在开发 COVID-19 治疗方法的竞赛中，科学家明确了解病毒如何进入人体细胞是关键一步。这一见解将支持开发针对该途径的靶向抗病毒治疗方案。
针对 2002 年引发疫情的首个 SARS-CoV 病毒以及目前导致 COVID-19 的相关冠状病毒 SARS-CoV-2 的研究表明，在这两种情况下，从病毒膜上突出的刺突 (S) 蛋白都会与人体细胞表面的至少一种蛋白质——血管紧张素转化酶 2 (ACE2) 结合。结合后，蛋白酶（一种将其他蛋白质切割成片段的人体酶）会切割或“启动”刺突蛋白，去除其名为 S1 的外段，并露出名为 S2 的内段。随后，刺突蛋白的 S2 段会促使病毒膜与人体细胞膜融合，从而让病毒遗传物质进入细胞并开始复制。最近的一篇文章总结了这一过程，并强调了 ACE2 的作用。在本文中，我将更详细地介绍人体蛋白酶在辅助病毒进入细胞方面所起的作用，并重点介绍针对该相互作用的抗病毒治疗方法。
SARS-CoV-2 刺突蛋白：两个片段的故事
SARS-CoV-2 刺突蛋白的形状有点像一颗螺丝，有一个较大的头部和一根较长、较细的柄（图 1）。三个刺突蛋白相互结合形成三聚体，其形状自然就像一颗更大的螺丝。柄部插入病毒膜中，将头部向外支撑，远离病毒。较大的头部区域和部分柄部被称为刺突蛋白的 S1 区域。柄部靠近病毒膜的其余部分被称为 S2 区域。
一旦病毒进入人体并接触到呼吸系统、胃肠道、血管或其他表面表达 ACE2 的细胞，刺突蛋白的 S1 区域就会与细胞表面的 ACE2 结合，将病毒拴在人体细胞外。这是病毒复制过程的第一步。
SARS-CoV-2 进入细胞的途径
一旦病毒与细胞结合，它就有两种不同的潜在进入途径（图 2）。使用哪种途径取决于是否存在人体蛋白酶来“启动”刺突蛋白。蛋白酶的存在与否取决于病毒进入的人体细胞类型以及该细胞的具体条件。多种人体蛋白酶可以切割刺突蛋白，包括跨膜丝氨酸蛋白酶 2 (TMPRSS2)、弗林蛋白酶 (furin)、弹性蛋白酶和胰蛋白酶。人体肺细胞会表达 TMPRSS2。因此，人们认为它在病毒进入呼吸系统细胞的过程中起着重要作用。
如果这些蛋白酶恰好存在于刺突蛋白与 ACE2 的结合界面附近，它们就会切割刺突蛋白，从而暴露出刺突蛋白的 S2 区域，特别是融合肽区域。刺突蛋白的这一融合肽区域由疏水性更强或类脂质的氨基酸组成，它会插入含脂质的细胞膜中，诱导病毒膜与细胞膜融合，随后使病毒基因组进入细胞（图 2a）。这种切割必须在刺突蛋白与 ACE2 结合后发生。如果在此之前发生，病毒感染细胞的能力就会降低。
如果蛋白酶没有出现在刺突蛋白与 ACE2 的结合界面附近，病毒将通过另一种称为内吞作用的途径进入细胞（图 2b）。在此过程中，结合在细胞外 ACE2 蛋白上的冠状病毒会被细胞膜上一小块区域的凹陷所吞没，该区域随后收缩形成内吞囊泡，将外部物质带入细胞。此后，内吞囊泡会与一种称为内体的细胞内膜壁囊泡融合。在内体中，存在包括组织蛋白酶 L 在内的蛋白酶，它们可以切割刺突蛋白并暴露出其融合肽区域。随后，融合肽介导病毒膜与内体膜的融合，从而诱导病毒基因组进入细胞。
最近的证据表明，SARS-CoV-2 可能还有第三种进入细胞的方式。当病毒在细胞内复制并制造新的病毒颗粒时，一些刺突蛋白可能在新的病毒组装过程中被一种称为弗林蛋白酶的人体蛋白酶预先切割或预先启动。这意味着一旦病毒从细胞中释放出来，那些带有预启动刺突蛋白的病毒即使在其他细胞缺乏上述两种“正常”刺突蛋白切割途径所需的蛋白酶时，也能与这些细胞融合并感染它们。
规划反击
研究人员正在努力开发能够针对刺突蛋白-ACE2-膜融合-内吞作用这一感染生命周期的药物，以抑制 COVID-19。我们之前的文章强调了重组可溶性 ACE2 作为一种潜在的治疗方法。它的作用是在 SARS-CoV-2 能够与细胞表面的 ACE2 结合之前使其刺突蛋白失活。然而，许多其他候选药物也在考虑之中。
Nafomastat 和 MI-1851 分别抑制了参与刺突蛋白裂解的蛋白酶 TMPRSS2 和弗林蛋白酶，在体外实验中展现出降低 SARS-CoV-2 感染的潜力。肽类物质是与刺突蛋白小区域相似的短链蛋白质，已被证明能够抑制病毒与人体细胞膜的融合，其原理是在病毒膜融合过程中，通过“堵塞”已启动的刺突蛋白，阻碍其形态改变，从而防止病毒入侵。最后，PIKfyve 抑制剂是已知的 SARS-CoV-2 感染阻断剂。PIKfyve 是一种人体脂质激酶，即一种能为特定脂质添加磷酸基团的酶。由于 PIKfyve 参与病毒入侵内吞途径中的内体代谢，因此 PIKfyve 抑制剂具有抗病毒活性。
以上仅是目前作为 SARS-CoV-2 病毒入侵抑制剂进行研究的众多候选药物中的一小部分。然而，对于寻求 COVID-19 治疗方案的研究人员而言，有许多靶点可供选择。刺突蛋白、ACE2、裂解刺突蛋白的蛋白酶以及内吞途径的组成部分均是目前的研究方向，且针对这些靶点，已有许多物质被证实具有抗病毒活性。为帮助科学家更快速地识别潜在候选药物，CAS 发布了一个开源数据集，该数据集汇集自 CAS REGISTRY®，收录了已知的抗病毒药物及结构上与已知抗病毒药物相似的相关化合物。了解详情并下载该数据集及其他 CAS COVID-19 开放获取资源，请点击此处。
