艾滋病（AIDS）是一种由人类免疫缺陷病毒（HIV）引起的严重传染病。病毒复制所必需的逆转录酶（RT）具有明确的作用机制和丰富的结构生物学信息。针对优选靶标RT的非核苷类逆转录酶抑制剂（NNRTI）凭借高效、低毒等优点,成为近年来的研发热点。然而,NNRTI类上市药物在临床应用中暴露出耐药性以及安全性等方面的问题,值得进一步优化解决:1)由于病毒的高突变能力以及缺乏内在的核酸外切校正机制,长期用药后出现的临床耐药株对NNRTIs药物的敏感性显著降低,交叉耐药性研究表明HIV-1三突变株GH9（K101P+K103N+V108I）赋予病毒对第二代NNRTIs上市药物RPV和ETR高达162倍和18倍的抗性;2)体内代谢研究表明ETR对细胞色素P450（CYP）酶亚型CYP2C9和CYP2C19具有明显的抑制作用,而RPV是CYP3A抑制剂,与其他药物联用会导致药物相互作用;3)一线NNRTI药物RPV由于对hERG钾离子通道的脱靶作用而具有潜在的心脏毒性,此外本课题组前期发现的抗艾滋病候选药物K-5a2和K-25a同样存在较强的hERG抑制活性。因此,开发具有高效抗耐药性和安全药理学特性的NNRTIs显得尤为迫切。目前,药物化学策略、结构生物学研究与计算机辅助药物设计的多学科联合应用是开发新型高效NNRTIs的有效途径,也将贯穿于本论文的结构优化和先导化合物的发现中。一、基于“四点药效团”模型的HIV-1 NNRTIs的发现与结构生物学研究为提高对诸如HIV-1 GH9之类的临床多重耐药株的活性,本章以in-house化合物库表型筛选发现的GH9抑制剂SKC1为先导,在二芳基嘧啶（DAPY）类NNRTIs的“四点药效团”模型指导下,运用骨架跃迁和靶向保守性区域等药物设计策略,设计合成了IA-IH系列共计24个喹唑啉衍生物。其中,吡啶并[2,3-d]嘧啶衍生物IH-6c（EC50=1.37nM）和6,7-二甲氧基喹唑啉衍生物ID-5b（EC50=46.9nM）对三突变株GH9的抑制活性尤为突出,显著优于SKC1（EC50=102 nM）和 RPV（EC50＞273nM）。此外,IH-6c 对其余多重耐药株 p1579、p5375、p1833和p5735也表现出优异的抗病毒效力（EC50=2.64-18.3nM）,较ETR和RPV分别提高约2～27倍。抑酶活性测试结果表明,IH-6c对RT的IC50为0.580μM,验证其作用靶点是RT。IH-6c和ID-5b与HIV-1野生株和GH9突变株RT的复合晶体结构表明,二者分子中体积较大的苄基哌啶结构导致NNIBP的口袋扩张和结构重排,允许其利用构象灵活性和位置适应性而在突变后的GH9RT内形成新的氢键作用力,同时保持与疏水通道和蛋白-溶剂界面区域的相互作用力,揭示了IH-6c和ID-5b对GH9突变株保持高效抗耐药性的结构生物学机制。初步成药性评价表明ⅠH-6c对多种CYP酶亚型的抑制活性较低,在大鼠体内具有适中的清除速率（CL=20.6 mL/min/kg）和出色的口服生物利用度（F=59.9%）,在小鼠中表现出很好的体内安全性,可作为候选药物继续开发。二、基于晶体结构叠合的分子杂合策略发现新型HIV-1 NNRTIs在上一章构效关系分析和结构生物学研究的基础上,本章通过运用基于晶体结构叠合的分子杂合策略,对增强抗耐药性具有关键作用的优势片段进行提取再组合,同时对其右翼进行了结构多样性的修饰,设计合成了ⅡA-ⅡH系列共计46个6,7-二甲氧基喹唑啉衍生物。其中ⅡA-6d表现出最优的抗病毒活性:在MT-4细胞中对HIV-1野生株ⅢB以及临床常见的单突变株表现出与ETR相当的抗病毒活性（EC50=6.10-31.6 nM）;此外,其在TZM-b1细胞中对GH9突变株保持了强效的抑制效力（EC50=15.1 nM）,约为ETR和RPV活性的7倍和113倍。