Пандемия новой коронавирусной инфекции оказывает значительное влияние на все аспекты деятельности человечества. За истекшие три года научные знания о SARS-CoV-2 и течении инфекционного процесса COVID-19 существенно расширились. Расшифрован геном вируса, установлены некоторые функции вирусных белков и определенные механизмы их взаимодействия с клетками человека, накоплены клинические данные о патогенезе и особенностях симптоматики у различных групп пациентов. Разработана стратегия широкого применения диагностических тест-систем и вакцинации населения, что позволило персонализировать и повысить эффективность клинических подходов к терапии заболевания.

Соблюдение санитарно-гигиенических рекомендаций и вакцинопрофилактика ограничивают распространение вируса в популяции, однако появление новых мутантных штаммов SARS-CoV-2 с повышенной вирулентностью снижает эффективность профилактических мероприятий. Недостаток знаний о патобиологии вируса SARS-CoV-2 и механизмах развития патологического процесса требует дальнейшего проведения фундаментальных и поисковых биомедицинских исследований, определения основных клеточных и молекулярных мишеней поражения тканей и органов, поиска новых средств лечения и профилактики коронавирусной инфекции.

Репозиционирование лекарств – выявление новых показаний у разрешенных к медицинскому применению лекарственных препаратов – является единственно возможным оперативным ответом на пандемию COVID-19 и будущие биогенные угрозы. Наличие информации о фармакологических и токсикологических характеристиках известного препарата обеспечивает условия для его быстрого применения по новой нозологии. Поиск новых фармакологических эффектов у известных лекарств проводят in silico и in vitro. Компьютерные оценки получают путем моделирования взаимодействия анализируемых соединений с молекулярными мишенями, идентификацией аналогов на основе структурного сходства, анализом зависимостей «структура-активность», установлением ассоциаций методами сетевой фармакологии. Отбор потенциально активных соединений проводят путем виртуального скрининга in silico, с последующей экспериментальной валидацией компьютерных предсказаний in vitro. Определение антикоронавирусной активности in vitro осуществляют с использованием биохимических и клеточных модельных систем. Корреляция между результатами исследований, полученных in silico, в биохимических и клеточных тест-системах in vitro, и на экспериментальных животных in vivo невысока, что объясняется отсутствием стандартизации применяемых тест-систем и препаратов сравнения, которые могут быть использованы для соответствующей валидации.

С целью эффективного использования полученной в 2020-2023 г.г. информации мы ведем разработку портала Анти-COVID-19 (https://way2drug.com/anticovidinfo/) по репозиционированию лекарств для терапии SARS-CoV-2/COVID-19. На портале представлена информация о механизмах развития патологического процесса при COVID-19, влиянии этой инфекции на биологические процессы в организме, о фармакологических мишенях терапевтического воздействия, об антикоронавирусных препаратах, применяемых для лечения заболевания, а также об исследованиях с целью репозиционирования лекарств для терапии COVID-19.

Для оценки in silico характеристик репозиционируемых лекарств и новых фармакологических веществ реализованы веб-сервисы, обеспечивающие поиск структурных аналогов активных соединений среди 4000 разрешенных к медицинскому применению препаратов, прогноз антикоронавирусного действия, побочных эффектов и токсичности для планируемых к синтезу молекул, и т.д.

Анализ доступных экспериментальных данных по тестированию in vitro антикоронавирусной активности известных лекарственных препаратов позволил установить приоритеты для их дальнейшего исследования. Тремя коллективами из Института полиомиелита, ИОХ и ИБМХ, независимо было проведено молекулярное моделирование взаимодействия пятнадцати препаратов (дисульфирам, омепразол, силибинин, саквинавир, монтелукаст, иматиниб, атазанавир, дазатиниб, ципрофлоксацин, глицирризиновая кислота, дигидрокверцетин, нарлапревир, тейкопланин, бедаквилин, доксазозин) с главной протеазой 3CLpro SARS-CoV-2. В Институте полиомиелита установлено наличие антикоронавирусной активности для нарлапревира (IC50=2,75 мкМ, EC50=64 мкМ, CC50=106 мкМ). Иматиниб ингибировал репликацию вируса в клеточной культуре с EC50 = 40,0 мкМ, однако был практически неактивен по отношению к главной протеазе 3CLpro.

В марте 2020 года был объявлен международный проект с целью виртуального скрининга потенциальных анти-SARS-CoV-2 соединений «JEDI Billion Molecules Against COVID-19 Grand Challenge» (https://www.jedi.foundation/covid19challenge). Участникам проекта было предложено провести скрининг in silico потенциальных антикоронавирусных соединений среди не менее чем 1 млрд доступных для синтеза и тестирования структур, по отношению к трем или более молекулярным мишеням, тремя независимыми компьютерными методами, и представить список из 10 тысяч наиболее вероятных «кандидатов» для проведения синтеза и биологического тестирования. Принявшие участие в проекте 130 коллективов из разных стран мира предложили для синтеза и тестирования 639024 «хитов»; 820 соединений синтезировано и протестировано; найдено 28 «активных» (процент «успеха» 3,19%). Нами был проведен скрининг in silico среди 1,08 млрд структур на 4 мишени (3CLpro, PLpro, RdRp, TMPRSS2); отобрано 10 тысяч «хитов»; мы вошли в число 20 коллективов, предложения которых отобраны для экспериментальной проверки; 36 молекул синтезировано; активность одной молекулы (ингибирование PLpro) подтверждена в эксперименте.

