核苷類抗病毒藥物原理是什麼？

有個問題不解：既然恩替等藥物不能殺死乙肝病毒，且乙肝病毒壽命長達十幾年，那問題是吃這葯怎麼會在一年甚至半年內顯著降低病毒量呀？這之間的邏輯不對呀。懂的大神解答下 @木雙@TNT TNT

今天我來跟大家講講喜聞樂見的核苷（酸）類似物（Nucleos(t)ide Analogue）。核苷（酸）類似物是最大的一類抗病毒藥物，也是最重要的抗病毒藥物。治療皰疹（HSV）的阿昔洛韋（Acyclovir），第一種治療艾滋病（HIV）的藥物齊多夫定（Zidovudine），治療乙肝（HBV）的恩替卡韋（Entecavir）以及Gilead的明星丙肝葯（HCV），史上最貴的藥片索菲布韋（Sofosbuvir）都屬於這一類藥物。除了抗病毒，核苷（酸）類似物還可以用於治療癌症。但這裡我只介紹它抗病毒的原理。

核苷（酸）類似物針對的是病毒的聚合酶（Polymerase）。RNA病毒複製所需的RNA複製過程和逆轉錄病毒複製所需的逆轉錄過程在人體細胞中不會發生。因此病毒如果要複製，必須用自己的聚合酶，如RNA病毒的RNA複製酶（RdRp）和逆轉錄病毒的逆轉錄酶（RT）。而核苷（酸）類似物通過選擇性的抑制病毒的聚合酶來阻止病毒的複製。

在講解核苷（酸）類似物的原理之前先介紹什麼是核苷酸（Nucleotide）。核苷酸是核酸，也就是DNA和RNA的基本組成單位，它由磷酸，五碳糖，鹼基構成。如下圖所示，這是一個腺嘌呤脫氧核苷酸的結構。

其中，只含五碳糖和鹼基的部分叫核苷（Nucleoside）。核苷類似物（Nucleoside Analogue）和核苷酸類似物（Nucleotide Analogue）的區別後面會講到。

核苷（酸）類似物就是一種結構修飾過的核苷（酸），這種修飾通常對五碳糖進行。比如齊多夫定就是胸腺嘧啶脫氧核苷的修飾，拉米夫定（Lamivudine）就是胞嘧啶脫氧核苷的修飾。下圖是它們和對應的核苷的對比圖，可以看出它們的結構其實是非常相似的，只是做了一點小小的修改。然而不要小看這小小的修改，背後可能是數十人的努力和數億美元的研發成本。

當然，這種修飾不僅僅發生在五碳糖上，有時候鹼基也是可以修飾的。比如恩曲它濱（Emtricitabine），它是一種胞嘧啶核苷類似物：

核苷（酸）類似物這種藥物在藥學上被歸類為競爭性抑製劑（Competitive Inhibitor）。競爭性抑製劑的原理就是設計一種和底物（Substrate）結構相似的藥物，讓它「欺騙」病毒的酶，代替底物和酶結合，使酶不能和底物結合。然而，核苷（酸）類似物是一種特殊的競爭性抑製劑，它不僅能與病毒的聚合酶結合，還能作為反應物參與到反應當中。

無論是人體的DNA聚合酶，RNA聚合酶，還是病毒的RdRp和RT，它們核酸合成的原理都是一樣的，都是沿著核酸的5』端到3『端進行合成。作為原料的核苷酸，首先被三磷酸化（Triphosphorylation），變成三磷酸核苷（NTP），如圖所示。除了ATP，其它的NTP都是細胞中的激酶（kinase）合成的。

三磷酸核苷與模板鏈發生配對，之後聚合酶水解掉兩個磷酸，並利用釋放出的能量連接磷酸和上一個核苷酸的羥基，使核酸鏈延長，如圖所示：

核苷（酸）類似物要想發揮作用，首先也要被三磷酸化，因為三磷酸化合物不穩定，不能直接服用。三磷酸化的核苷（酸）類似物也能像三磷酸核苷那樣，被病毒聚合酶添加到核酸鏈上。

然而，當病毒聚合酶試圖加入下一個核苷酸時，問題出現了。像Zidovudine，Lamivudine由於在3『碳原子的位置上缺乏羥基，下一個核苷酸無法添加到上面。這導致病毒聚合酶無法繼續延長核酸鏈，於是反應中止。如圖所示：

因此，一個核苷（酸）類似物要產生效果，需要滿足三個條件：
能被細胞的酶三磷酸化（Triphosphorylation）
能作為反應物加入到新合成的核酸鏈上（Incorporation）
能阻止下一個核苷酸的加入（Chain Termination）
由於核苷（酸）類似物的這些特點，這使得它們相比一般的競爭性抑製劑有更強的效果。它能直接中止反應的進行，而不是減緩反應的速度。因此，核苷（酸）類似物是高效抗逆轉錄治療（HAART）的主體。HAART就是由兩種核苷（酸）類似物搭配另一種藥物組成的。

