剂是抗冠状病毒药物发现的热点靶标。
发明内容
为了提供一种能够有效抵抗SARS-CoV-2的药物,本发明提供了一种化合物化合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮(下文简称IMB44-16)或基于其结构的类似物在抗新冠病毒方面的应用,本发明提供的应用中,IMB44-16或基于其结构的类似物通过抑制新冠病毒的Spike蛋白与受体ACE2结合从而起到抑制新冠病毒进入宿主细胞的作用,进而发挥抵抗新冠病毒的效果。
为了实现上述目的,本发明提供了如下技术方案:
本发明提供了一种化合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮或基于其结构的类似物在制备用于抑制病毒活性的制剂和/或药物中的应用。在本发明中,所述合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮的分子式为:C20H23N3O5S,结构式如图1所示。
本发明还提供了化合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮或基于其结构的类似物在制备用于抑制新冠病毒的制剂和/或药物中的应用。
本发明还提供了化合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮或基于其结构的类似物在制备用于抑制新冠病毒Spike蛋白与受体ACE2结合的制剂和/或药物中的应用。
本发明还提供了化合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮或基于其结构的类似物在制备用于在酵母双杂交模型上阻断新冠病毒Spike蛋白与受体ACE2结合的制剂和/或药物中的应用。
本发明还提供了化合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮或基于其结构的类似物在制备用于阻断与体外纯化的新冠病毒Spike蛋白结合的小分子抑制剂和/或药物中的应用。
本发明还提供了化合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮或基于其结构的类似物在制备用于阻断体外纯化的新冠病毒Spike蛋白与其受体ACE2结合的小分子抑制剂和/或药物中的应用。
本发明还提供了化合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮或基于其结构的类似物在制备用于抑制细胞-细胞融合的小分子抑制剂和/或药物中的应用。
本发明还提供了化合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮或基于其结构的类似物在制备用于具有抗假病毒活性的小分子抑制剂和/或药物中的应用。
在本发明中,所述制剂和/或药物的原料包括:化合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮或基于其结构的类似物、药用辅料。
附图说明
图1为IMB44-16的结构式示意图;
图2为基于酵母双杂交技术的SARS-CoV-2S-RBD/ACE2相互作用模型构建示意图;
图3为SARS-CoV-2S-RBD/ACE2相互作用酵母双杂交模型的构建;
图4为化合物IMB44-16在模型上对S-RBD/ACE2相互作用抑制活性的验证;
图5为SPR技术检测IMB44-16体外对S-RBD/ACE2相互作用的抑制活性;
图6为IMB44-16对细胞-细胞融合的抑制活性;
图7为IMB44-16对假病毒的抑制活性。
具体实施方式
实施例1
S-RBD/ACE2相互作用酵母双杂交模型的构建
1、模型构建策略
构建策略如图2所示,全基因合成目的基因后,分别通过SmaI、NotI及SmaI、PstI连接至酵母双杂交质粒pGADT7和pGBKT7,分别与位于两个质粒上的GAL4启动子AD和BD结构域融合表达。两个质粒共转入S-RBD/ACE2相互作用使得AD和BD结构域接近完成GAL4启动子活性,从而激活报告基因的表达。
