閔真立，王婷，陳亞軍，楊曦亮

武漢科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系，武漢 430081

有機(jī)化學(xué)是研究有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)、組成、物理化學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)機(jī)理、合成方法以及應(yīng)用的科學(xué)，是藥學(xué)專業(yè)的四大基礎(chǔ)化學(xué)課之一。有機(jī)化學(xué)也是藥學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)好藥物化學(xué)、天然藥物化學(xué)、藥物分析等專業(yè)課程的基礎(chǔ)。有機(jī)化學(xué)因其理論晦澀難懂、內(nèi)容繁雜等原因，通常也是藥學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，學(xué)生普遍認(rèn)為有機(jī)化學(xué)難記、難學(xué)、難用，因此學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。另外，學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)與藥學(xué)的關(guān)系認(rèn)識(shí)不足，對(duì)其學(xué)習(xí)輕視，也影響了學(xué)習(xí)效果。在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，如何使抽象枯燥的內(nèi)容變得生動(dòng)有趣，使難于記憶理解的知識(shí)變得易于接受和掌握，提高教學(xué)質(zhì)量，是教師需要思考和解決的問(wèn)題。

案例教學(xué)是一種重要的教學(xué)方法，具有形象、直觀的特點(diǎn)，在大學(xué)課堂被廣泛使用[1,2]。由于有機(jī)化學(xué)跟藥物研究之間聯(lián)系緊密，在教學(xué)過(guò)程中引入一些新藥物研發(fā)的案例，應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)課堂教學(xué)中，既能豐富教材內(nèi)容，也使課堂教學(xué)更加形象、生動(dòng)，或許是解決上述問(wèn)題的方法之一。運(yùn)用恰當(dāng)，能讓學(xué)生感受有機(jī)化學(xué)在醫(yī)藥中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，理解生命物質(zhì)、生命現(xiàn)象與有機(jī)化學(xué)的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，收到很好的教學(xué)效果。

當(dāng)然，有機(jī)化學(xué)內(nèi)容龐雜，與新藥研究有關(guān)系的還包括藥物的合成、分離、鑒定等，本文僅就小分子創(chuàng)新藥物設(shè)計(jì)案例與有機(jī)化學(xué)相關(guān)內(nèi)容教學(xué)做一些初步的探討。

1 有機(jī)化學(xué)與藥學(xué)的關(guān)系

藥學(xué)是一門基于化學(xué)和生命科學(xué)的發(fā)展而產(chǎn)生的交叉學(xué)科。化學(xué)闡明藥物作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，生命科學(xué)理論解釋藥物作用的機(jī)制。四大基礎(chǔ)化學(xué)，即有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)，是藥學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程，其中有機(jī)化學(xué)課程對(duì)藥學(xué)專業(yè)學(xué)生尤為重要。藥物的化學(xué)成分絕大部分都是有機(jī)物，從先導(dǎo)物的發(fā)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，到后續(xù)的吸收、分布、代謝和起效等研究都跟有機(jī)化學(xué)有關(guān)。這些研究?jī)?nèi)容涉及藥學(xué)專業(yè)課程包括藥物化學(xué)、藥物分析、藥劑學(xué)、藥物代謝動(dòng)力學(xué)、藥理學(xué)等。有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)的強(qiáng)弱會(huì)直接影響多門藥學(xué)專業(yè)課的學(xué)習(xí)效果[3–5]。

這些藥學(xué)專業(yè)課中，尤以藥物化學(xué)與有機(jī)化學(xué)的關(guān)系最為密切。藥物化學(xué)是新藥創(chuàng)制的龍頭學(xué)科[6]，而有機(jī)化學(xué)是學(xué)習(xí)藥物化學(xué)重要的前置課程。有機(jī)化學(xué)教學(xué)是基礎(chǔ)，藥物化學(xué)教學(xué)是其拓展與應(yīng)用[7]，能加深對(duì)有機(jī)化學(xué)的認(rèn)識(shí)。有機(jī)化學(xué)與藥物化學(xué)的教學(xué)過(guò)程有相通之處：大部分化學(xué)藥物本質(zhì)上是有機(jī)化合物，結(jié)構(gòu)明確，有特定的官能團(tuán)。藥物的酸堿性、穩(wěn)定性、吸收、分布、代謝等藥學(xué)性質(zhì)都跟化學(xué)結(jié)構(gòu)特別是官能團(tuán)有關(guān)系，至于藥物的制備方法，則更是與藥物官能團(tuán)的轉(zhuǎn)換有關(guān)系。而官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。藥物的生物活性則與藥物的理化性質(zhì)以及藥物的特定結(jié)構(gòu)有關(guān)，這些也與有機(jī)化學(xué)相關(guān)。

