34、抗击新冠病毒：从病毒认识到药物设计与检测的全面解析

抗击新冠病毒：从病毒认识到药物设计与检测的全面解析

1. 认识SARS - 冠状病毒 - 2

SARS - CoV - 2属于冠状病毒科，这是一个拥有巨大包膜RNA的病毒家族。冠状病毒科染色体的RNA序列长达27 - 32 kb，包含相互关联的结构和非结构蛋白。SARS - CoV - 2名称的由来是因为其染色体的RNA序列约82%与SARS冠状病毒相同，50%与MERS相同，79%与SARS相似。其X射线衍射的3D晶体结构与在蝙蝠中发现的一组冠状病毒（bat - SLCoronavirus - ZC45和bat - SLCoronavirus - ZXC21）约88%相同。

冠状病毒是一种传染病原体，其表面有数千个刺状活性蛋白，呈王座状排列，主要分布在边界处，可感染猪、蝙蝠、牛、鸟类和其他哺乳动物，还能快速变异并感染人类，引发呼吸道、肺部、胃肠道、肝脏、肾脏和中枢神经系统等疾病。

这些感染可分为四种典型类型：α型COVID、β型COVID、MERS COVID和SARS - COVID - 2。在COVID - 19染色体组中，50 - 复制酶产生多聚蛋白。在ORF - 1b和ORF - 1a之间发生移码，形成两种多肽：pp1ab和pp1a，它们又被细分为16种非基础蛋白（nsp - 1到nsp - 10和nsp - 12到nsp - 16），它们的相互突变由主要蛋白酶（M - pro）（nsp - 5，3CL - pro（3CL蛋白酶）/M - pro）和nsp - 3、PL - 蛋白酶（PL - pro）介导。

30 - 末端调节多个核心蛋白分子，包括上皮层（M）、刺突（S）蛋白、核衣壳（N）、包膜（E）、血凝素 - 酯酶（HE）以及八种可移动蛋白（p6、3a、3b、7a、7b、8b、9b和orf14）。约29种高活性蛋白参与了SARS - CoV - 2在聚集细胞中的传播和复制。每个结构蛋白都从称为vsgRNAs的病毒亚基因组信使中获得翻译病理，该信使具有RNA协同作用。

RdRc在SARS - CoV - 2上的晶体结构显示，一个nsp - 12亚基（协同响应催化亚基）在氮原子功能阵列中包含一个冠状病毒RdRc相关的核苷酸转移酶（NiRAN）区域，以及一个连接C末端RdRc与NiRAN结构域的锚定部分。催化位点有ASP 760、ASP 761（SDD）和SER 759残基，呈“C”模式，用于RdRc与聚集物的引物结合。M - pro看起来是一种平静的酶，但在SARS - CoV - 2的再生中与RdRc贡献相当。该酶由约305个不对称氨基酸序列组成，通过His41和Cys145催化因子以及位于夹心结构域I和II之间的底物结合标记发挥作用。

Tai等人指出，刺突蛋白331至524残基之间的氨基酸产生受体结合域（RBD）片段，有助于SARS - CoV - 2与蝙蝠ACE2（bACE2）和人类ACE2（hACE2）作为受体紧密结合。因此，这个特定的蛋白区段负责SARS - CoV - 2和SARS冠状病毒在人类肺ACE2状态细胞中的相互进入。

2. SARS - 冠状病毒 - 2的感染机制

冠状病毒呈球形，其外围有数千个刺突蛋白。这些刺突蛋白具有许多氨基酸序列，通过这些序列它们可以结合到蛋白酶结构域聚集细胞上，并在人类体内进行复制。每个人的肺部、胃肠道、肾脏和大脑中都有跨膜蛋白ACE2。

