药物模拟技术初获成果后，如何继续推进新型冠状病毒的研发？

新型冠状病毒的多个药物研发项目即将或已经进入试验筛选阶段。SARS-Cov与SARS-Cov-2有较高的同源性，可以作为后者实验筛选设计的良好参考。本文总结现有的SARS-Cov文献细胞模型及动物模型，以及近期关键的SARS-Cov-2药物研究成果与可用的实验室资源，希望可以为推进新型冠状病毒的药物研发提供参考。

新型冠状病毒疫情出现至今已有两个多月，人们在关注疾病防控工作进展的同时，也密切留意着抗病毒药物研发的消息。

2月11日，世界卫生组织（WHO）正式将新型冠状病毒(2019-nCov)命名为“严重急性呼吸综合征冠状病毒2”（SARS-Cov-2），新名字直接体现了这一新型病毒与引起非典型性肺炎的SARS-Cov病毒的同源关系。目前已有多家研究机构与企业公布了药物筛选的阶段性进展，正需要进入体外实验与动物实验阶段。如能借鉴SARS的实验设计成果，就可以指导下一步的抗新冠病毒药物研发，加快临床试验的进展。

药物研发是一个漫长而严谨的过程，一般需要十几年的时间与大量的试错。从60年代发现至今，冠状病毒有7个已知的可传人的种类，然而目前尚无任何有效的药物。其中一个重要原因，就是研发窗口有限，任务繁重。非典型性肺炎（SARS）和中东呼吸综合征（MERS）至今没有特效药和疫苗的关键原因之一，就是新分子进入临床研究之前，疫情已经褪去，最终无法找到足够的患者入组完成临床研究。

图1：药物研发流程耗时漫长、成功率低

2019年，冠状病毒再次袭来，爆发速度快，用药需求迫切。如何以先进的计算技术最大化缩短研发周期，并尽快推进实验验证，加速有效药物投入使用，是药物研发团队必须面对的挑战。

一款药可以进入临床测试之前，必须通过体外实验(in vitro)与动物实验(in vivo)对药物的安全性、毒性、有效性、与用药剂量进行研究。选择合适的细胞、动物模型，是保障试验推进的关键。

目前已有多个研究组以人工智能(AI)、计算化学的方法找到了一批对SARS-Cov-2病毒具有潜在抑制作用的候选药物分子（附件1）。接下来，应该如何通过体外与动物实验找到真正安全有效的潜力药？SARS-Cov-2研究有哪些可用的细胞与动物模型？基于SARS-Cov-2与SARS-Cov较高的同源性与基因序列相似性，本文对现有的SARS-Cov文献细胞模型及动物模型进行了归纳总结，并在文末附件中整理出近期关键的药物研发新闻与国内符合SARS-Cov-2研究标准的P3\P4实验室资源，希望可以为推进新型冠状病毒的药物研发提供参考。

实验筛选模型

不论是老药新用还是从头设计，下一步都需要开发体外活性筛选的方法，再通过不同的动物模型验证药物安全有效。除SARS-Cov-2外，目前已知感染人的冠状病毒有6种。基于我们之前的研究对比[1]，SARS-Cov-2 (2019-nCov)与SARS-Cov病毒的基因组序列相似度最高，达到近80%；根据同源建模，两种病毒与感染、传播相关的关键蛋白片段3CLpro和PLpro 的结构也高度重合(RMSD：1.23 Å)，这意味着，SARS-Cov的研究思路和已经过验证的实验模型对SARS-Cov-2的药物研究具有指导意义和参考价值。

图2. 针对冠状病毒的药物发现流程示意图[2]

●体外细胞模型●

冠状病毒和所有其他病毒一样，需要宿主细胞复制它们的基因组，包装产生后代病毒，并导致相关疾病。一种良好的体外细胞模型应能够稳定传代，细胞病变典型，且病毒滴度高。多种细胞可不同程度地支持SARS相关病毒的体外复制。