2 有機(jī)化學(xué)與創(chuàng)新藥物設(shè)計(jì)的部分知識(shí)結(jié)合點(diǎn)

現(xiàn)代創(chuàng)新藥物設(shè)計(jì)理論認(rèn)為，藥物分子與機(jī)體的酶或受體等重要蛋白質(zhì)的特定部位結(jié)合，將酶的活性催化中心封閉，或使得受體介導(dǎo)的信號(hào)被傳導(dǎo)到下游或被阻斷，進(jìn)而糾正機(jī)體的病理生理狀態(tài)，發(fā)揮藥效。這種藥物分子通過(guò)與重要功能靶蛋白結(jié)合而起效的機(jī)制又被形象地比喻為“鑰匙和鎖孔”的關(guān)系，小分子化學(xué)藥物是“鑰匙”，酶或受體是“鎖孔”，藥物與靶標(biāo)之間通過(guò)形成化學(xué)鍵以及分子間作用力，發(fā)揮“鑰匙”上溝槽以及鋸齒作用，作用于“鎖孔”，產(chǎn)生藥效。

藥物分子與生物靶標(biāo)之間的作用主要通過(guò)形成化學(xué)鍵以及分子間作用力等形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這兩者是有機(jī)化學(xué)重要的教學(xué)內(nèi)容。除此之外，還有一些內(nèi)容也有很強(qiáng)的相關(guān)性，本文初步歸納如表1所示。

表1 有機(jī)化學(xué)部分知識(shí)點(diǎn)在創(chuàng)新藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[8,9]

相關(guān)知識(shí)點(diǎn)在有機(jī)化學(xué)教學(xué)、藥物化學(xué)教學(xué)以及創(chuàng)新藥物實(shí)踐中都有關(guān)聯(lián)。這些知識(shí)點(diǎn)在有機(jī)化學(xué)教學(xué)過(guò)程中是抽象難懂的內(nèi)容，但是，如果聯(lián)系到它們與新藥研究的關(guān)系，在進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容教學(xué)時(shí)，適時(shí)引入例子則能使相關(guān)章節(jié)知識(shí)教學(xué)更具體、生動(dòng)，易于學(xué)生掌握，能強(qiáng)化教學(xué)效果[10]。

立體效應(yīng)是有機(jī)化學(xué)中很重要的一個(gè)概念，在官能團(tuán)的反應(yīng)活性差異比較、SN1和SN2反應(yīng)機(jī)理等內(nèi)容的教學(xué)中經(jīng)常用到。這一概念在藥物創(chuàng)制過(guò)程中也有應(yīng)用，經(jīng)典的例子如腎上腺受體激動(dòng)劑(圖1)，其結(jié)構(gòu)中的取代基R隨著立體結(jié)構(gòu)變大，位阻增大，生物活性從激動(dòng)活性變成拮抗活性，1a是腎上腺受體激動(dòng)劑，而1b則是α-腎上腺受體拮抗劑。電子效應(yīng)包括誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)，又都可以分成供電子效應(yīng)和吸電子效應(yīng)，最終體現(xiàn)為官能團(tuán)或有機(jī)化合物的電子云密度大小。在有機(jī)化學(xué)的教學(xué)中，它們涉及有機(jī)化合物官能團(tuán)的反應(yīng)活性，在藥物研究領(lǐng)域，基于電子效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)的相似性衍生出了電子等排體、生物電子等排體等概念。這些概念、原理被廣泛地應(yīng)用于新藥設(shè)計(jì)中，經(jīng)典的例子比如組胺H2受體拮抗劑西咪替丁、雷尼替丁等的發(fā)現(xiàn)。

圖1 化合物1–7的結(jié)構(gòu)