2、质粒的构建
S-RBD基因GenBank:QHR63290.2(aa319-541)及人ACE2基因GenBank:AF241254(aa18-740)由金斯瑞公司合成,分别通过SmaI、NotI及SmaI、PstI分别连接至表达载体pGADT7(pAD-S-RBD)和pGBKT7(pBD-ACE2),质粒进行酶切鉴定,pGADT7-S-RBD经SmaI、NotI双酶切,pGBKT7-ACE2经SmaI、PstI双酶切。酶切验证结果如图3A所示。
3、载体共转化AH109宿主菌
将6mL新鲜培养的对数期的AH109酵母细胞培养液室温下5,000g离心5min,弃上清,用1.5mL超纯水重悬洗涤,室温6,000g,离心5min。弃上清,沉淀使用缓冲液(20μL10×TE、20μL 1×LiAc和160μL超纯水)重悬,即为酵母感受态细胞。
在1.5mL离心管中分别加入0.1μg的pGADT7(pAD-S-RBD)和pGBKT7(pBD-ACE2)和100μg鲑精DNA(鲑精DNA使用前用沸水煮20min后快速置于冰浴),混匀,加入0.1mL酵母感受态细胞,混匀,再加入0.6mL灭菌的PEG/LiAc溶液(体积比10×TE:10×LiAc:50%PEG4000=1:1:8),高速振荡10s以混匀,之后,30℃,200rpm培养30min,42℃热激15min,冰上冷却1-2min,14,000rpm室温离心5s,去上清。沉淀用200μL灭菌水重悬后涂布在SD/-Leu-Trp平板上,30℃倒置培养。把平板上生长的克隆接种在SD/-Leu-Trp-His-Ade上,观察菌的生长。
T蛋白和53蛋白具有强烈的相互作用,而T蛋白和lam蛋白之间无相互作用,以同样的方法共转入pAD-T、pBD-53和pAD-T、pBD-lam质粒,构建阳性对照菌AH109(pAD-T+pBD-53)和阴性对照菌;质粒pAD+pBD-ACE2共转入AH109菌、质粒pAD-S-RBD和pBD共转入AH109菌,检测蛋白的自激活活性。
如图3B所示,AH109(pAD-S-RBD+pBD-ACE2)和阳性对照菌AH109(pAD-T+pBD-53)均能在SD/-Leu-Trp-His-Ade平板上生长,而ACE2自激活菌、S-RBD自激活菌和AH109都不能在四缺平板上生长,和阴性对照菌AH109(pAD-T+pBD-lam)相同,说明ACE2和S-RBD都没有自激活的情况,初步证明ACE2与S-RBD之间的相互作用,成功构建了S-RBD/ACE2相互作用双杂交模型。
4、S-RBD和ACE2蛋白表达的验证
1)酵母总蛋白的提取
将AH109(pAD-S-RBD+pBD-ACE2)接种到4mL的SD–Ade/–His/–Leu/–Trp中,AH109菌株接种于4mLYPD培养基中,30℃,220rpm,培养48h;室温1000g离心5min,收集菌体,将菌体用200μL的PBS缓冲液重悬。将悬液用细胞破碎仪破碎,收集破碎液,12000rpm离心,收集上清;向上清样品加入5×蛋白loadingbuffer,100℃金属浴10min。通过western-blot分析蛋白的表达。
pGADT7(AD)质粒含有血凝素HA抗原,因此S-RBD蛋白带有HA标签,pGBKT7(BD)中含有c-myc抗原,ACE2带有c-myc标签,使用相应的标签抗体科检测到蛋白的表达。结果如图3C,AH109无明显条带(条带1),模型菌中可以检测到酵母菌中S-RBD和ACE2与对应标签的蛋白表达(条带2)。
5、β-半乳糖苷酶活性检测
1)β-半乳糖苷酶活性定性检测
将在SD/-Leu-Trp-His-Ade上生长的酵母菌落用无菌牙签挑到一张干净的滤纸上,菌落面朝上,置于液氮中10s,室温解冻后,将滤纸放入事先浸泡于Z buffer/X-gal溶液中的另一张干净的滤纸上,30℃孵育,观察菌落是否出现蓝色,以8h之内出现蓝色为阳性,没有颜色变化的为阴性。结果如图3D所示,AH109(pAD-S-RBD+pBD-ACE2)和阳性对照菌AH109(pAD-T+pBD-53)一样,菌落点均呈现蓝色,表现出β-半乳糖苷酶水解活性;AH109(pAD+pBD-ACE2)、AH109(pAD-S-RBD+pBD)、AH109酵母菌和阴性对照菌AH109(pAD-T+pBD-lam)一样未出现蓝色。