● Vero E6

Vero E6（非洲绿猴肾细胞）是应用最广泛的SARS-CoV病毒复制细胞。针对SARS-Cov-2的病毒分离和细胞试验也均采用Vero E6模型。目前有多项研究进展均来自这一细胞：

2020年1月27日，广东省疾病预防控制中心从一例病例的肺泡灌洗液中分离出广东省第一株新型冠状病毒毒株，使用Vero-E6传代细胞系分离。

2020年2月4日，中国科学院武汉病毒研究所与军事科学院军事医学研究院率先联合发布SARS-Cov-2细胞试验的具体方法及结果。研究基于Vero E6细胞，发现广谱抗病毒药物瑞得西韦（Remdesivir），以及抗疟疾和治疗自身免疫性疾病的磷酸氯喹（Chloroquine），能在体外细胞上有效抑制SARS-Cov-2。

● 人气道上皮细胞模型

除了Vero E6细胞外，人气道上皮细胞（Human airway epithelial ,HAE cell）也是较为常用的细胞模型。瑞得西韦（Remdesivir）曾在HAE细胞验证其抑制SARS-Cov的作用。

此外，图3分别列出21种细胞系对SARS-CoV的易感性测试结果，可供参考。这些细胞是否适应于SARS-Cov-2实验有待进一步验证[3]。

图3. 不同细胞系对SARS-CoV易感性列表

●动物模型●

经体外活性筛选的有效新分子，必须经过动物模型的安全性和有效性评价之后才能进入人体临床试验阶段，动物模型可以体现生理、免疫系统与病毒的相互作用，这是体外试验无法替代的。

对于感染性疾病，动物模型具有阐述病毒发病机理、验证抗病毒药物及疫苗有效性研究的作用。理想的动物模型应当对病毒敏感，且具备与人一致的临床表现及病理特征。小动物（如啮齿类、家兔）有操作简单，花费较少，数量充足、饲养相对简单的优点。但对于同一种病毒，啮齿类的易感性不同，对一种动物是病原体，对另一种可能不致病；即使是同一种属动物的不同品系，甚至年龄、体重的差异，也会导致这些动物对同一刺激的反应有很大差别。此外，啮齿类对一些临床疾病的耐受性较强。因此，构建啮齿类动物模型通常需要提高病毒毒力以感染宿主或使用更易感的转基因动物，而这些方法又会导致其发病机理与自然宿主不同。

非人灵长类动物在形态和机能上与人相似，但开展实验的费用较为昂贵。一些种属或亚种在病毒复制水平和人类临床表现上有明显差别。

因此，需要小动物模型及非人灵长类动物模型进行综合评价。目前已有多种动物模型应用于SARS的研究[4]：

● 小鼠模型

小鼠模型因为其可重现性的优势，被广泛用于SARS疫苗、抗病毒药物的研究。科学家们尝试了用SARS-CoV感染多种小鼠种系，包括BALB/c、C57BL6、129SvEv、STAT-/-等。通过鼻内感染BALB/c（4-8周龄）、C57BL6小鼠，病毒在上呼吸道和下呼吸道中复制，在2-3次感染后达到高峰，但小鼠并未表现出患病或死亡，其肺部也并未表现出炎症。129SvEv及STAT-/-小鼠在SARS-CoV感染后表现出体重减轻和肺炎。

12-14月龄的BALB/c小鼠在SARS-CoV感染后表现出临床症状（如体重减轻，毛皮皱褶，脱水）及病理特征（支气管炎，间质肺炎及弥漫性肺泡损伤），这种随年龄增大而患病率增加的情况与2003年SARS在人群中的发病情况一致。

● 仓鼠模型

叙利亚仓鼠模型（Syrian hamster model）是SARS-CoV感染的良好模型。该模型中，病毒在呼吸道中的复制可达较高滴度，伴有间质肺炎，肺实质病变及弥漫性肺泡损伤等病变。但感染并未带来明显临床症状，且感染后7-10天病毒即被清除。叙利亚仓鼠被SARS-CoV感染后可引发强烈的中和抗体反应，能保护其不受二次感染。