最初，刺突蛋白通过RBD攻击ACE2酶，并通过病毒分子RNA与人类聚集细胞层的融合发生构象变化。分散相互作用后，病毒核糖体进入聚集细胞，通过复制其染色体排列产生更多感染，导致病毒污染。一旦感染，含有nsps的病毒亚基因组信使会聚集到多族协同复合物中，建立适合记录和复制病毒染色体排列的反应。病毒染色体序列在该位点将形成带有主要蛋白的病毒粒子。

3. SARS - 冠状病毒 - 2的繁殖方式

在聚集细胞内的复制周期中，RNA依赖的RNA协同作用（RdRc）、氮功能蛋白、长链核糖体和感染的修饰活性核糖体移码位点与聚集细胞的RNA密切相关。整个核糖体中有四个主要的有用位点：
- mRNA结合位点；
- tRNA结合位点，包括氨酰基位点、中性肽位点和切割功能；
- 肽基转移中心（PTP）；
- 复制锚定中心。

研究表明，ACE2在重组SARS - CoV - 2方面比RdRc更重要。在传播阶段，通过RdRc结合的高极性区域，这种重复过程支持不间断的病毒RNA复制。分子筛选研究表明，血管紧张素转换酶和TMPRSS2酶在肺和胃肠道中的共表达是SARS - CoV - 2进入人体组织解剖结构的关键。报告还证实，Hi - 296、Ar - 345和Se - 441等氨基酸基团是TMPRSS2的反应执行基团，其中还包含高度支持病毒复制的氨基酸，如Ar - 435、Se - 436和Gly - 464。ACE2元件上697至716位的Ar - 710有助于ACE2 - TMPRSS2复合物的形成。这种连接支持ACE2受体的酶促变化，使其与TMPRSS2酶和Ar - 652建立连接，该位点可通过追踪TMPRSS2酶的存在来确定。

从对接结果来看，Arg652位于朝向蛋白酶催化氨基酸基团的合适位置。此外，Arg716位于ACE2的连接点，Arg710在形成氢键以实现适当的蛋白酶 - 受体协同作用方面发挥更大作用。M - pro蛋白由三个空间组成。在空间I（残基8 - 101）和II（残基102 - 184）中发现了一个类似于胰凝乳蛋白酶的显著β - 桶结构。然而，空间III含有201至306位的残基，包含α - 螺旋。185至200位缺失的残基用于分别连接空间II和III。空间III对于维持蛋白水解修饰至关重要，它通过以化学正取向保持空间II和长环残基185 - 200，或潜在地定位对酶的反应活性起重要作用的N - 末端残基来实现这一点。任何理想地结合M - pro口袋锚定位点的药物都可能抑制SARS - CoV - 2的复制。

通过计算机晶体学结果预测，29种蛋白中的26种关键蛋白可能是抗原。在这26种关键蛋白中，刺突“S”蛋白因其具有信号肽、一个跨膜螺旋、负的GRAVY值、较大的亚原子重量、中等的脂肪族指数、β - 包裹主题，以及稳定、可溶和非过敏的特性和显著的半衰期，被选为最佳免疫候选物。这一特性表明该蛋白可被定向到分泌途径。此外，带有信号肽的nsp - 10、orf8和orf7a蛋白也被认为是可能的抗体候选物。计算机设计的抗体可以具有极性结合功能基团，可嵌入病毒蛋白的卷曲状蛋白序列中。

与传统晶体结构相比，其M - pro（PDB：6Y2E）的新立体转化apo结构缺少一个在旧结构中与中央蛋白酶共价连接的N3配体。与最近没有结合配体的M - pro 3D分子结构计算的RMSD显示，当存在结合配体时，平均速率最低。这项研究至关重要，因为M - pro的口袋与Glu166的边缘紧密相连，这意味着盐骨架在口袋的永恒稳定性中起着重要作用。药物必须与目标免疫受体分子结合以产生持续的免疫反应。这些受体在检测各种生物体（如感染）上保存的微生物相关亚原子实例（PAMPs）、触发天然免疫启动和协调各种免疫反应方面起着重要作用。抗体或药物必须与这些受体分子结合以产生持续的免疫反应。为此，将采用亚原子水平的对接程序来确定药物与 Toll 样受体（TLRs）的结合能力。从PDB库中收集的“TLRs”的3D结构将通过基于高斯或AutoDock的算法进行分子能量优化。优化后的低能量输出图像用于分子对接研究。TLR2和TLR4用于识别主要病毒蛋白，作为炎症细胞因子产生的前体。一些关于SARS冠状病毒的研究也公布了TLR2和TLR4在产生成功免疫反应中的作用。