В докладе обсуждаются возможности и ограничения репозиционирования лекарств в условиях пандемии COVID-19 и пути для снижения опасности новых биогенных угроз в будущем.



Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021 - 2030 годы) (№ 122022800499-6).

The pandemic of a new coronavirus infection has a significant impact on all aspects of human activity. Over the past three years, scientific knowledge about SARS-CoV-2 and the progression of the infectious process of COVID-19 has expanded significantly. The virus genomes have been deciphered, some functions of viral proteins and certain mechanisms of their interaction with human cells have been established, clinical data on the pathogenesis and symptoms in various groups of patients have been accumulated. A strategy has been developed for the widespread use of diagnostic test systems and vaccination of the population, which made it possible to personalize and increase the effectiveness of clinical approaches to the treatment of the disease. Compliance with sanitary and hygienic recommendations and vaccination limit the spread of the virus in the population, however, the emergence of new mutant strains of SARS-CoV-2 with increased virulence reduces the effectiveness of preventive measures. The lack of knowledge about the pathobiology of the SARS-CoV-2 virus and the mechanisms of development of the pathological process requires further basic and exploratory biomedical research, identification of the main cellular and molecular targets for tissue and organ damage, and the search for new treatments and prevention of coronavirus infection.

Drug repositioning – identifying new indications for approved pharmaceuticals – is the only possible immediate response to the COVID-19 pandemic and future biogenic threats. The availability of information on the pharmacological and toxicological characteristics of a known drug provides the conditions for its rapid use in a new nosology. The search for new pharmacological effects of known drugs is carried out in silico and in vitro. Computer estimates are obtained by modeling the interaction of the analyzed compounds with molecular targets, identifying analogs based on structural similarity, analyzing structure-activity relationships, and establishing associations using network pharmacology methods. The selection of potentially active compounds is carried out by virtual screening in silico, followed by experimental validation of computer predictions in vitro. The determination of anticoronavirus activity in vitro is carried out using biochemical and cellular model systems. The correlation between the results of studies obtained in silico, in biochemical and cellular test systems in vitro, and in experimental animals in vivo is low, which is explained by the lack of standardization of the test systems and reference drugs that can be used for the appropriate validation.

In order to effectively use the received in 2020-2023 information, we are developing the Anti-COVID-19 portal (https://way2drug.com/anticovidinfo/) aimed to drug repositioning for SARS-CoV-2/COVID-19 therapy. The portal provides information on the mechanisms of the development of the pathological process in COVID-19, the impact of this infection on biological processes in the body, pharmacological targets for therapeutic intervention, anticoronavirus agents used to treat the disease, as well as studies on drugs repositioning for the treatment of COVID-19.

To evaluate in silico characteristics of repositioned drugs and new pharmacological substances, web services have been implemented that provide a search for structural analogues of active compounds among 4000 drugs approved for medical use, predict anticoronavirus effects, side effects and toxicity for molecules planned for synthesis, etc.

An analysis of the available experimental data on in vitro testing of the anticoronavirus activity of known drugs allowed to establish priorities for their further research. Three teams from the Chumakov Center, Zelinsky Institute and IBMC, independently conducted molecular modeling of the interaction of fifteen drugs (disulfiram, omeprazole, silibinin, saquinavir, montelukast, imatinib, atazanavir, dasatinib, ciprofloxacin, glycyrrhizic acid, dihydroquercetin, narlaprevir, teicoplanin, bedaquiline, doxazosin) with the main SARS-CoV-2 protease 3CLpro. The Chumakov Center confirmed by the experiment anticoronavirus activity for narlaprevir (IC50=2.75 µM, EC50=64 µM, CC50=106 µM). Imatinib inhibited virus replication in cell culture with EC50 = 40.0 μM, but was practically inactive against the main protease 3CLpro.

In March 2020, an international project for the virtual screening of potential anti-SARS-CoV-2 compounds "JEDI Billion Molecules Against COVID-19 Grand Challenge" was announced (https://www.jedi.foundation/covid19challenge). The project participants were requested to conduct in silico screening of potential anti-coronavirus compounds among at least one billion structures available for synthesis and testing, in relation to three or more molecular targets, by three independent computer methods, and submit a list of ten thousand hits for synthesis and biological testing. 130 teams from different countries, which took part in the project, offered 639,024 hits for synthesis and testing; 820 compounds synthesized and tested; 28 "actives" found (success rate 3.19%). We performed in silico screening among 1.08 billion structures on 4 targets (3CLpro, PLpro, RdRp, TMPRSS2); ten thousand hits were chosen. We were among the 20 teams whose proposals were selected for experimental verification; 36 molecules synthesized; the activity of one molecule (PLpro inhibition) was confirmed in the experiment.

Opportunities and limitations of drug repositioning in the context of the COVID-19 pandemic and ways to reduce the risks of new biogenic threats in the future will be discussed.



The study is performed in the framework of the Program for Basic Research in the Russian Federation for a long-term period (2021-2030) (No. 122030100170-6).