● 非人灵长类模型

通过呼吸道给予SARS-Cov病毒后，猕猴、食蟹猴、非洲绿猴、狨猴表现出不同程度的临床症状，松猴及绢毛猴的感染造模则未能成功。猕猴、食蟹猴、非洲绿猴的呼吸道中检测出病毒复制，且有肺炎的报道。狨猴感染后出现水样腹泻，肺炎及肝炎。

在以往的研究中，一些不同的研究小组对猕猴及食蟹猴的临床症状的描述差异很大，甚至是相反的，这可能与动物年龄、来源、动物体内原有病原体，或剂量、感染途径、病毒株的差异有关。为了避免病毒杂交种的遗传变异导致模型不可重现，非人灵长类试验的开展需要大批量的动物，这同时增加了试验的难度。

综上，已有多种小动物和非人灵长类动物模型被应用于SARS的发病机制和治疗的研究。小动物中，年轻和年老的BALB/c和C57BL/6小鼠、T、B和/或NK细胞缺乏的基因敲除小鼠、叙利亚仓鼠，都可以有效地感染SARS-CoV病毒，但很少有动物出现明显的临床症状。最理想的小动物模型是在小鼠中表达人ACE2和/或感染小鼠适应性SARS-CoV（Mouse-adapted SARS-Cov Strains）的小鼠模型。同时，有大量不同的非人灵长类动物对SARS-CoV有耐受性，但没有一种能持续复制严重人类疾病的特征，也没有观察到死亡率[5]。

实验室合作选择

与SARS-CoV, MERS-CoV一样，SARS-Cov-2传染性极强，属于乙类传染病。开展SARS-Cov-2等烈性病毒研究必须在高级别生物安全实验室进行，包括生物安全三级、四级实验室（简称P3，P4实验室）。目前全球仅有9个P4实验室。国内唯一、也是目前亚洲第一个正式投入运行的P4实验室为中科院武汉病毒研究所P4实验室。我国的P3实验室主要集中在科研院所及大学高校，同时，几乎所有的省级疾控中心都拥有自己的P3实验室。我们整理了国内一部分P3、P4实验室的名单，详情请见附件2。

近几年快速发展的药物虚拟筛选技术结合人工智能与计算化学，在这次SARS-Cov-2疫情的药物筛选工作中起到了重要的作用，显著地扩大了有效分子搜索的范围和精确度，指导科学家将有限的实验资源优先用于研究验证活性更好的药物候选。在下一阶段的研发中，希望以上方法总结能为试验筛选工作提供一定的指导，加速有效药物的临床应用。 

随着更加信息化、智能化的药物研发技术的推广，以及计算与实验更紧密有效的结合，未来的药物研究将更加多元化，成功率与效率更高，对类似病毒爆发的预测能力和应急研发响应能力也将继续提升。随着人类对冠状病毒家族了解的深化，以及广谱抗CoVs药物与疫苗、抗体的研发进展，希望我们能为下一次类似的冠状病毒疫情做好准备，限制冠状病毒未来品种对人类的威胁。

目前，晶泰科技的多项新型冠状病毒相关研究正在完成试验验证，老药新用项目（包括183个针对3CLPpro和PLpro靶点的老药与中药活性分子）也在积极寻找体外实验合作。欢迎具备病毒及分子层面快速实验验证能力的企业和研发机构与我们联系，共同加速有效治疗药物的筛选。获得分子清单、商议实验合作，请发邮件至ncov@xtalpi.com。

相关阅读 

晶泰科技：新型冠状病毒研究与候选药物筛选

附1. 人工智能等计算技术进行药物筛选的部分阶段性成果

2020.01.25，由蒋华良院士与饶子和院士带领的团队，综合利用虚拟筛选和酶学测试，筛选出30个具备治疗潜力的药物并分享清单。筛选针对病毒分泌的水解酶（Mpro），候选药物中包括利托那韦等 12 种抗 HIV 药。目前，这一结果尚未发布试验数据[7] 。

