人类免疫缺陷病毒(HIV)是严重慢性感染性疾病艾滋病(AIDS)的病原体,其中HIV-1为主要致病亚型。联合抗逆转录病毒疗法(cART)的应用可以in vitro bioactivity将HIV感染者体内的病毒载量降低到检测限以下,但由于HIV无法从体内被彻底清除,因此感染者需要终身服药,这不可避免地导致耐药性和毒副作用等问题。因此,研发新机制、新结构的抗HIV药物来丰富现有的治疗方案迫在眉睫。HIV-1衣壳(CA)是构成具有感染能力的成熟病毒不可或缺的结构蛋白,其内部包裹着HIV-1基因组、病毒复制的关键酶和调控因子。HIV-1 CA在病毒复制周期中发挥多重作用,在复制早期能够参与和调控病毒遗传物质在胞质内的运输、核输入、脱壳、逆转录和整合过程,在复制晚期对病毒的组装与成熟至关重要。CA单体通过多种蛋白-蛋白相互作用组装成完整衣壳,破坏这些关键的蛋白-蛋白相互作用会影响衣壳的稳定性,导致产生的子代病毒感染能力降低或丧失,从而抑制HIV-1的复制。PF74是结合在NTD-CTD界面的小分子抑制剂,尽管机制独特,但是抗病毒活性差和代谢不稳定的问题导致其未能进入临床研究。Lenacapavir(LEN)是由吉利德公司对PF74进行多轮迭代修饰后得到的,它具有皮摩尔级抗HIV活性和良好的代谢稳定性,是首个被FDA批准的HIV-1衣壳抑制剂。然而,在临床试验和体外筛选中发现了多种对LEN不敏感的耐药株,而且该药物合成复杂、用药成本昂贵,这限制了它在临床的应用。因此,研发高效抗耐药、成本低廉的HIV-1衣壳抑制剂成为目前的研发热点。基于LEN存在的问题,本论文综合运用分子杂合策略、基于结构的药物设计策略和多位点结合策略,发现了两类具有新结构、新机制的HIV-1衣壳抑制剂。一、含4-喹唑啉酮的苯丙氨酸类HIV-1衣壳抑制剂的设计、合成与活性评价本章运用分子杂合策略,将LEN、GSK878、111和PF74的优势片段进行改造并拼接组合获得了化合物的基本骨架,为了提高化合物的抗耐药性,我们基于保守的NTD-NTD界面的结构,在化合物的R4环系引入了不同的取代基伸向该蛋白界面,以增强化合物与Ser41的相互作用。我们通过模块化“搭积木”式合成策略,高效地合成了 I系列化合物。在I系列化合物中,IC-2i具有最强的体外抗HIV活性(EC50=0.65±0.27 nM)和优秀的选择性(SI>1570.0)。SPR实验中,IC-2i表现出与CA六聚体较强的亲和力(KD=2.7±0.5 nM)和较长的保留时间(180分钟)。单轮感染实验结果表明IC-2i具有强大Blebbistatin体内的早期抑制活性,该抑制效果与逆转录酶活性无关。在早期阶段,IC-2i与CPSF6竞争CA结合位点,从而抑制其对CA正常生物学功能的调控。在化合物晚期作用机制测试中,IC-2i对多种亚型的HIV-1 CA和多种耐药株的体外组装无明显促进作用,反而Fulvestrant作用可能诱导其形成不包含病毒基因组的异常衣壳。用化合物处理用来包装假病毒的细胞后,IC-2i导致了产生的假病毒中p24含量增加,验证了该化合物诱导衣壳异常组装的作用。随后,我们通过分子对接预测了 IC-2i的结合模式,并通过FEP计算了优势结构的改造对于化合物结合自由能的影响,从而解释了 I系列化合物活性较LEN降低的原因,并预测了化合物与不同耐药株的亲和力。初步的成药性评价中,IC-2i在人肝微粒体和人血浆中具有优于PF74的代谢稳定性。小鼠体内急性与亚急性毒性实验中,IC-2i表现出与细胞实验中相符的安全性;在大鼠体内,IC-2i皮下注射给药时表现出优秀的药代动力学性质(T1/2=19.9±14.2 h,F=61.73±16.1%)。综合以上,IC-2i是一种不同于LEN的,具有强大抗病毒活性和全新机制的HIV-1衣壳抑制剂,该化合物有进一步修饰为长效HIV-1抑制剂的潜力。二、二聚化的苯丙氨酸类HIV-1衣壳抑制剂的设计、合成与活性评价在本章中,为了探索NTD-CTD未被占据的口袋,以设计高效低成本的HIV-1衣壳抑制剂,我们基于多位点结合策略,以2-哌嗪酮或2,5-哌嗪二酮作为连接链,设计了一系列新型苯丙氨酸衍生物二聚体。构效关系研究表明,二聚体较单体具有更强的抗病毒活性,另外,多个氟原子和甲氧基取代有益于提高抗病毒活性。本系列化合物中,IIC-1d是抗病毒活性最强的化合物(EC50=0.57±0.13 μM),略优于PF74(EC50=0.75±0.33μM)。SPR实验结果表明,IIC-1d对CA单体的亲和力略高于CA六聚体,意味着其在晚期与CA单体结合,从而发挥较强的晚期抑制活性(10倍EC50下抑制率为99.4%)。与CPSF6肽段和NUP153肽段的竞争性SPR实验显示,IIC-1d能够结合到NTD-CTD界面区,并较强地干扰NUP153与CA六聚体的结合。单轮感染实验表明,IIC-1d以双阶段抑制机制干扰HIV-1的生命周期,对整合前和整合后都有抑制作用。在人肝微粒体和人血浆中的稳定性分析表明,尽管IIC-1d相比PF74具有更强的稳定性,但是与现有药物相比仍有较大差距,需要进一步的修饰。综上,苯丙氨酸衍生物二聚体具有更加广阔的修饰空间,是一类有较大修饰潜力的先导化合物。综上所述,根据上市药物LEN和工具分子PF74的不足,本论文综合应用多种药物化学策略发现了具有较强抗病毒活性和全新机制的化合物IC-2i和具有较大修饰潜力的苯丙氨酸衍生物二聚体IIC-1d,为进一步发现抗病毒活性优秀、代谢稳定性良好、抗耐药性强的HIV-1 CA抑制剂奠定了基础。