4. 人体抗体的产生及疫苗的作用

4.1 人体抗体的即时作用

当人体免疫系统识别到SARS - CoV - 2的病毒染色体组存在时，会自动产生如IgM、IgG和IgA等抗体。受感染组织的一半将在7天内收到自身产生的中和抗体。在14天内，几乎所有受感染的组织都会收到抗体。

最初，在SARS - 冠状病毒 - 2感染的第一周，IgM抗体分泌水平会增加；在随后的几周内达到最大值，然后在大多数健康个体中恢复到正常水平。病毒感染1周后可检测到自身产生的抗体IgG，它将在48天内达到较高水平，甚至在再次感染之前一直保持。另一种自身产生的抗体IgA在感染后4至10天出现。因此，IgM、IgG和IgA抗体水平的存在将指示引起感染的病毒的性质。对SARS - CoV - 2抗体的多重免疫测定研究证实了血清和唾液中存在自身产生的抗体。

4.2 合成疫苗对COVID - 19的作用

天然药物或基于计算机合成的化学物质可作为当前大流行的疫苗。一旦人体接种疫苗，聚集的先天免疫系统将通过设计识别受体来区分病原体相关分子模型PAMMs。疫苗抗原中代表的PAMM会吸引中性粒细胞、单核细胞和树突状细胞，这些细胞全年在体内巡逻。借助模式识别受体，聚集细胞将识别可能的危险，并在发现病原体时采取行动。它们会改变表面颗粒的外观，并增加促炎细胞因子。趋化因子会导致粒细胞、单核细胞和习惯杀伤性T细胞的外渗和吸引。这会形成一个炎症微环境，在其中单核细胞分化为单核细胞，未成熟的树突状细胞被激活。它会激活树突状细胞的生长，随后通过改变细胞膜上迁移受体的表达，激活淋巴结中的T和B淋巴细胞。

一旦T细胞被激活，它们将分化为调节性CD4⁺细胞以维持免疫耐受。当未成熟的树突状细胞识别到蛋白质疫苗抗原时，会有越来越多的细胞向淋巴结迁移。同时，抗原会被处理成较小的部分，导致人类白细胞抗原（HLA）在人类MHC分子上的细胞表面皱缩。I类主要组织相容性复合体（MHC）聚集分子使在降解细胞骨架中形成的抗原产生的肽变得现实。吞噬细胞抗原主要在II类MHC颗粒上展示。CD4⁺ T细胞对MHC II类原子组展示的抗原肽作出反应，而CD8⁺ T细胞对MHC I类肽结构展示的抗原肽作出反应。活化的CD4⁺ T细胞释放细胞因子，导致B细胞产生增加，这对于最佳抗原形成是必需的。

5. 实时COVID - 19识别测试（RT - PCR）

目前针对SARS - CoV - 2疫情的分析研究使用核链抗原和基于蛋白质的检测方法，但逆转录实时聚合酶链反应（rRT - PCR）进行的流行核链识别仍然是最高质量的标准。与目前可用的血清学检测相比，核酸分析对病毒位点具有更高的敏感性和特异性。在鼻腔和喉咙内部对SARS - CoV - 2的识别依赖于rRT - PCR作为灵敏、准确和特异的病毒识别方法。