光學(xué)異構(gòu)、手性是有機(jī)化學(xué)中很重要的一部分內(nèi)容，在有機(jī)化學(xué)課程中涉及一些基本概念和規(guī)則的教學(xué)?；衔锏氖中砸矊?duì)其生物活性存在著巨大影響，最著名的例子就是“反應(yīng)?！笔录！胺磻?yīng)停”是藥物的商品名，其通用名為沙利度胺(圖1)，由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)手性碳，所以有兩個(gè)異構(gòu)體，(R)-沙利度胺3是一個(gè)鎮(zhèn)靜止吐良藥，但是(S)-沙利度胺2具有抑制血管生成的致畸作用。最初“反應(yīng)?！币酝庀w上市，用于治療孕婦的妊娠嘔吐，結(jié)果造成了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的新生兒肢體畸形的災(zāi)難事件。“反應(yīng)?！笔录O大地促進(jìn)了人們對(duì)有機(jī)化合物手性的認(rèn)識(shí)和手性藥物的研究以及監(jiān)管，此后上市的藥物，很少再出現(xiàn)這種生物學(xué)效應(yīng)呈現(xiàn)極端差異的情況，更多是一個(gè)對(duì)應(yīng)異構(gòu)體無(wú)效或弱效，另一個(gè)對(duì)映異構(gòu)體強(qiáng)效，比如近年上市的(R)-拉考酰胺4(圖1)是很好的抗癲癇藥物[11]，其S異構(gòu)體幾乎無(wú)效。雙鍵的順?lè)串悩?gòu)對(duì)于化合物發(fā)揮藥理活性也有重要的影響。比如反式己烯雌酚5(圖1)能起天然雌激素樣作用，其順式異構(gòu)體無(wú)生物活性。反式維甲酸6(圖1)是治療某一亞型白血病的藥物，而13-順式異構(gòu)體7(圖1)則是治療嚴(yán)重痤瘡的藥物。

與時(shí)俱進(jìn)的案例可能更容易引起共鳴，激發(fā)學(xué)生的興趣。2019年末爆發(fā)的新冠疫情在世界范圍內(nèi)對(duì)人類造成了極大危害，數(shù)百萬(wàn)人死亡。在這場(chǎng)與病毒搏斗的過(guò)程中，小分子化學(xué)藥物成為人類有力的武器之一，其中效果較好的有帕羅韋德(Paxlovid)。帕羅韋德是由奈瑪特韋[12](圖2A，nirmatrelvir)和利托那韋構(gòu)成的復(fù)方制劑，其中奈瑪特韋為主要作用成分，是新冠病毒特異性蛋白酶Mpro(Main protease，也稱3-Chymotrypsin like protease，3CLpro)的抑制劑，利托那韋則有助于減緩奈瑪特韋代謝或分解，使其在體內(nèi)維持較長(zhǎng)的有效作用時(shí)間[13]。奈瑪特韋分子結(jié)構(gòu)中有6個(gè)手性碳，光學(xué)異構(gòu)體復(fù)雜，它們決定了與之相連的叔丁基、四氫吡咯駢合環(huán)丙烷以及丁內(nèi)酰胺這些空間位阻較大的基團(tuán)的伸展方向。研究表明新冠病毒蛋白酶Mpro活性催化中心有4個(gè)孔洞(P1–P4，圖2B)，正好能跟這三個(gè)具有立體效應(yīng)的基團(tuán)嵌合，另外一個(gè)嵌入的基團(tuán)是三氟甲基。同時(shí)，奈瑪特韋的酰胺鍵能與該蛋白酶形成若干氫鍵，最關(guān)鍵的是蛋白酶Mpro的145位半胱氨酸Cys145的巰基能與奈瑪特韋的腈基發(fā)生加成反應(yīng)，形成共價(jià)鍵[12,14]。正是因?yàn)樾》肿铀幬锱c蛋白酶有多種作用，使得奈瑪特韋有較強(qiáng)的抑制病毒復(fù)制的作用。這個(gè)例子綜合體現(xiàn)了表1的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)。在課程思政的教學(xué)改革背景下，對(duì)于有機(jī)化學(xué)或藥物化學(xué)的課程思政建設(shè)，抗新冠病毒藥物研究蘊(yùn)含了值得深入挖掘的思政元素。