2020.01.25，北京大学基础医学院的王月丹和初明团队宣布在了解新型冠状病毒2019-nCoV的功能性受体ACE2[8]之后，采用自主研发的人工智能药靶筛选系统，重点针对2674种已上市的药物以及1500种中药提取物进行了药物筛选，发现了多种潜在药物，有望治疗新型冠状病毒感染肺炎，其中包含了部分常用药。

2020.02.02, 晶泰科技基于3CLpro和PLpro同源建模获得的三维结构，在其新药虚拟筛选平台上，对2900多个FDA已获批药物分子和超过10000个中药成分分子进行了活性筛选，共得到183个对3CLpro和PLpro靶点有潜在抑制作用的候选分子，并对他们的活性进行预测排序。目前，晶泰科技正在运用更高精度方法计算获得更精确的活性排位，并积极寻找体外实验验证合作。

2020.02.03（英国当地时间）,《柳叶刀》（Lancet）刊文，BenevolentAI利用AI筛选出的上市药物酪氨酸蛋白激酶（JAK）1/2抑制剂巴瑞替尼（Baricitinib），可能对抑制新冠病毒感染有效。大多数病毒通过受体介导的内吞作用进入细胞，而AP2关联蛋白激酶1 (AAK1)是已知的内吞调节因子之一。该团队针对AAK1配体，通过深度学习和知识图谱获取科学文献中的相关联信息，对已批准上市药物进行筛选，预测巴瑞替尼可能中断病毒进入细胞的通道及病毒颗粒的细胞内组合，具有降低病毒感染肺细胞的潜力[9]。 

2020.02.04, 据报道，中国工程院院士李兰娟团队在体外细胞实验中验证了2个人工智能预测的潜在药物对病毒具有抑制作用（未发布实验数据）。根据报道，与未处理的对照组比较，阿比朵尔（10~30μM）能有效抑制冠状病毒60倍，并且显著抑制病毒对细胞的病变效应；另一分子，达芦那韦（300 μM）能显著抑制病毒复制，抑制效率达280倍。这2个分子是基于人工智能的虚拟药物筛选获得，同批还预测到另外2个潜在 2019-nCov抑制药物。

2020.02.04, 中国科学院武汉病毒研究所与军事科学院军事医学研究院联合研究发现，广谱抗病毒药物瑞得西韦（Remdesivir），以及抗疟疾和治疗自身免疫性疾病的磷酸氯喹（Chloroquine），能在体外细胞上有效抑制2019-nCoV。在Vero E6细胞上，瑞得西韦（Remdesivir, GS-5734）对2019-nCoV的半数有效浓度EC50=0.77 μM，选择指数SI大于129；磷酸氯喹（Chloroquine）的EC50=1.13μM，SI大于88，上述两种药物在细胞水平上均可有效抑制2019-nCoV的感染，这是首次公开细胞试验具体方法及结果[10]。其中，最受关注的明星药物瑞德西韦（Remdesivir）已于2月6日启动临床试验，用于首批新型冠状病毒感染的肺炎重症患者。 

2020.02.07，NIH官员宣布Moderna正在研发的疫苗项目进展顺利，预计2个半月后进入一期临床。1月23日， 美国NIH与流行病防范创新联盟（the Coalition for Epidemic Preparedness Innovations, CEPI）宣布和Inovio、Moderna 和昆士兰大学建立合作，开发新冠病毒疫苗，以16周之内至少有一种候选疫苗进入人体试验为目标。其中，Moderna 和inovio分别使用 mRNA和DNA疫苗研发技术，目前进展顺利，预计一个月内可以产出足够的疫苗来进行动物实验。