该技术始于样本收集和病毒RNA的分离，并将其转化为匹配的DNA。匹配的DNA通过Taq DNA协作进行扩增。rRT - PCR在2天内测量病毒载量。

等温增强用于基于热循环的核酸扩增。简化的实时PCR（RT - PCR）目前可用于识别SARS - CoV - 2染色体排列的不同位点。它将识别SARS - CoV - 2的RNA依赖的S和RNA，这些RNA参与（RdRc）/解旋酶（Hel）蛋白以及核衣壳（N）。RdRc/Hel测量是检测病毒的极其敏感的方法。

然而，RT - PCR工具也存在一些局限性：
- 计算机技术在疫苗配方中可能会检查大量蛋白质，但研究人员需要注意几个限制因素。计算机研究存在缺点，如数据库信息不足、专业软件不足，包括使用不准确的库存工具。因此，选择理想的分析方法并试验不同参数以获得计算机研究的最佳结果至关重要。
- COVID - 19目前使用CT扫描和rRT - PCR数据的组合进行诊断。由于RT - PCR检查非常普遍，因此研究它提供给临床医生和政策制定者的数据至关重要。
- 核酸扩增可能因需要有经验的实验室人员和长时间等待结果而变得更加困难。全球基准实时定量PCR（RT - qPCR）需要4 - 6小时才能完成，还不包括将样本转移到实验室所需的时间，这可能需要几天。
- 病毒RNA模式的变化可以通过靶向不同的病毒基因组区域改变实际RT - PCR结果。此外，由于病毒进化，可能会出现伪造的结果。
- 样本存储、最小核酸过滤、财务成本和等待时间都是RT - PCR测试的缺点。PCR样本筛查的比率因样本类型而异：粪便（29%）、鼻咽拭子（63%）、痰液（72% - 76%）、支气管肺泡灌洗液（79 - 93%）和口咽拭子（32% - 48%）。
- 免疫诊断技术缺乏特异性与在自身免疫条件下高度保守以用自身抗体杀死冠状病毒的抗原有关。基于抗体的方法在暴露后7 - 11天最有效，因此对于诊断急性感染不太有用。

下面用mermaid流程图展示SARS - CoV - 2的感染及检测流程：

graph LR
    A[SARS - CoV - 2] --> B(刺突蛋白结合ACE2)
    B --> C(病毒RNA进入细胞)
    C --> D(病毒复制)
    D --> E(产生更多感染)
    E --> F(人体产生抗体)
    F --> G(疫苗激发免疫反应)
    G --> H(产生免疫记忆)
    I(样本收集) --> J(分离病毒RNA)
    J --> K(转化为DNA)
    K --> L(RT - PCR扩增)
    L --> M(检测病毒载量)

表格展示不同样本类型的PCR筛查比率：
| 样本类型 | PCR筛查比率 |
| ---- | ---- |
| 粪便 | 29% |
| 鼻咽拭子 | 63% |
| 痰液 | 72% - 76% |
| 支气管肺泡灌洗液 | 79 - 93% |
| 口咽拭子 | 32% - 48% |

抗击新冠病毒：从病毒认识到药物设计与检测的全面解析

6. 基于计算机的药物设计以抑制SARS - CoV - 2病毒

在抗击SARS - CoV - 2的过程中，基于计算机的药物设计发挥着重要作用。从前面的内容我们了解到病毒的感染机制、繁殖方式等信息，这为药物设计提供了靶点。

首先，对于药物设计来说，需要明确目标靶点。如前面所述，ACE2、M - pro、RdRc等都是潜在的靶点。ACE2是SARS - CoV - 2进入人体细胞的关键受体，通过设计能够阻断ACE2与病毒刺突蛋白结合的药物，就可以阻止病毒进入细胞。M - pro在病毒的复制过程中起着重要作用，抑制M - pro的活性可以有效抑制病毒的再生。RdRc参与病毒RNA的复制，针对RdRc的药物设计也能达到抑制病毒繁殖的目的。

