核苷药物设计中最为常见的修饰就是在嘧啶环的-5位上添加取代基。如用于治疗疱疹性角膜炎的碘苷(图2)就是通过在嘧啶环的5-位添加碘取代基，这种修饰可以潜在地改变位阻、电子效应，甚至是酶结合点和核苷类似物之间的氢键相互作用 [ 5 ] [ 6 ] 。同样还有在嘧啶环5-位添加三氟甲基用于眼部疱疹感染的曲氟尿苷 [ 7 ] ，以及在5-位添加溴乙烯基用于治疗带状疱疹病毒的溴夫定等 [ 8 ] 。另外，氟碘阿糖尿苷(FIAU)也是一种核苷类抗病毒药物，主要对人类免疫缺陷病毒(HIV)、疱疹病毒、巨细胞病毒(CMV)和乙型肝炎病毒(HBV)等病毒有作用 [ 9 ] 。

图2. 嘧啶环5-位修饰的核苷类似物

研究发现在碱基上去除或添加一个强氢键的供体或受体会影响核苷类似物的性质。如通过将嘌呤3-位上的N原子被CH取代而制备的3-去氮-脱氧尿苷(图3)，它不仅能够提高对DNA和RNA病毒的广谱抗病毒活性，还能有效抑制白血病L210和P388细胞株 [ 10 ] 。另外在碱基中添加氮原子可以引入新的氢键结合体或受体，增加反应活性。如5-氮杂胞苷，氮的添加赋予了新的抗癌活性，特别是对急性骨髓性白血病和MCF-7人类乳腺癌乙基骨髓增生异常综合征的治疗 [ 11 ] 。同时也可将碱基直接换位其他杂环，如用1,2,4-三唑环代替传统碱基而制备的新型核苷类似物利巴韦林，它进入人体后不易被核苷酶或核苷磷酸化酶水解 [ 12 ] 。另外，其独特的结构使其可与生物体内的多种生物大分子相互作用(配位键、氢键、π-π堆积、疏水性和范德华力等)。它属于次黄嘌呤核苷脱氢酶(IMPDH)抑制剂，通过降低鸟苷酸水平而具有抗病毒的作用，对多种RNA和DNA病毒有效，是核苷类药物发展中的一个重要里程碑，具有广谱的抗病毒活性 [ 13 ] 。

图3. 杂环碱基改造的核苷类似物

瑞德西韦(图4)是由Gilead公司、美国疾病控制和预防中心(CDC)美国陆军传染病医学研究所(USAMRIID)于2017年合作开发的。结构活性关系表明：1'-氰基类似物表现出更广泛的抗病毒活性，对HCV、埃博拉病毒(EBOV)、黄热病病毒(YFV)、流感病毒、登革热-2病毒(DENV-2)和急性呼吸中和征冠状病毒(SARS-CoV)都有很好的活性。早在2020年新冠疫情爆发之初，被誉为“人民的希望”的瑞德西韦就曾凭借在COVID-19住院患者中显示的疗效，先后获得美国、欧洲和日本等紧急授权或完全批准 [ 14 ] 。VV116由中国科学院上海药物研究所、中国科学院武汉病毒研究所、旺山旺水生物医药有限公司等多家机构联合开发。临床前研究显示，VV116在体内外都表现出显著的抗SARS-CoV-2作用，对SARS-CoV-2原始株和已知重要变异株(Alpha、Beta、Delta和Omicron)均表现出抗病毒活性，同时具有很高的口服生物利用度和良好的化学稳定性 [ 15 ] 。

图4. 1'-位修饰的核苷类似物

2'-位的改造通常是将2'-羟基构型翻转乙基引入取代基或着脱羟基等。阿糖胞苷(Ara-C) (图5)于1969年被批准用于临床，主要作为细胞S增殖期的嘧啶类抗代谢药物，主要通过抑制DNA聚合酶的活性及相应DNA的合成来阻断病毒的复制 [ 16 ] 。阿糖腺苷(Ara-A)于1976年被美国FDA批准用于治疗单纯疱疹性脑炎、新生儿单纯疱疹和带状疱疹，也被用于水痘–带状疱疹病毒(VZV)感染、婴儿先天性巨细胞病毒感染的治疗 [ 17 ] 。人们在研究2'-氟核苷时发现2'-脱氧-2'-氟胞苷对HCV具有很好的抑制作用，并且在100 µM范围内无细胞毒性。索菲布韦是一种2'-脱氧-2'-氟-2'-甲基尿苷类似物，在2013年被FDA批准用于治疗丙肝 [ 18 ] 。