令人瞩目的是,ⅡA-6d对p5735双突变株（K101E+Y181V）的抑制活性（EC50=8.36nM）亦提升到ETR和RPV的1.7倍和18倍左右。抑酶实验结果表明抗病毒活性突出的ⅡA-6d（IC50=0.340 μM）依然具有最强的RT抑制活性。总之,优选化合物ⅡA-6d优异的抗病毒活性以及独特的抗耐药性质,证明了分子杂合思路的合理性。然而,ADMET预测结果显示ⅡA-6d可能存在与hERG阻滞相关的心脏毒性,提醒我们在后续的结构改造中,不仅要关注抗病毒活性,更应当重视分子的体内外安全性。三、低hERG心脏毒性的HIV-1 NNRTIs的设计合成、活性研究与成药性评价针对上市药物和候选药物中存在的亲脂性结构或碱性胺而造成的hERG心脏毒性问题,本章首先以K-5a2和K-25a为先导,运用骨架跃迁、分子杂合以及“fluorine-walk”和“nitrogen-walk”策略,设计合成了 ⅢA-ⅢC 系列共计 22个二氢噻喃并[4,3-d]嘧啶衍生物。其中活性最佳的ⅢB-1b（E50=4.44-54.5 nM）对HIV-1野生株ⅢB及多种NNRTIs突变株均表现出低纳摩尔水平的抗病毒效力,优于或与ETR的活性相当。抑酶活性实验证明此类衍生物（IC50=0.008-0.363μM）的作用靶点是RT。此外,通过分子动力学模拟研究合理解释了ⅢB-1b的抗病毒活性结果。初步成药性评价表明ⅢB-1b的溶解度和人肝微粒体代谢稳定性得以改善,无明显的CYP酶抑制作用和小鼠体内急性毒性。最重要的是,ⅢB-1b（IC50=19.84 μM）对 hERG 的抑制活性比先导 K-5a2（IC50=0.13μM）和K-25a（IC50=0.18 μM）显著降低,验证了通过引入非芳香性的骨架降低分子亲脂性而优化hERG抑制作用的合理性。尽管如此,ⅢB-1b对于野生株ⅢB和突变株Y188L的活性仍低于ETR,因此本章开展了进一步的结构修饰,以在保持低hERG抑制活性的同时增强抗病毒活性。通过借鉴二氢噻喃环的设计思想,本章随后运用成环、引入氢键供受体及结构简化策略对NNIBP可容纳区域Ⅱ进行了多样性的结构修饰,设计合成了ⅢD-ⅢF系列共计21个四氢吡啶并[4,3-d]嘧啶衍生物。其中活性最好的ⅢF-1c（EC50=1.88-38.8 nM）对HIV-1野生株ⅢB和包括Y188L在内的多种突变株均具有显著超越ETR的活性。酶活结果确证了 RT为该类化合物（IC50=0.057-0.313 μM）的作用靶标。初步成药性评价结果表明ⅢF-1c具有良好的体外代谢稳定性以及较ETR和RPV明显降低的CYP酶抑制活性。和预期一致,ⅢF-1c 对 hERG 的抑制作用（IC50=5.90 μM）远低于 RPV（IC50=0.50 μM）,符合在改善抗病毒活性的同时保持低hERG亲和力的设计初衷。综上所述,本论文针对NNRTIs在临床应用中存在的耐药性和安全性等问题,综合运用结构生物学及in-house化合物库表型筛选、骨架跃迁和分子杂合等多种经典的药物化学策略,设计合成了 113个结构全新的目标化合物:一方面,经过细胞水平以及靶点水平的活性测试,得到一批活性优于上市药物的全新骨架的NNRTIs,其中ⅠH-6c对三突变株GH9的活性是RPV的200多倍,并且通过晶体学研究阐明了ⅠH-6c对GH9突变株保持高效抗耐药性的结构生物学机制。此外,运用基于晶体结构叠合的分子杂合策略,发现的ⅡA-6d对双突变株p5735的活性达到ETR和RPV的1.7倍和18倍。另一方面,通过CYP抑制、hERG抑制、代谢稳定性、体内PK以及安全性等成药性评价,筛选得到多个优选先导化合物,尤其是运用合理药物设计策略优化hERG心脏毒性,发现了 hERG抑制作用较RPV显著降低的ⅢB-1b以及ⅢF-1c。总之,本论文的研究工作针对上市药物存在的不足,发现了多个抗耐药性与成药性俱佳的先导化合物和候选药物,为开发新型高效低毒的抗艾滋病药物奠定了基础。