新型冠状病毒（Severe Acute Respiratory Syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2）传染性强、发病过程迅速、致死率较高且在全球范围内传播过程中产生了多种变异毒株，携带大量的突变位点。截至2022年底，世界卫生组织（WHO）提出的几个“关切的变异株”（Variant of concern, VOC），包括Alpha、Beta、Gamma、Delta和Omicron。其中，Omicron突变株表现出惊人的传播性和免疫逃逸能力，自2021年11月在南非首次报告以来，已经在全世界迅速蔓延[1]。冠状病毒通过其表面刺突蛋白（Spike, S）特异性识别宿主细胞表面的人血管紧张素转换酶2（Angiotensin converting enzyme 2, ACE2）受体来介导病毒感染[2]。Omicron突变株在S蛋白中含有30多个突变位点，其中15个位于S蛋白受体结合结构域（Receptor binding domain, RBD）上。S-RBD的这些突变导致了大多数治疗性SARS-CoV-2单克隆抗体的广泛中和逃逸。此外，目前使用的疫苗对Omicron突变株的有效性也因其中和逃逸而显著降低[3]。因此，特异性抑制Omicron突变株S-RBD与ACE2结合的药物将是阻遏SARS-CoV-2 Omicron突变株感染的有效途径。该研究阐明了抗生素头孢他啶（Ceftazidime）能够以更高的亲和力结合Omicron等突变株的S-RBD蛋白并阻断其与ACE2的相互作用，从而广谱地抑制新冠病毒Omicron等突变株感染宿主细胞。
前期工作中，研究人员基于配体-受体相互作用和AlphaScreen技术，成功搭建了“类抗体”小分子药物筛选平台。利用该方法筛选得到的小分子药物发挥类似抗体的功能，直接在细胞外抑制S蛋白和ACE2之间的相互作用（图1）。相较于单克隆抗体，小分子药物具有识别抗原表位小、应对突变株免疫逃逸的能力较强等特点。而且在临床应用方面，小分子药物也具备用药方式多样，生产运输储存成本较低等众多优势。研究人员鉴定得到抗生素类药物头孢他啶可以特异性结合新冠病毒原始型S-RBD蛋白，阻断其与ACE2受体之间的粘附信号，从而抑制SARS-CoV-2感染。头孢他啶结合在S-RBD蛋白的ACE2相互作用界面上，具体负责的氨基酸位点是S494和Y505（Sig Transduct Target Ther 2021）[4]。2021年10月，埃及一项单中心临床试验引用了我们的研究成果，并直接证实头孢他啶可以有效治愈COVID-19病人（原始型、Alpha和Beta型）[5]。
图1. 搭建AlphaScreen高通量小分子药物筛选系统
（图源：ChangDong Lin, et al., Sig Transduct Target Ther, 2021）
本项目中，研究人员首先从进化角度分析SARS-CoV-2原始型、Delta和Omicron等多种突变株S-RBD蛋白的序列保守性和结构同源性。发现尽管突变株S-RBD蛋白发生了众多的突变，但其整体构象特别是与ACE2结合的作用界面变化并不大。其中介导与头孢他啶结合的关键位点S494在Delta和Omicron等突变株中保守；但在Omicron突变株中，Y505突变为H505（图2）。
图2. SARS-CoV-2原始型、Delta和Omicron S-RBD的氨基酸序列比对
（图源：YunZhe Zheng, et al., Acta Pharmacol Sin 2023）
为了探究该突变对S-RBD蛋白与头孢他啶结合的影响，研究人员分别通过生物膜干涉技术（Biolayer interferometry，BLI）和AlphaScreen实验发现头孢他啶与Delta和Omicron突变株S-RBD蛋白的结合能力更强，且抑制S-RBD–ACE2相互作用的效果仍然显著。特别是Omicron突变株S-RBD蛋白的H505突变极大地促进了其与头孢他啶的结合。此外，研究人员利用流式细胞术和假病毒感染实验进行功能探究，发现头孢他啶可以有效抑制SARS-CoV-2原始型、Delta和Omicron突变株S-RBD蛋白与人肺泡上皮细胞（Human Pulmonary Alveolar Epithelial Cell，HPAEpiC）的结合。头孢他啶抑制SARS-CoV-2原始型、Delta和Omicron突变株假病毒感染过表达ACE2的293T细胞的半抑制浓度（Half-maximal inhibitory concentration, IC50）分别为23.60，13.21，5.79 μM，远低于病人临床使用头孢他啶所能达到的血药浓度（~300 μM）（图 3）。
图3. 头孢他啶在体外广谱抑制SARS-CoV-2原始型和Omicron等突变株感染
（图源：YunZhe Zheng, et al., Acta Pharmacol Sin 2023）