附2. 我国的P3实验室部分名单

福建省农业科学院畜牧兽医研究所

中国农业科学院哈尔滨兽医研究所

武汉大学生物安全三级动物实验室

中国科学院昆明动物研究所

中国科学院微生物所

军事医学科学院试验动物中心

中国医学科学院

中国农业科学院兰州兽医研究所

扬州大学农业部畜禽传染病学重点开放实验室动物生物安全三级实验室

华南农业大学生物安全三级实验室

上海市公共卫生临床中心

中山大学生物安全三级实验室

中国医科大学附属第一医院

浙江大学医学院附属第一医院

中国医科大学艾滋病研究所

上海复旦大学三级生物安全防护实验室

广东大华农-中山大学合作生物安全三级实验室

第二军医大学热带病研究所

华中农业大学动物生物安全三级实验室

南方医科大学公共卫生与热带医学学院

深圳市疾病预防控制中心

河南省疾病预防控制中心

福建省疾病预防控制中心

广东出入境检验检疫局

中国疾病预防控制中心

江苏省疾病预防控制中心

云南省疾病预防控制中心

浙江省疾病预防控制中心

湖北省疾病预防控制中心

吉林省疾病预防控制中心

山东省疾病预防控制中心

安徽省疾病预防控制中心

新疆维吾尔自治区疾病预防控制中心

西藏自治区疾病预防控制中心

重庆市动物疫病预防控制中心

重庆市疾病预防控制中心

[1]晶泰科技分享新型冠状病毒研究及药物筛选成果，寻求实验合作.(2020.02.02). 引自https://www.jingtaikeji.com/zh-hans/news/coronavirus_update/

[2]Broad-spectrum coronavirus antiviral drug discovery. Expert Opinion on Drug Discovery. 2019, 14(4): 397-412.

[3]SARS-associated Coronavirus Replication in Cell Lines. Emerg Infect Dis. 2006, 12(1): 128-133.

[4]Development of animal models against emerging coronaviruses: From SARS to MERS coronavirus. Virology. 2015, 479-480:247-258.

[5]Coronaviruses — drug discovery and therapeutic options. Nature Reviews Drug Discovery. 2016,15(5): 327-347.

[6]Is there an ideal animal model for SARS? TRENDS in Microbiology.

2006, 14(7): 299-303.

[7]上科大和中科院上海药物所联合研究团队发现一批对新型肺炎有治疗潜力的老药和中药。(2020.01.25). 引自http://www.shanghaitech.edu.cn/2020/0125/c1001a50141/page.htm

[8]Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission. SCIENCE CHINA Life Sciences. Published Online Jan 21, 2020.

[9]Baricitinib as potential treatment for 2019-nCoV acute respiratory disease. Lancet. Published Online February 3, 2020.

[10]Remdesivir and chloroquine effectively inhibit the recently emerged novel coronavirus (2019-nCoV) in vitro. Cell Research. 2020(0):1-3.

本文标题图片来自Public Domain

注：本文旨在介绍研究进展，不是治疗方案推荐。请患者前往正规医院就诊。

本文版权归属晶泰科技团队，欢迎个人转发至朋友圈，谢绝媒体或机构未经授权以任何形式转载至其他平台。转载授权申请，请在评论中回复“转载”及公众号ID

        晶泰科技（XtalPi）是一家以计算驱动创新的药物研发科技公司，基于前沿计算物理、量子化学、人工智能与云计算技术，为全球创新药企提供智能化药物研发服务。我们希望通过提高药物研发关键环节的效率与成功率、降低研发成本，为患者带来更多优质的药物。
        晶泰科技创立于麻省理工学院（MIT）校园，核心团队由来自学术界、IT互联网界及医药产业界的优秀人才组成。公司总部位于深圳，并在北京、波士顿设有分部，成立至今，晶泰科技已经成功为来自美国、欧洲、中国、日本的40余家先锋药企提供了药物研发服务。

喜欢本篇内容请点在看