當然，由於病毒聚合酶和細胞聚合酶的相似性，核苷（酸）類似物也可能影響細胞正常的DNA，RNA合成，這也是毒副作用的來源。然而，由於病毒聚合酶和細胞聚合酶的結構的不同，核苷（酸）類似物可以選擇性的抑制病毒的聚合酶。此外，細胞的聚合酶有一種修補機制，如果細胞聚合酶誤把核苷（酸）類似物加入到核酸鏈中，它可以切除掉核苷（酸）類似物，使反應繼續進行。這使得Zidovudine對HIV逆轉錄酶的抑制性達到正常細胞DNA聚合酶的100倍以上。

然而，病毒並不會坐以待斃。病毒可以通過改變聚合酶的結構，使它的特異性加強，能識別核苷（酸）類似物。此外，病毒也學會了細胞DNA聚合酶的修補機制，可以把已經加入的核苷（酸）類似物切除掉，這也是HIV對Zidovudine產生抗藥性的原因。因此，要想避免產生抗藥性，避免藥物的濫用是必要的，不然人類為了研發藥物投入的巨大成本都會付諸東流。另外，對於像HIV，HCV這種變異能力很強的病毒，往往會搭配其它的藥物，進一步減少抗藥性產生的機會。

最後，設計出一款有抗病毒活性的核苷（酸）類似物並非是萬事大吉了，因為很多核苷（酸）類似物的吸收效率並不好。這樣它的抗病毒活性再高也沒意義。為了提高核苷（酸）類似物的吸收率，研究人員會在周圍加上很多保護性的基團，這也是為什麼某些藥物如Sofosbuvir（下圖）左邊會帶

上一大坨原子團。當藥物進入人體後，這些原子團會在細胞的酶的作用下被分解掉，留下帶有活性的藥物（Active Drug）。這種設計在藥學上被稱為前體葯（Prodrug）。下圖就是Sofosbuvir在人體代謝的示意圖：

有些前體葯自身會攜帶一個磷酸基團，這樣代謝後就是核苷酸，這種藥物就叫核苷酸類似物（Nucleotide Analogue）。不含磷酸的藥物就叫核苷類似物（Nucleoside Analogue），這就是核苷類似物和核苷酸類似物的區別。但不管是核苷類似物還是核苷酸類似物，其實都是同一種藥物，它們最終的有效產物都是三磷酸核苷。Sofosbuvir就是一種核苷酸類似物。由於細胞對Sofosbuvir添加第一個磷酸的效率很低，前體葯攜帶磷酸基團可以跳過第一步磷酸化，顯著提高代謝的效率。設計活性葯屬於藥效學（Pharmacodynamics），而根據活性葯設計前體葯屬於葯代動力學（Pharmacokinetics）。不要小看前體葯的設計，葯代動力學往往比藥效學更需要技術。一個好的前體葯可以顯著提高藥效，減少副作用，往往決定了一款藥物的成敗。

葯代動力學對藥效的影響的一個典型例子就是Gilead的抗逆轉錄葯替諾福韋（Tenofovir）。最初的Tenofovir採用的是這種結構，也就是富馬酸替諾福韋二吡呋酯（TDF）：

這種藥物在治療HIV上顯示出驚人的療效，但也表現出腎臟毒性，骨質疏鬆等一系列副作用。後來Gilead改進了前體葯的設計，這就是替諾福韋艾拉酚胺（Tenofovir Alafenamide（TAF）），它的結構如下圖，可以看出它和Sofosbuvir的相似性：

新葯的有效成分仍然是Tenofovir，但只需要1/10的劑量就可以達到同等的效果，這樣大大減少了副作用。

說了這麼多核苷（酸）類似物的好處，也該說說它的局限性了。核苷（酸）類似物的局限性主要有兩點：
一、核苷（酸）類似物針對的是病毒的聚合酶，因此必須是自帶聚合酶的病毒才有效果。如果病毒完全是用細胞的聚合酶進行複製，我們是無法用核苷（酸）類似物的，不然會有嚴重的副作用。逆轉錄病毒和絕大部分RNA病毒都是用自己的RT和RdRp進行複製的，所以可以用核苷（酸）類似物進行治療。例外的是丁型肝炎病毒（HDV），這種病毒是用細胞的RNA聚合酶來複制自己的RNA的（是的，你沒看錯，細胞的RNA聚合酶在特殊情況下可以用RNA作為模板合成RNA的）。HSV雖然是DNA病毒，但它是用自己的DNA聚合酶進行DNA複製的，所以我們可以用Acyclovir治療。而HPV就是完全用細胞的聚合酶進行複製，轉錄的。所以得尖銳濕疣的請老老實實的打激光，不要用Acyclovir之類的抗病毒藥，沒用的。

二、核苷（酸）類似物只能針對病毒的聚合酶，而對病毒的DNA沒有作用。這也是所有抗病毒藥物的局限性，只能針對病毒的蛋白，而不能破壞病毒的DNA。因此抗病毒藥物只能抑制病毒的複製，而對已經合成的DNA毫無辦法。HBV和HIV都能在細胞核中以DNA的形式穩定存在，因此核苷（酸）類似物可以抑制病毒的複製，降低病毒載量，卻不能清除病毒，一旦停葯病毒就會反彈。例外的是HCV，由於HCV是RNA病毒，RNA在細胞中會不斷被分解，所以HCV必須不停複製才能保持存在。這也是為什麼Sofosbuvir在治療HCV上取得驚人的療效，治癒率高達98%。