圖2 (A)奈瑪特韋化學(xué)結(jié)構(gòu)及與靶酶結(jié)合方位；(B)奈瑪特韋靶與靶酶結(jié)合示意圖[12]

總之，在有機(jī)化學(xué)相關(guān)概念、知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)過(guò)程中，引入這些例子，可以使相關(guān)概念具體化，也可使學(xué)生對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)認(rèn)識(shí)更深刻，引起其興趣。

3 結(jié)合相關(guān)軟件的創(chuàng)新藥物案例在教學(xué)中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)及基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，創(chuàng)新藥物研究的面貌正在發(fā)生深刻變化。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)、人工智能輔助藥物開(kāi)發(fā)等在新藥設(shè)計(jì)中的比重越來(lái)越大。相關(guān)軟件既是藥物開(kāi)發(fā)的工具，也使得藥物與靶點(diǎn)的結(jié)合變得可視化，有機(jī)化學(xué)以及藥物化學(xué)等課程教學(xué)可以變得更豐富與生動(dòng)。相關(guān)教師應(yīng)該熟練掌握這些軟件，比如AutoDock、Discovery Studio(DS)、ChemOffice、LigPlus和PyMOL等，借助這些軟件工具可以將藥物–受體的作用方式通過(guò)計(jì)算機(jī)更為直觀生動(dòng)地呈現(xiàn)出來(lái)，不僅能提高學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)、藥物化學(xué)的興趣，還能讓學(xué)生更好地理解氫鍵、疏水作用、離子鍵、π–π作用等[15,16]。就此思考，筆者謹(jǐn)舉一例。

案例：靶向抗腫瘤藥物蛋白酪氨酸激酶抑制劑伊馬替尼和尼洛替尼的開(kāi)發(fā)[17]。

在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中，蛋白激酶能催化三磷酸腺苷ATP的γ-磷酸基轉(zhuǎn)移到底物蛋白的絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸殘基的羥基上，將其磷酸化，從而引起底物蛋白構(gòu)象的改變，啟動(dòng)下游生化反應(yīng)，將信號(hào)傳導(dǎo)下去，調(diào)控細(xì)胞的分化、增殖等過(guò)程。酪氨酸激酶是研究最充分的一種激酶，很多細(xì)胞的細(xì)胞膜上存在酪氨酸激酶受體，其活性過(guò)高是很多腫瘤發(fā)生的根本原因，抑制其活性能起到靶向抗腫瘤的作用。

如圖3所示，藥物研究人員首先發(fā)現(xiàn)2-苯氨基-4-(吡啶-3-基)嘧啶8具有酪氨酸激酶抑制活性。在苯氨基的3位引入苯甲酰胺所得化合物9能與酪氨酸激酶的Glu286和Asp381形成氫鍵，增加激酶抑制活性。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，在二氨基苯基的苯環(huán)上引入6-甲基，由于位阻增加，化合物10的吡啶基嘧啶的構(gòu)象改變，不能抑制蛋白激酶C(PKC)的活性，保留了對(duì)酪氨酸激酶的抑制活性，因此提高了選擇性。但是，化合物10的水溶性較差，藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)不佳，在苯甲酰胺基上引入了親水性的N-甲基哌嗪，提高了化合物的溶解度和生物利用度，最終發(fā)現(xiàn)了伊馬替尼11。