2)β-半乳糖苷酶活性定量检测
收集在液体培养基SD/-Leu-Trp-His-Ade中生长的酵母菌,漩涡混匀测量OD600值。将每一管菌液转移至3个1.5mL的EP管中,14,000rpm离心30s。弃去上清,在每个EP管中加入1.5mL Z buffer(0.1M Na2HPO4,35mM NaH2PO4,10mM KCl,and 1mM MgSO4,pH 7.0),重悬细胞。再次14,000rpm离心30s,弃去上清。用300μL Z buffer重悬细胞。将0.1mL细胞悬液重新置于另一个干净的EP管中。并将此EP管放入液氮0.5-1min,之后37℃水浴0.5-1min。反复冻融2次以上,确保细胞完全裂解。用100μL Z buffer设置一空白对照。
在每一个EP管中(包括空白对照)加入0.7mL Z buffer(含有0.27%的β-巯基乙醇)。迅速加入160μL ONPG(用Z buffer溶解,4mg/mL)至每个EP管中,并将EP管放入30℃。开始计时。当EP管中出现黄色后,在每管中加入0.4mL 1M Na2CO3,终止反应。记录所用的时间t。将EP管中的液体14,000rpm离心10min,之后,将上清转移至干净的比色皿中(不要吸入沉淀,以免影响比色),测量OD420(与空白对照管相对比)。OD420应在0.02~1.0之间。计算β-半乳糖苷酶活性
(-gal units=1000×OD420/(t×V×OD600) V=0.1mL×5
结果如图3E所示,阳性对照菌AH109(pAD-T+pBD-53)的酶活为3.65,该结果证明了实验的可靠性;模型菌AH109(pAD-S-RBD+pBD-ACE2)显示出一定的β-半乳糖苷酶活性和,酶活值为1.44,而阴性对照菌AH109(pAD-T+pBD-lam)活性较弱,酶活值仅为0.41,这些结果表明S-RBD和ACE2在酵母双杂交系统中表现出相互作用,表明模型构建成功。
实施例2
化合物IMB44-16在酵母双杂交模型上抑制活性的验证
1、化合物IMB44-16对模型生长的抑制活性
分别接种模型酵母菌AH109(pAD-S-RBD+pBD-ACE2)和阳性对照菌AH109
(pAD-T+pBD-53)于SD/-Trp-Leu-His-Ade四缺液体培养基中,220rpm,30℃培养,使OD600达到0.6至0.8。用SD/-Trp-Leu-His-Ade四缺液体培养基按1:1000比例稀释菌液,196μL/孔加入到96孔板中,加入倍比稀释好的4μL化合物,使其终浓度分别为100、50、25、12.5、6.25、3.125、1.56和0.78μg/mL。30℃静置培养48h,观察化合物对两种酵母菌的生长抑制情况,酵母菌生长完全被抑制的浓度即判断为MIC。
化合物IMB44-16对模型菌的MIC为1.56μg/mL,对阳性对照菌的MIC为3.125μg/mL,以上数据表明IMB44-16对模型菌具有较为特异性的抑制活性。
2、-半乳糖苷活性检测
将模型AH109(pAD-S-RBD+pBD-ACE2)在缺陷性培养基SD/-Trp-Leu-His-Ade中30℃过夜培养至对数生长期。将50μL过夜培养细胞以1:100比例转接至5mL缺陷性培养基SD/-Leu/-Trp中,同时,加入相应浓度的化合物(终浓度分别为6.25μg/mL、3.125μg/mL、1.56μg/mL、0.78μg/mL、0.39μg/mL和0.195μg/mL),继续培养,同时做无药对照。24h后收集细胞,按照实施例1中所述方法做β-半乳糖苷酶活性定量检测,求得(-gal units后计算加药组相对于无药对照的百分率。
