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Identification of nitrile-containing isoquinoline-related natural product derivatives as coronavirus entry inhibitors in silico and in vitro - 08/11/24

Doi : 10.1016/j.biopha.2024.117517 
Nasim Shahhamzehei a, Sara Abdelfatah a, Hannah S. Schwarzer-Sperber b, Kathrin Sutter b, c, Rümeysa Yücer a, Gerhard Bringmann d, Roland Schwarzer c, , Thomas Efferth a,
a Department of Pharmaceutical Biology, Institute of Pharmaceutical and Biomedical Sciences, Johannes Gutenberg University, Staudinger Weg 5, Mainz 55128, Germany 
b Institute for the Research on HIV and AIDS-Associated Diseases (HIV-AAD), University Hospital Essen, University Duisburg-Essen, Essen, Germany 
c Institute for Virology, University Hospital Essen, University Duisburg-Essen, Essen, Germany 
d Institute of Organic Chemistry, University of Würzburg, Am Hubland, Würzburg 97074, Germany 

Corresponding authors.

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Abstract

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused millions of infections and deaths worldwide since its emergence in Wuhan, China, in late 2019. Natural product inhibitors targeting the interaction between the receptor-binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 spike protein and human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), crucial for viral attachment and cellular entry, are of significant interest as potential antiviral agents. In this study a library of nitrile- and sulfur-containing natural product derived compounds were used for virtual drug screening against the RBD of the SARS-CoV-2 spike protein. The top 18 compounds from docking were tested for their efficacy to inhibit virus entry. In vitro experiments revealed that compounds 9, 14, and 15 inhibited SARS-CoV-2 pseudovirus and live virus entry in HEK-ACE2 and Vero E6 host cells at low micromolar IC50 values. Cell viability assays showed these compounds exerted low cytotoxicity towards MRC5, Vero E6, and HEK-ACE2 cell lines. Microscale thermophoresis revealed all three compounds strongly bound to the RBDs of SARS-CoV-2, SARS-CoV-2 XBB, SARS-CoV-1, MERS-CoV, and HCoV-HKU1, with their Kd values increasing as RBD sequence similarity decreased. Molecular docking studies indicated compounds 9, 14, and 15 bound to the SARS-CoV-2 spike protein RBD and interacted with hotspot amino acid residues required for the RBD-ACE2 interaction and cellular infection. These three nitrile-containing candidates, particularly compound 15, should be considered for further development as potential pan-coronavirus entry inhibitors.

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Graphical Abstract




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Highlights

Identification of three natural product derivatives (out of 143 sulfur- and nitrile-containing compounds) as SARS-CoV-2 entry inhibitors by virtual screening.
Discovery of three novel nitrile-containing isoquinoline-related natural product derivatives as SARS-CoV2 inhibitors with low toxicity.
The new nitrile-containing compounds bind directly to RBD of SARS-CoV-2, SARS-CoV-2 XBB, SARS-CoV-1, MERS-CoV, and HCoV-HKU1 as detected by microscale thermophoresis.

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Keywords : ACE2, SARS-CoV-2, Nitrile-containing natural product derivatives, Isoquinoline, Pan-entry inhibitor, Virtual drug screening


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