AI驱动发现抗HIV药物比克替拉韦和依曲韦林作为广谱抗痘病毒抑制剂的新用途

《Communications Biology》：AI-driven discovery of antiretroviral drug bictegravir and etravirine as inhibitors against monkeypox and related poxviruses

本研究针对猴痘病毒(MPXV)缺乏特效治疗药物的临床难题，开发了基于深度学习的人工智能(AI)药物重定位平台DEEPScreen-Pox，通过靶向高度保守的痘病毒DNA聚合酶，从11,500种药物中筛选出抗HIV药物比克替拉韦(BIC)和依曲韦林(ETR)。实验证明二者能有效抑制MPXV不同分支(Clade Ia/Ib/IIb)以及疫苗病毒(VACV)、牛痘病毒在人体肠道/皮肤类器官中的感染，为HIV合并MPXV感染患者提供了极具临床转化价值的联合治疗方案。

　　

当全球仍在应对COVID-19大流行时，2022年5月又出现了新的公共卫生威胁——猴痘（mpox）全球爆发。这场疫情迅速蔓延至100多个国家，促使世界卫生组织(WHO)宣布国际关注的公共卫生紧急事件(PHEIC)。更令人担忧的是，免疫缺陷人群（特别是HIV感染者）感染猴痘病毒(MPXV)后往往出现更严重的临床症状，甚至死亡。然而，当前缺乏安全有效的特效药物：曾被赋予厚望的特考韦瑞(tecovirimat)在近期临床试验中未显示临床获益，且已出现耐药毒株；西多福韦(cidofovir)及其前药布林西多福韦(brincidofovir)的疗效仍不明确。这种治疗空白在非洲儿童、孕妇和免疫抑制人群中尤为突出。

为应对这一挑战，研究团队创新性地融合人工智能技术与人类类器官模型，建立了名为DEEPScreen-Pox的AI驱动药物发现平台。该研究发表于《Communications Biology》，通过靶向痘病毒科高度保守的DNA聚合酶，从已有临床药物中快速筛选出具有广谱抗病毒活性的候选药物。

研究采用的核心技术方法包括：（1）基于卷积神经网络(CNN)的深度学习框架DEEPScreen，通过二维化合物图像预测药物-靶点相互作用(DTI)；（2）分子对接与分子动力学(MD)模拟验证结合模式；（3）人源肠道类器官(hIOs)和气液界面(ALI)培养的皮肤类器官感染模型（使用临床分离的MPXV毒株）；（4）病毒载量检测（TCID₅₀法、qPCR）和免疫荧光染色评估抗病毒效果。

关键特征及痘病毒DNA聚合酶保守性分析

DEEPScreen-Pox模型通过分析化合物二维图像特征，以痘病毒DNA聚合酶家族B结构域(InterPro: IPR006134)为靶点进行训练。由于MPXV聚合酶缺乏实验数据，研究采用疫苗病毒(VACV)和天花病毒(VARV)等Orthopoxvirus病毒聚合酶的生物活性数据作为替代训练集（251个小分子）。序列比对显示MPXV与VACV、VARV的DNA聚合酶在全长水平分别具有98.4%和97.4%的同一性，而在结合口袋区域同一性高达99.2%和98.2%。AlphaFold3(AF3)结构预测和分子动力学模拟进一步证实这些聚合酶在结合位点具有高度结构保守性（RMSD<0.1?），功能相似性评分达0.92-0.96。

DEEPScreen-Pox驱动的抗痘病毒药物发现

对DrugBank库中约11,500种药物进行筛选，结合置信度评分（≥70%）和分子对接分析，最终获得50个候选分子。排名前20的分子中，7种为已批准药物，包括抗HIV药物比克替拉韦（HIV整合酶链转移抑制剂）和依曲韦林（非核苷逆转录酶抑制剂）。分子对接显示比克替拉韦与MPXV DNA聚合酶的结合能最低（-10.43 kcal/mol），通过与SER552、LEU553形成氢键，与LYS661产生π-阳离子相互作用，与ASP753形成盐桥；依曲韦林则与LYS661、LYS826形成氢键，与ARG634产生π-阳离子相互作用。

比克替拉韦和依曲韦林抑制Clade IIb MPXV感染

在人工肠道类器官(hIOs)模型中，10μM比克替拉韦和依曲韦林处理48小时后，可显著降低Clade IIb MPXV的感染性病毒滴度（分别降低>95%和>96%）。剂量反应实验显示二者的半数抑制浓度(IC₅₀)分别为5.08μM和3.14μM，均低于HIV患者血浆中达到的药物峰值浓度（比克替拉韦9.79-21.39μM，依曲韦林18.98-35.96μM）。早期治疗（感染后2小时给药）效果尤为显著，使感染性病毒滴度降低2-3个对数级；延迟治疗（感染后4天给药）仍能实现90%的抑制率。在巨噬细胞增强型类器官(MaugOs)和皮肤类器官模型中，两种药物同样表现出强效抗病毒活性。

对Clade Ia/Ib MPXV毒株的抑制作用

针对当前非洲流行的Clade Ia和Ib毒株，10μM药物处理可使感染性病毒滴度降低1-2个对数级（抑制率>85%），其中依曲韦林对Clade Ia的抑制率超过99%。免疫荧光染色证实病毒粒子显著减少。

广谱抗痘病毒活性验证

在疫苗病毒和牛痘病毒感染模型中，比克替拉韦和依曲韦林（10μM）处理6天后，感染性病毒滴度分别降低约1.5和3个对数级（抑制率>95%），细胞内外病毒DNA水平显著下降，证明其对Orthopoxvirus属病毒具有广谱抑制作用。

结论与展望

本研究通过AI驱动的药物重定位策略，首次发现抗HIV药物比克替拉韦和依曲韦林具有强效抗MPXV及其他痘病毒的活性。其作用机制是通过结合痘病毒DNA聚合酶的掌部和手指结构域，干扰病毒DNA复制。鉴于HIV感染者是MPXV感染的高危人群，这两种药物的重定位为合并感染患者提供了即时的治疗选择。所建立的DEEPScreen-Pox平台仅用7天即完成候选药物筛选，展示了AI技术在突发传染病药物研发中的巨大潜力，为实现"100天发现 therapeutics"的疫情防控目标提供了技术路径。未来研究可探索这些药物与现有抗病毒药物的联合使用，以协同增强疗效并防止耐药性产生。