结果如图4所示,无药对照菌的β-半乳糖苷酶活性为3.11,而0.18μg/mL的IMB44-16处理菌的活性值为1.23,说明随着IMB44-16浓度的增加,β-半乳糖苷酶活性值呈现剂量依赖性的下降,在3.125μg/mL时,活性值仅为0.07。
实施例3
化合物IMB44-16细胞毒性检测
使用CCK8试剂盒(Cell Counting Kit-8)检测IMB44-16的细胞毒性。HEK-293T细胞从液氮中取出,37℃水浴复苏,800rpm离心5min,弃掉上清,用含有10%胎牛血清的1mL1640培养基重悬细胞,转入培养皿中,补齐9mL培养基,37℃5%CO2培养;细胞生长至超过80%培养皿面积时,胰酶消化,传代;处于对数期的细胞进行铺板,密度设置为8000个/孔,培养至其贴壁,最外围一圈用无菌水封闭;各孔加入筛选得到的活性化合物,使其终浓度为50μg/mL,继续培养48h;向各孔中加入10μL CCK8检测试剂,避光培养2-4h后,酶标仪读取450nm吸光值,与不加化合物的细胞对照组比较,计算细胞相对存活率。同样的方法检测化合物IMB44-16对Vero细胞、Huh-7细胞的毒性。
结果发现IMB44-16在50μg/mL浓度时对Vero、Huh-7和HEK-293T细胞均未表现出生长抑制活性。表明IMB44-16无显著细胞毒性。
实施例4
SPR方法检测化合物IMB44-16对蛋白相互作用的抑制活性
1、化合物IMB44-16与S-RBD和ACE2蛋白的结合检测
1)缓冲液与仪器准备:将实验所需缓冲液PBST、含5%DMSO的PBST分别用0.22μM滤膜过滤,真空脱气,用脱气后得到的缓冲液清洗管路。
2)芯片的活化与蛋白的固定:分别将153mg EDC和23mg NHS溶于2mL去离子水中,0.22μM滤膜过滤。将EDC与NHS1:1混合后上样注射,流速设置为10μL/min,注射7min,完成芯片活化。使用适宜pH值的醋酸钠溶液将蛋白稀释至80μg/mL,在左通道进行蛋白固定,设置流速为10μL/min,注射7min,右通道作为空白对照。蛋白固定至理想信号时,注射1M乙醇胺(pH 8.5)8min,对芯片表面未结合蛋白的位点进行封闭。
3)化合物的结合检测:用含5%DMSO的PBST缓冲液对化合物进行稀释,终浓度分别为200μM、100μM、50μM,上样过程结合2.5min,自然解离5.5min,设置流速为25μL/min。观察化合物在不同浓度下与芯片上已固定蛋白的结合情况。
4)数据处理:使用Trace Drawer软件计算化合物与蛋白的平衡解离常数(KD)。
如图5A和图5B所示,结果显示化合物IMB44-16与ACE2和S-RBD两种蛋白均能结合,KD值分别为1.11×10-6M和1.058×10-6M。
2、S-RBD/ACE2相互作用检测
清洗仪器,将SAM芯片活化后,固定蛋白S-RBD,以乙醇胺封闭。用PBST稀释的ACE2流经
芯片表面,结合2.5min,解离5.5min,流速为25μL/min,观察不同浓度ACE2与S-RBD的结合情况,用Trace Drawer软件计算ACE2与S-RBD相互作用的平衡解离常数(KD)。
结果如图5C所示,ACE2以剂量依赖的方式与S-RBD结合,其KD为3.44×10-11M,表明二者亲和力强。
3、ACE2/S-RBD相互作用及化合物IMB44-16阻断检测
在SAM芯片上固定并封闭S-RBD,将不同浓度的化合物IMB44-16流经SAM芯片,结合时间为
2.5min,然后注入6.25nMACE2-his。阴性对照中,以同样的方式先注入PBST缓冲液,之后注入等量ACE2,观察曲线变化。
由图5D可见,加入不同浓度的IMB44-16之后,信号值下降,说明IMB44-16有效阻断了ACE2-his/RBD-mfc的相互作用,并呈现浓度依赖性。
实施例5
化合物IMB44-16对细胞融合的阻断
以表达新冠Spike蛋白的HEK-293T细胞作为效应细胞,膜表面表达ACE2的Vero细胞作为靶细胞,两种细胞共培养时,由于Spike蛋白与ACE2结合,两种细胞会发生膜融合,细胞胀大。在表达Spike蛋白的HEK-293T细胞中同时表达EGFP蛋白,使得HEK-293T细胞具有较强的荧光,而融合细胞荧光减弱。细胞融合实验可以模拟病毒感染宿主的过程,相互作用阻断剂应该能够阻断Spike与ACE2的结合,减少融合细胞的数目,表现为荧光强度恢复。