圖3 伊馬替尼及尼洛替尼化學(xué)結(jié)構(gòu)演變過(guò)程

伊馬替尼長(zhǎng)時(shí)間使用后，大部分患者產(chǎn)生了耐藥問(wèn)題，根本原因是患者的酪氨酸激酶域產(chǎn)生了點(diǎn)突變，與伊馬替尼的結(jié)合力減弱。為了克服耐藥問(wèn)題，研究人員對(duì)伊馬替尼和Abl激酶結(jié)合的X射線晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)伊馬替尼的吡啶和嘧啶占據(jù)了酶活性中心的深裂縫，這個(gè)區(qū)域本應(yīng)為ATP所占據(jù)。伊馬替尼的吡啶與該區(qū)域的Met318形成一個(gè)氫鍵，酰胺基跟Glu286、Lys271、Asp381以及兩個(gè)水分子之間共同構(gòu)成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定了伊馬替尼與酶的結(jié)合，發(fā)揮了很好的酶抑制活性。但是，耐藥者Abl激酶的Tyr253發(fā)生突變，影響了這些氫鍵網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致伊馬替尼的活性減弱。由此，藥物研究人員設(shè)想，盡管伊馬替尼的N-甲基哌嗪如預(yù)期地延伸到溶劑區(qū)，增加了水溶性，改善了藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，但是N-甲基哌嗪的周圍是一個(gè)疏水的口袋，排列著Val289、Met290、Val299和Ala380等親脂性氨基酸殘基。如果將親水的N-甲基哌嗪換成疏水性的結(jié)構(gòu)，增加和周圍疏水殘基的結(jié)合力，可能增加化合物對(duì)激酶的抑制作用，克服耐藥問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)伊馬替尼結(jié)構(gòu)中的甲酰胺基進(jìn)行了一個(gè)電子等排替換，改善與變異后的受體氫鍵結(jié)合情況。在此思路的指導(dǎo)下，最后優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在酰胺苯環(huán)上引入了親脂性較強(qiáng)的三氟甲基和較大極性的咪唑基，與酶的結(jié)合力大幅增強(qiáng)，活性增加，同時(shí)具有伊馬替尼一樣極佳的藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，于是得到了尼洛替尼12。

通過(guò)Discovery Studio作圖軟件顯示，伊馬替尼完全嵌入受體活性中心的疏水口袋中(圖4A)，從而發(fā)揮抑制磷酸化作用。伊馬替尼的N-甲基哌嗪基團(tuán)從口袋中伸出，與水接觸。由于哌嗪結(jié)構(gòu)具有較大極性，較好的水溶性，N-甲基哌嗪局部結(jié)構(gòu)改變了整個(gè)分子的水溶性，具有較優(yōu)的脂水分配系數(shù)，使得伊馬替尼有很好的藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，最終開(kāi)發(fā)成功。伊馬替尼與受體作用的2D圖(圖4B)則清晰地揭示了伊馬替尼起效的化學(xué)基礎(chǔ)：范德華力、氫鍵、電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物以及疏水作用等將小分子化合物伊馬替尼與受體蛋白結(jié)合在一起，從而引起受體構(gòu)象改變，啟動(dòng)下游生化反應(yīng)，抑制磷酸化。

圖4 DS顯示伊馬替尼與受體(PDB code:1IEP)作用圖(Discovery Studio v17.2.0.16349)

在伊馬替尼和尼洛替尼發(fā)現(xiàn)的案例中，表1所列的化學(xué)鍵、分子間作用力、立體效應(yīng)、電子效應(yīng)以及水溶性等概念都得到了體現(xiàn)，特別是借助Discovery Studio軟件，更加形象直觀地表現(xiàn)出來(lái)。這對(duì)于有機(jī)化學(xué)或者藥物化學(xué)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)無(wú)疑是有幫助的。

4 結(jié)語(yǔ)

有機(jī)化學(xué)是藥學(xué)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，特別是對(duì)于藥物化學(xué)的學(xué)習(xí)，而藥物化學(xué)則與藥物創(chuàng)新緊密相關(guān)。有機(jī)化學(xué)內(nèi)容龐雜，價(jià)鍵理論等內(nèi)容更是抽象深?yuàn)W，在有機(jī)化學(xué)教學(xué)過(guò)程中適時(shí)引入創(chuàng)新藥物研究的案例，特別是結(jié)合一些軟件使用，能讓學(xué)生對(duì)這些內(nèi)容有一個(gè)形象直觀的認(rèn)識(shí)，易于理解掌握，同時(shí)，也可以加深學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)作用的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。通過(guò)近年的教學(xué)實(shí)踐以及和學(xué)生的訪談分析，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不斷加強(qiáng)，相關(guān)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)掌握更為扎實(shí)。進(jìn)入專業(yè)課學(xué)習(xí)后，學(xué)生對(duì)自身作為藥學(xué)人的使命感增強(qiáng)，學(xué)習(xí)的參與程度和主動(dòng)積極性大大增加。