中草藥的 SARS-CoV-2 治療潛能與老藥新用

新冠病毒 (SARS-CoV-2) 持續蔓延，各國已開始施打多種疫苗，但除了預防，治療藥物也必不可少。科學界持續關注小分子藥物此一常使用的治療手段，尤其是以老藥新用為概念出發去尋找藥物，因為已知小分子的安全性等各項特性都相對清楚，預期能縮短開發時間。中研院翁啟惠院士、洪上程特聘研究員、馬徹研究員及臺大藥學系梁碧惠副教授所領導的團隊，就透過一連串細胞感染試驗 (cell-based infection assay)、酵素實驗 (enzymatic assays)、分子模擬 (molecular modeling) 以及自行開發的黃金倉鼠 (golden hamster) 動物模式 (animal model) 嘗試在這方面的科學研究做出一些貢獻[1]。

該團隊一開始使用 Vero E6 [2]的細胞感染試驗篩選候選藥物。Vero E6 細胞是源自於非洲綠猴的上皮腎細胞，並高度表達新冠病毒感染所經的 ACE2 蛋白。由於 ACE2 蛋白也是 SARS 病毒主要的感染途徑，從 2003 年起已被廣泛使用迄今。在最近的新冠肺炎研究中，也被用於評估病毒的細胞病變作用 (cytopathogenic effect, CPE)[3][4]。

延伸閱讀：深入 SARS 及 2019-新型冠狀病毒：從病毒入侵到藥物開發
延伸閱讀：更有效率的藥物開發概念—建置老藥新用藥物資料庫

藉由 Vero E6 細胞感染試驗，從 2855 種市場現有的藥物中，該團隊初步找出 15 種具有抵抗病毒功效的藥物 (見圖一)。主要可以分為六大類：蛋白酶抑制劑 (protease inhibitior)、鳥嘌呤類似物 (guanine analog)、奎寧類似物 (quinine analog)、病毒功能抑制劑（包含抑制病毒入侵細胞、進入細胞核或進行複製）、離子通道調節子 (ion channel modulator)、離子導體 (ionophore)。

圖一：該研究團隊藉由細胞感染試驗，所找到的15種具有抵抗病毒功效的藥物，大略可分成六類。（圖片來源：https://doi.org/10.1073/pnas.2021579118

延伸閱讀：老藥新用 – 奎寧能否阻擋 SARS-CoV-2，成為治療 COVID-19 的潛在藥物？

研究團隊為了解這 15 種藥物的主要作用機制，便測試其對兩種 SARS-CoV-2 複製、轉錄過程中蛋白酶 (protease, 見圖二)[5]：PL 蛋白酶 (papain-like protease) 與 3CL 蛋白酶 (3C-like protease)，的抑制效果。結果顯示 nelfinavir mesylate (以下簡稱nelfinavir) 和 boceprevir 都會抑制 3CL 蛋白酶。然而這兩種藥物在細胞感染試驗與蛋白酶活性抑制實驗中表現相反：nelfinavir 在細胞感染試驗中有較好的抗病毒效力，但 boceprevir 對 3CL 蛋白酶的抑制力較佳，因此團隊進一步以分子嵌合 (molecular docking) 模擬分析兩者與 3CL 蛋白酶的交互作用(圖三)，結果顯示確實有所不同：Nelfinavir 主要透過 SARS-CoV-2 3CL 蛋白酶的 Gly143、Glu166 及 Gln189 三個氨基酸殘基(amino acid residue)作用，而 boceprevir 則是透過His41、Gly143、His164 及 Glu166 這四個氨基酸殘基作用。

圖二：SARS-CoV2的生命史(life cycle)與潛在的藥物目標(drug targets。（圖片來源：https://doi.org/10.1073/pnas.2021579118)

圖三：電腦模擬Nelfinavir(A)與Boceprevir(B)和3CL蛋白酶的鍵結(binding)作用。粉紅虛線表示藥物與蛋白質之間有交互作用。（圖片來源：https://doi.org/10.1073/pnas.2021579118）

