病毒很小，變異很快，每天都會復制成千上萬個自己。更確切地說，是受感染的宿主細胞被挾持，成為產生這些新病毒拷貝的溫床。病毒無法自行繁殖，它們處于惰性狀態，直到侵入宿主細胞。
除了人體自身的免疫系統之外，抗病毒藥物是人類對抗病毒入侵的最重要的武器。但肆虐全球數年的SARS-CoV-2病毒，讓人類意識到了自身在對抗病毒時的困窘。其中一個很大的問題在于病毒沒有很多屬于它們自己的蛋白質和酶，可以作為藥物開發的目標。病毒所擁有的少數蛋白和酶，也許只是在于執行最基本的功能，即允許病毒進入細胞、復制和逃逸，以及周而復始。即使如此，這些蛋白至的序列和結構在跨病毒，甚至同一類病毒中也可能大相徑庭。所以，人類很難舉一反三地使用一種治療劑針對多種病毒。雪上加霜的是，由于缺乏可靠的動物模型和投資，抗病毒藥物的開發顯然面臨嚴峻挑戰。
為什么抗病毒藥物難以開發？ACS旗下的C&EN做出了分析：
幾十年來，科學家們并不知道病毒是否有自己的酶。研究人員假設，被劫持的細胞只是利用細胞自身的酶和蛋白質構建了病毒的新副本。1967年，科學家發現了第一種病毒酶，一種痘病毒DNA-依賴型RNA聚合酶[1]。該酶采用病毒的DNA編碼基因組并將其轉錄為RNA，以開始生產新的病毒蛋白。在科學家確定了這些第一種病毒酶之后，他們就意識到他們可以設計針對病毒本身的藥物，但這個過程進展得非常緩慢。抗病毒藥物的開發一直落后于抗生素藥物的開發。除了針對疣和類似疾病的局部治療外，在acyclovir（阿昔洛韋，商品名：Sitavig, Xerese, Zovirax，如圖1）出現之前，抗病毒藥物的開發可謂舉步維艱。
圖1. Acylovir化學結構
阿昔洛韋用于治療單純皰疹病毒感染、水痘和帶狀皰疹。該藥物于1974年獲得專利，并于80年代首次獲準使用。
由于病毒胸苷激酶的作用，阿昔洛韋成為單磷酸阿昔洛韋。阿昔洛韋單磷酸通過鳥苷酸激酶轉化為二磷酸形式。隨后，阿昔洛韋二磷酸通過核苷二磷酸激酶等生化反應，轉化為三磷酸阿昔洛韋[2]。三磷酸阿昔洛韋對病毒DNA聚合酶的親和力高于正常細胞的DNA聚合酶，并結合到DNA中，缺失的2'和3'碳會導致DNA鏈終止[3]。阿昔洛韋三磷酸與病毒DNA聚合酶的競爭非常激烈，以至于其他堿基無法與該酶結合，從而使其失活。
與早期的抗病毒藥物不同，阿昔洛韋可以完全抑制病毒DNA聚合酶，而不會阻止細胞自身的酶，這意味著它幾乎不會引起主要副作用。從那以后，研究人員一直在嘗試采用類似的方法，直接靶向病毒蛋白。
宿主細胞感染和病毒復制的每個階段都給抗病毒藥物提供了機會。但是由于病毒僅編碼其自身的幾種蛋白質，因此藥物可能只能靶向一種或兩種蛋白質。這些病毒酶可能具有宿主細胞也具有的功能，因此靶向這些與人類蛋白相似的病毒酶，有良莠不分地無差別傷害健康人體細胞的可能性。這是抗病毒藥物開發的另一個難點。
盡管如此，多年來藥物開發人員已經找到了安全靶向幾種關鍵病毒蛋白的方法，直接針對病毒蛋白，是面對新病毒威脅時的首選方案，尤其是那些負責DNA和RNA復制的聚合酶，因為這些病毒聚合酶在幾種病毒中通常很相似，這為開發廣譜抗病毒藥物提供了機會。
除了聚合酶之外，一些病毒用來將RNA轉化為DNA的逆轉錄酶（reverse transcriptases）一直是抗HIV的主要目標。在細胞中負責切割病毒蛋白的蛋白酶（proteases）也一直是慢性感染（如HIV感染和丙型肝炎）和急性感染（如SARS-CoV-2）的靶標。
廣譜抗病毒藥物開發之后，研究人員在大多數情況下只得讓藥物靶向特定病毒中的特定蛋白質。但換個角度來看這個無奈之舉，靶向特定的病毒酶可以降低宿主酶受影響的風險，從而使藥物更安全。
與直接針對病毒開發抗病毒藥物形成正交策略的是，一些藥物開發商將他們的準星瞄準了宿主細胞，這種策略理論上可以產生對整個病毒家族有效的藥物。如果人們能夠影響宿主細胞，那么在某種程度上，病毒的身份和行為將變得不那么重要。這也算得上是“以我為主”的對敵策略了。這種方法使藥物更加靈活，而且病毒不太可能產生耐藥性。但是專注于宿主細胞同樣不可能萬無一失，產生重大副作用的風險就更高。
