Repurposing FDA-zugelassener Medikamente zur Inhibition der SARS-CoV-2-Hauptprotease: Eine virtuelle Screening-Analyse

Targeting der SARS-CoV-2-Hauptprotease

Die Entwicklung eines neuartigen Antiviralikums ist sowohl teuer als auch zeitaufwändig. Mitten in einer globalen Pandemie besteht der dringende Bedarf, Medikamente zu identifizieren, die die Virusreplikation rasch stoppen können. Drug Repurposing – die Nutzung von beim Menschen bereits als sicher erwiesenen Medikamenten – bietet einen vielversprechenden Shortcut. Während einzelne Medikamente moderate Vorteile bieten können, könnten strategische Kombinationen, die mehrere virale Proteine angreifen (wie bei der HIV-Therapie), substantielle klinische Gewinne erzielen. Die Schlüsselfrage: Welche Kombinationen werden gegen SARS-CoV-2 am effektivsten sein?

Unsere Studie fokussiert auf die Aktivzentrumsarchitektur der Protease, im Vergleich zur gut charakterisierten SARS-CoV-Protease, gebunden an mikromolare Inhibitoren. Dieser strukturelle Einblick leitet das Design potenter Inhibitoren für SARS-CoV-2.

Wir führten dann ein virtuelles Screening einer FDA-zugelassenen Medikamentenbibliothek durch, um Moleküle zu identifizieren, die vorhergesagt an die Protease binden, und ihre Potenzial in Kombinationstherapien zu bewerten.

SARS-CoV-2 Proteine

Die rasche Sequenzierung viraler Genome von Patienten lieferte die Sequenzen zahlreicher potenzieller Drug Targets. Viele dieser Proteine teilen hohe Ähnlichkeit mit SARS-CoV-Gegenstücken, was initiale Homologiemodelle ermöglicht. Wenn experimentelle Strukturen (Röntgen, Cryo-EM) verfügbar werden, verfeinern sie unser Verständnis druggbarer Sites.

Unter Coronaviren ist die Hauptprotease (Mpro, auch 3CL Protease genannt) ein führendes Drug Target. Neben papain-ähnlichen Proteasen spaltet Mpro das Polyprotein 1ab an 11 definierten Stellen, ein für die virale Reifung essenzieller Prozess.

Die Inhibition von Mpro blockiert Replikation. Da keine menschliche Protease ihre Spaltespezifität teilt, ist es unwahrscheinlich, dass Inhibitoren Off-Target-Toxizität zeigen.

Struktur-basiertes Design für Repurposing: Mpro

Mpro fungiert als Homodimer (Abb. 2), jede Untereinheit enthält ein katalytisches His41/Cys145-Dyad.

Die SARS-CoV-2-Protease teilt 96,1 % Identität und 99 % Ähnlichkeit mit ihrem SARS-CoV-Vorfahren. Nur ein Residuum unterscheidet sich im Aktivzentrum: Position 46 ist Serin statt Alanin (Abb. 3).

Zahlreiche SARS-CoV Mpro Strukturen, komplexiert mit mikromolaren Inhibitoren, sind verfügbar; die potentesten Liganden sind kovalent. Das Aktivzentrum ist in vier Subsites (S1′, S1, S2, S4) unterteilt, die diverse Chemotypen akkommodieren.

In Hochaffinitäts-Komplexen (PDB 2ZU4 und 2GX4; Ki = 0,038 µM und 0,053 µM) bildet das Cystein-145-Thiol eine kovalente Bindung mit dem Inhibitor, was die Wichtigkeit kovalenter Bindung für starke Bindung unterstreicht.

Detaillierte Analyse dieser Interaktionen informiert die Schlüsselkontakte, die in Docking-Studien überwacht werden sollten.

Virtueller Screening-Workflow

Mit der 2,5 Å Kristallstruktur des SARS-CoV-2 Protease-Dimers, gebunden an den kovalenten Inhibitor N3 (PDB 6LU7), veröffentlicht im Februar, führten wir ein systematisches virtuelles Screen durch. N3 besetzt den Substratbindetaschen in einer extended Konformation (Abb. 5).

Unsere Bibliothek umfasste 2.684 FDA-zugelassene Medikamente mit Molekulargewicht < 800 Da. Docking wurde mit GOLD (CCDC) durchgeführt, gefolgt von Bindungsfreienenergie-Berechnungen mit CHARMM/GBMV. Jede Pose durchlief In-situ-Ligand-Minimierung (14 Å Sphäre) und Ligand-Entropie-Schätzung. Viele top-bewertete Verbindungen waren bekannte HIV/HCV-Protease-Inhibitoren (Abb. 6).

Der beste Kandidat, Troxerutin – ein Flavonoid – erzielte hohe Scores. Flavonoide haben dokumentierte Protease-inhibitorische Aktivität; kürzliche IC₅₀-Werte für Herbacetin, Rhoifolin und Pectolinarin gegen SARS-CoV lagen bei 33,17, 27,45 und 37,78 µM.

Dipyridamol (Abb. 7) rangierte fünft. Ein kürzliches Preprint berichtet seiner Fähigkeit, HCoV-19-Replikation mit einem EC₅₀ von 100 nM in vitro zu unterdrücken.

Preprint-Studien zu HIV-Protease-Inhibitoren unterstützen weiter Aktivität gegen SARS-CoV-2. Nelfinavir inhibierte beispielsweise virale Replikation in Vero E6 Zellen.

Ritonavir und Lopinavir, beide interagierend mit katalytischen Resten und zusätzlichen Schlüsselseitenketten (GLU166, PRO168, GLN189), befinden sich in klinischer Untersuchung. Allerdings bleiben IC₅₀-Daten für diese Agenten gegen SARS-CoV-2 unavailable.

Atazanavir zeigt ebenfalls Aktivität in infizierten Zellen, reduziert virale Replikation und pro-inflammatorische Zytokinproduktion. Eine neu veröffentlichte Struktur (PDB 6W63) mit Inhibitor X77 teilt eine ähnliche Bindetaschen-Orientierung wie 6LU7; Re-Docking bestätigte vergleichbare Vorhersagen.

Implikationen und zukünftige Richtungen

Mit vier Subsites kann die Mpro-Bindetasche diverse Liganden mit moderater Affinität akkommodieren. Virtuelles Screening dient somit als mächtiges Werkzeug, um Kandidateninhibitoren zu identifizieren und ihre Bindemodi zu elucidieren.

Diese computergestützten Hypothesen erfordern experimentelle Validierung – IC₅₀-Messungen, kovalentes Docking und pharmakokinetisches Profiling – um klinisch tragfähige Therapeutika zu entwickeln. Kovalente Inhibitoren zeigen insbesondere oft überlegene Potenz und verlängerte Wirkung, was sie zu attraktiven Leads macht.

Letztlich liefert diese Arbeit einen raschen, struktur-geführten Fahrplan für das Repurposing bestehender Medikamente gegen COVID-19 und erleichtert die dringende Translation von der Bank ans Krankenbett.

Wir danken dem Cambridge Crystallographic Data Centre für Zugang zu GOLD; seine bewährte Wirksamkeit in virtuellem Screening und Lead-Optimierung untermauert diese Studie. Ein Interface zu GOLD ist innerhalb von Discovery Studio verfügbar.