图5. 2'-位修饰的核苷类似物

3'-位修饰通常会增强其抗肿瘤的活性，人们研究发现3'-甲基腺苷(图6)对白血病和结肠癌及乳腺癌细胞系具有良好的抑制作用 [ 19 ] 。后来Mikhailopulo等人在核苷类似物3'-位引入氟原子，合成了一些列3'-脱氧-3'-氟核苷类似物，表现出良好的抗肿瘤活性及广谱的抗病毒活性。其中3'-脱氧-3'-氟鸟苷对牛痘病毒、柯萨奇病毒、塞姆利基森林病毒和辛德比斯病毒的抑制作用为3'-脱氧-3'-氟腺苷活性的10倍 [ 20 ] 。

图6. 3'-位修饰的核苷类似物

大量研究显示如果核苷类似物缺少3'-位羟基或被其他基团取代，可对病毒DNA链的合成和延长有抑制作用，从而可作为核酸链的终止剂。如司他夫定(图7)，具有2',3'-不饱和结构，缺少的3'-位羟基可作为链终止剂，现已被用于治疗HIV [ 21 ] 。同样FDA批准的第一个用于治疗HIV的核苷类药物齐多夫定的3'-叠氮基为线性结构，与天然核苷相容并具有较小的位阻和电负性。这种结构可以提高核苷的稳定性。后来又陆续发展了扎西他滨，地达诺新，拉米夫定及恩曲他滨等抗病毒药物 [ 22 ] 。

图7. 2'和3'-位同时修饰的核苷类似物

4'-位取代也是核苷类化合物的一类重要修饰，通常引入乙炔基、氰基、叠氮基等，不仅可以提高其对酶和酸的稳定性，还使其更具亲脂性，从而可以提高其细胞的通透性和生物利用度 [ 23 ] 。阿兹夫定(图8)已用于治疗HIV感染，还用于治疗COVID-19，且疗效优于瑞德西韦。另外，据文献报道4'-Ed4T是一种新型胸苷类似物，它比司他夫定具有更强的抗HIV-1活性，且在细胞实验中表现出比齐多夫定和司他夫定更为持久的抗HIV活性 [ 24 ] 。Islatravir是一种高效的HIV-RT易位抑制剂，目前正在临床评估单独使用或与其他抗逆转录病毒药物联合使用对HIV-1的治疗或预防，Islatravir也能有效抑制HBV [ 25 ] 。罗氏公司开发的4'-叠氮胸苷(ADRT)是一种有效的基于核苷的RNA定向DNA聚合酶抑制剂，用于治疗HIV感染 [ 26 ] 。

图8. 4'-位修饰的核苷类似物

核苷在体内通常需要转化为5'-三磷酸的活性底物，而单磷酸的形成是限速步骤。因此大多数的5'-位修饰都集中在5'-位的磷酸化上。目前较为有效的核苷前药是磷酰胺前药和脂质共轭磷酸酯前药，如索菲布韦(图9)和瑞德西韦就是一类单磷酸核苷前药 [ 14 ] [ 18 ] 。

图9. 5'-位修饰的核苷类似物

核糖环上的氧原子可以被C、S、Se等原子取代，如用C代替核糖环上O的碳环核苷芒雷素(图10)，发现其对麻疹流感牛痘病毒和水泡型口腔炎等病毒具有较强的抗病毒活性 [ 27 ] 。除此之外，抗病毒药物拉米夫定和恩曲他滨也是糖环中的3'-位C被S取代的一类核苷 [ 22 ] 。另外，研究发现当呋喃糖环单元被特定的三元碳环、四元碳环或含羟基的链状片段所取代时，仍能表现出很好的抗病毒活性。如贝西福韦，奥塔诺新, 喷昔洛韦等 [ 28 ] [ 29 ] 。