接下来是药物筛选的过程。计算机模拟技术可以在大量的化合物库中进行筛选，寻找与目标靶点具有高亲和力的化合物。例如，通过分子对接技术，将化合物与靶点的三维结构进行匹配，评估它们之间的结合能力。在这个过程中，需要考虑化合物的结构、物理化学性质等因素，以确保筛选出的化合物具有良好的药代动力学和药效学性质。

然后是药物优化阶段。对于筛选出的具有潜在活性的化合物，可能需要进行结构优化，以提高其活性、选择性和安全性。这可以通过改变化合物的化学结构，如添加或去除某些基团，来实现。同时，还需要考虑化合物的合成难度和成本，以确保其具有实际应用价值。

最后，经过优化的药物需要进行实验验证。在细胞水平和动物模型中测试药物的有效性和安全性，评估其对病毒的抑制作用和对机体的毒性。只有经过严格的实验验证，药物才有可能进入临床试验阶段。

7. 未来展望

虽然目前在抗击SARS - CoV - 2方面已经取得了一定的进展，但仍然面临着许多挑战。未来的研究方向可以从以下几个方面展开：
- 新型疫苗的研发 ：尽管已经有多种疫苗问世，但随着病毒的不断变异，研发更有效的新型疫苗仍然是当务之急。可以探索基于不同技术平台的疫苗，如mRNA疫苗、腺病毒载体疫苗等，提高疫苗的免疫原性和保护效果。
- 药物的联合治疗 ：单一药物可能无法完全抑制病毒的复制和传播，联合使用多种药物可能会产生协同作用，提高治疗效果。未来可以研究不同药物之间的联合使用方案，寻找最佳的治疗组合。
- 早期诊断技术的改进 ：目前的诊断方法虽然具有一定的准确性，但仍然存在一些局限性。开发更快速、灵敏、特异的早期诊断技术，能够及时发现感染者，采取隔离和治疗措施，有助于控制疫情的传播。
- 病毒变异的监测和研究 ：SARS - CoV - 2具有较高的变异率，病毒变异可能会影响疫苗的效果和药物的有效性。加强对病毒变异的监测和研究，及时了解病毒的变异情况，对于调整防控策略和研发针对性的药物和疫苗具有重要意义。

8. 总结

本文全面介绍了SARS - CoV - 2的相关知识，包括其生物学特性、感染机制、繁殖方式、人体的免疫反应、检测方法以及基于计算机的药物设计等方面。了解这些知识对于我们抗击新冠疫情具有重要的指导意义。

在面对新冠疫情时，我们需要综合运用多种手段，包括疫苗接种、药物治疗、早期诊断和疫情监测等，来控制疫情的传播。同时，持续的科研投入和创新对于开发更有效的防控策略和治疗方法至关重要。

通过表格总结不同阶段的关键信息：
| 阶段 | 关键信息 |
| ---- | ---- |
| 病毒认识 | 属于冠状病毒科，RNA序列特征，结构蛋白组成，感染类型 |
| 感染机制 | 刺突蛋白结合ACE2，病毒RNA进入细胞，复制产生感染 |
| 繁殖方式 | RdRc等参与，核糖体的四个关键位点，ACE2和TMPRSS2的作用 |
| 免疫反应 | 人体产生IgM、IgG、IgA抗体，疫苗激发免疫反应 |
| 检测方法 | RT - PCR是主要方法，存在一定局限性 |
| 药物设计 | 明确靶点，筛选、优化和验证药物 |

下面用mermaid流程图展示抗击新冠病毒的整体策略：

graph LR
    A[病毒认识] --> B[疫苗研发]
    A --> C[药物设计]
    A --> D[检测方法]
    B --> E[疫苗接种]
    C --> F[药物治疗]
    D --> G[早期诊断]
    E & F & G --> H[疫情控制]
    I[病毒变异监测] --> A
    I --> C
    I --> B

总之，抗击新冠疫情是一个全球性的挑战，需要我们不断地学习和探索，采取科学有效的措施，才能最终战胜疫情。