抗病毒藥物發現的挑戰不僅限于設計一種好的抑制劑。下一步是證明這種藥物有效，首先是在細胞中，然后是動物，最后是人類。但是細胞和動物模型與人體的差異，可能會給病毒研究創造新的障礙。例如，研究人員多年來一直在努力讓丙型肝炎在實驗室的細胞中復制，這使他們能夠研究破壞單個蛋白質如何影響病毒的生命周期。一旦藥物在培養皿中的細胞阻止了病毒，科學家們就需要在可靠的動物模型中對其進行測試，以提供生理相關的結果。藥物可以設計成在病毒進入和離開細胞之間的許多時間點，中斷病毒的生命周期（圖2）。
圖2. 病毒感染宿主細胞以及復制的生命周期，來源：Nat. Rev. Microbiol.
每種病毒都使用細胞蛋白并影響下游的細胞過程，這種復雜性并不總是能在動物中模仿。例如，Gilead Sciences的瑞德西韋 (remdesivir，圖3) 在小動物模型和非人類靈長類動物中對埃博拉病毒效果很好，但它在人類身上效果不佳[4]。
圖3. Remdesivir化學結構
缺乏好的模型也是抗病毒藥物開發的絆腳石。例如，RSV（呼吸道合胞病毒）的小鼠和大鼠模型的預測性不強。被輝瑞收購的ReViral，在人類挑戰模型中測試了他們的化合物。在該模型中，健康人被故意感染RSV。這是一種人為的情況，但它很好地驗證了藥物在臨床上的作用。很顯然，這種策略并不能推而廣之地用于所有病毒研究。
盡管生物學本身制造的問題，使抗病毒藥物的開發變得棘手，但過去50年的研究表明，正確的激勵措施可以推動創新。例如，數十年來在理解和開發HIV和AIDS藥物方面的投資，極大地推動了抗病毒藥物領域的發展。同樣，篳路藍縷的開發道路改變了丙型肝炎患者的治療前景，過去治療丙型肝炎需要近一年的藥物治療，而且副作用很大。現在相對較短療程的藥片就可以治愈它。
但是我們要知道，艾滋病和丙型肝炎都是慢性疾病，在全球范圍內影響著大量人群。這些因素為能夠開發新的更優治療方法的制藥公司，創造了一個巨大的市場。天下熙熙，皆為利來。利益的趨勢，可以激發企業開發這些熱門病毒疾病的相應藥物。然而對于急性病毒感染，需要在被感染后立即服用抗病毒藥物。這個狹窄的治療窗口可能會縮小藥物市場，因為病毒可能（必然）會影響世界上可能沒有足夠資金支付昂貴藥物的落后地區。雖然公共資金可以幫助填補空白，但許多投資者的興趣也譬如朝露。
Covid-19的大流行，讓全世界都在考慮如何以不同的方式進行抗病毒藥物的開發。由于缺乏針對Covid-19的治療選擇，人們意識到需要新的抗病毒藥物。在度過了這場危機之后，科學界以及產業界有可能會迎來一個對于抗病毒藥物開發的突破局面。去日苦多，來日方長。緊隨人類的每一次苦難，都應該是人類的又一次進步。
參考資料：
[1] Kates, J. R. et al. Poxvirus DNA-dependent RNA polymerase. PNAS. 1967, 58, 134-141.
[2] Miller, W. H. et al. Phosphorylation of acyclovir diphosphate by cellular enzymes. Biochem Pharmacol. 1982, 31, 3879-3884.
[3] King, D. H. History, pharmacokinetics, and pharmacology of acyclovir. J Am Acad Dermatol. 1988, 18, 176-179.
[4]Warren, T. K. et al. Therapeutic efficacy of the small molecule GS-5734 against Ebola virus in rhesus monkeys. Nature. 2016, 531, 381–385.
[General] Howes, L. Why are antivirals so hard to develop? C&EN. Discovery Report. Q3, 2021.