将HEK-293T细胞铺板于6孔板,密度设置为每孔500000个,过夜培养至其贴壁;每个孔加入用250μL无血清Opti-MEM培养基稀释的6μL脂质体Lipofectamine TM2000,室温孵育5min;每个孔用250μL无血清Opti-MEM培养基稀释4μg pAAV-IRES-EGFP或pAAV-IRES-EGFP-SARS-CoV-2-S质粒,与脂质体稀释液等体积进行混合,室温条件放置20min;向质粒和脂质体的混合溶液中加入1.5mL的完全培养基,吹吸混匀;吸弃六孔板内原培养液,贴壁小心加入上述的转染培养基;37℃孵育6h后,吸弃转染培养基,PBS清洗细胞表面,加入完全培养基,37℃培养48h;将Vero细胞消化下来与转染细胞混匀后铺板于96孔板中,Vero细胞数目约为HEK-293T数目的1/5,同时加入不同浓度的化合物IMB44-16,设置3个复孔,37℃培养12h后用高内涵系统拍照成像。
结果如图6所示,只表达EGFP的HEK-293T细胞与Vero共培养24h,因为没有细胞融合现象,荧光信号强且集中;转染SARS-CoV-2-S/EGFP的HEK-293T细胞与Vero共培养后观察到荧光强度变弱,荧光面积变大,说明发生了细胞融合。随着IMB44-16的加入,融合细胞数目变少,荧光强度有一定恢复,说明细胞的融合受到了抑制。
实施例6
化合物IMB44-16的假病毒抑制活性检测方法
使用HIV-1(人类免疫缺陷I型病毒)为基础载体侵染293T细胞后,包装成表面表达SARS-CoV-2刺突蛋白的假病毒,并携带荧光素酶报告基因。通过带有潮霉素抗性的pcDNA3.1(hyg)-ACE2质粒转染293T细胞,抗性加压筛选获得稳定过表达ACE2得293T细胞系(293T-ACE2),用作假病毒感染的靶细胞。假病毒颗粒表面表达的新冠病毒S蛋白,其与靶细胞表面过表达的ACE2结合过程可以高度模拟新冠病毒通过Spike结合ACE2受体对靶细胞的入侵。假病毒与待测化合物孵育后侵染细胞,检测荧光素酶发光值RLU(Relative LightUnit)的变化,可显示化合物对加病毒侵入的抑制活性。
将293T-ACE2细胞铺于96孔板,密度设置为30000个/孔;37℃,5%CO2培养;稀释后的化合物样品和假病毒等体积混合,37℃孵育1h,加入到293T-ACE2细胞上,每个浓度设置3个复孔;同时将稀释好的假病毒与DMEM培养基母液取等体积混合后,37℃孵育1h,加入到提前铺板的293T-ACE2细胞上,设置3个复孔,作为阳性对照;DMEM培养基母液37℃孵育1h,加入到提前铺板的293T-ACE2细胞上,3个复孔,作为阴性对照。
检测Luciferase发光值,根据下列公式计算抑制率:
抑制率(%)=[1-(样品RLU-阴性对照RLU)/(阳性对照RLU-阴性对照RLU)]*100%
IMB44-16对假病毒的中和活性定量结果如图7所示,抑制率分别为68.1%和42.46%。
尽管本发明的具体实施方式已经得到详尽的描述,根据已经公开的所有教导,本领域技术人员仍可对本发明技术方案的细节做进一步的修改和替换,这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (2)

1.化合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮在制备用于抑制新冠病毒的制剂和/或药物中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述制剂和/或药物的原料包括:化合物2-{4-[4-(呋喃-2-羰基)哌嗪-1-羰基]苯基}-1-6,2-噻嗪烷-1,1-二酮和药用辅料。
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