另一方面，該團隊也測試了 190 種中草藥，發現以下幾種中草藥家族的水相萃取物 (aqueous extracts)：

Mentheae (Mentha haplocalyx(薄荷))
Asteraceae (Taraxacum mongolicum、Tussilago farfara、Chrysanthemum morifolium)
Theaceae (Camellia sinensis)
Lamiaceae (Perilla frutescens(紫蘇)、Prunella vulgaris、Ocimum basilicum、Salvia hispanica、Nepeta tenuifolia、Salvia rosmarinus)
Fabaceae (Arachis hypogaea、Spatholobus suberectus)及Sapindaceae (Dimocarpus longan、 Litchi chinensis)

經由16到960倍不等的稀釋，能夠降低新冠病毒的細胞病變作用(圖四)。更驚人的是，該團隊先前從靈芝 (Ganoderma lucidum, Reishi) 分離出的一系列含有L-岩藻醣 (L-fucose) 的多醣 (polysaccharides) 化合物中[6]，RF3 (Reishi L-fucose–containing polysaccharides fraction 3) 經過 1280 倍的稀釋仍能具有抗病毒的效用，且不具有任何細胞毒性(圖四)。

圖四：研究中關於中草藥的抗病毒效果評估，除RF3[5]外其餘均為水相萃取物，IC50為該中草藥抑制50%病毒複製能力時的濃度, CC50為該中草藥具有50%細胞毒性的濃度。（圖片來源：https://doi.org/10.1073/pnas.2021579118）

經過綜合考量，團隊將4種市面上的藥物 (mefloquine、nelfinavir、salinomycin及thioguanine) 和3種中草藥 (RF3、紫蘇及薄荷) 的萃取物，進一步在自行開發的黃金倉鼠(golden Syrian hamsters，即卡通哈姆太郎的原型) 動物模式 (animal model) 中做藥物效果的試驗 (圖五)。發現除了 salinomycin 外，這些測試的藥物和萃取物都沒有急性毒性 (actue toxicity) (圖五B)，而在降低病毒附載 (viral load) 表現方面，mefloquine 及薄荷萃取物在感染 SARS-CoV-2 的倉鼠身上具有最顯著的效果，而 Nelfinavir、RF3 和紫蘇萃取物次之(圖五A)。

圖五：研究中眾候選藥物在黃金倉鼠動物模式上的表現。（圖片來源：https://doi.org/10.1073/pnas.2021579118）

因而研究團隊總結出，市面上現有的 mefloquine、nelfinavir 及從靈芝分離出的 RF3、紫蘇和薄荷的水相萃取物是具有潛力被開發成治療 SARS-CoV-2 的藥物。然而需要注意的是，倉鼠動物模式和人體畢竟還是不完全相同，抗 SARS-CoV-2 藥物的開發，還有一段路要走。

參考文獻：

[1] Jan, Jia-Tsrong, et al. “Identification of existing pharmaceuticals and herbal medicines as inhibitors of SARS-CoV-2 infection.” Proceedings of the National Academy of Sciences 118.5 (2021).
[2] Wu, Chung-Yi, et al. “Small molecules targeting severe acute respiratory syndrome human coronavirus.” Proceedings of the National Academy of Sciences 101.27 (2004): 10012-10017.
[3] Hoffmann, Markus, et al. “SARS-CoV-2 cell entry depends on ACE2 and TMPRSS2 and is blocked by a clinically proven protease inhibitor.” Cell 181.2 (2020): 271-280.
[4] Matsuyama, Shutoku, et al. “Enhanced isolation of SARS-CoV-2 by TMPRSS2-expressing cells.” Proceedings of the National Academy of Sciences 117.13 (2020): 7001-7003.
[5] Cannalire, Rolando, et al. “Targeting SARS-CoV-2 Proteases and Polymerase for COVID-19 Treatment: State of the Art and Future Opportunities.” Journal of medicinal chemistry (2020).
[6] Liao, Shih-Fen, et al. “Immunization of fucose-containing polysaccharides from Reishi mushroom induces antibodies to tumor-associated Globo H-series epitopes.” Proceedings of the National Academy of Sciences 110.34 (2013): 13809-13814.