CADD技術(shù)在藥物合成課程中的應(yīng)用

毛蓓蓓，董文亮，馬 艷，曹江營，劉玉紅

（山東中醫(yī)藥大學(xué)，山東 濟(jì)南 250355）

藥物合成是藥學(xué)、藥物制劑、制藥工程等藥學(xué)相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，是藥學(xué)本科課程體系中有機(jī)化學(xué)、藥物化學(xué)和制藥工藝學(xué)之間的橋梁課程。

藥物合成課程中包括的反應(yīng)類型較多、內(nèi)容繁雜，特別是反應(yīng)機(jī)理、空間效應(yīng)等內(nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)存在一定困難；同時(shí)，藥物合成課程理論性較強(qiáng)的特點(diǎn)也不容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情。因此，藥物合成課程需要有新的教學(xué)方式或新的技術(shù)方法來提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也有利于課程重難點(diǎn)突破。

計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)（Computer-aided Drug Design，CADD）即利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算、邏輯判斷、圖形顯示等功能為輔助手段進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)，現(xiàn)已成為藥物發(fā)現(xiàn)中不可或缺的重要手段。CADD具有前沿性和可視化的特點(diǎn)，不僅是藥物研發(fā)的利器，也是藥學(xué)領(lǐng)域科技成果展示的工具，其高端的圖形或圖像顯示生動(dòng)形象，易于學(xué)生接受和理解。本文探索了CADD常用的軟件和合成反應(yīng)數(shù)據(jù)庫等在藥物合成課程中的應(yīng)用，以解決藥物合成課程教學(xué)中存在的問題。

1 藥物合成課程教學(xué)中存在的問題

藥物合成課程以化學(xué)小分子合成藥物為對象，研究反應(yīng)底物內(nèi)在的結(jié)構(gòu)因素與反應(yīng)條件之間的辯證關(guān)系，探討藥物合成反應(yīng)的客觀規(guī)律與特殊性質(zhì)，并進(jìn)行邏輯分析，用來指導(dǎo)合成方法，主要包括逆合成分析、反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)底物結(jié)構(gòu)、反應(yīng)條件與方向、反應(yīng)的主要影響因素、應(yīng)用范圍與限制等方面[1]。目前，在藥物合成課程教學(xué)中主要存在以下問題。

1.1 反應(yīng)機(jī)理難理解

反應(yīng)機(jī)理作為藥物合成課程的重要部分，反映了反應(yīng)的本質(zhì)，也是理解和掌握某一系列反應(yīng)的精髓，既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。反應(yīng)機(jī)理的掌握有助于解釋眾多的反應(yīng)產(chǎn)物和現(xiàn)象，還可根據(jù)反應(yīng)機(jī)理預(yù)測出正確的反應(yīng)產(chǎn)物和構(gòu)型，要求學(xué)生對于一個(gè)反應(yīng)不僅要知其然，更要知其所以然。

藥物合成課程中涉及的反應(yīng)機(jī)理眾多，主要包括碳正離子、碳負(fù)離子、碳自由基、親電機(jī)理、親核機(jī)理、SN1、SN2、卡賓，等等。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍反映對于反應(yīng)機(jī)理的掌握相對困難，多數(shù)學(xué)生在教師講解時(shí)能夠明白，但自己運(yùn)用時(shí)就不知從何下手，也有部分學(xué)生可以寫出反應(yīng)機(jī)理的大概輪廓，但書寫不嚴(yán)謹(jǐn)、格式不規(guī)范。因此，在該部分教學(xué)中需要更加注重對機(jī)理進(jìn)行形象、細(xì)致的解釋，便于學(xué)生理解，并且強(qiáng)調(diào)反應(yīng)機(jī)理書寫的規(guī)范性。同時(shí)也反映出，學(xué)生對于該部分知識的強(qiáng)化程度不夠，只停留在看和聽的層面，沒有切實(shí)進(jìn)行動(dòng)腦思考和動(dòng)手書寫。

1.2 立體效應(yīng)、空間位阻概念抽象

很多藥物合成反應(yīng)受到立體效應(yīng)、空間位阻的影響，從而有不同的反應(yīng)機(jī)理，可能得到不同的產(chǎn)物。例如，鹵化反應(yīng)中鹵素對烯烴的加成、不飽和羧酸的鹵內(nèi)酯化反應(yīng)、醇的鹵置換反應(yīng)，烴化反應(yīng)中醇的氧烴化、胺的還原烴化、羥乙基化反應(yīng)，縮合反應(yīng)中的Knovenagel反應(yīng)、羰基烯化反應(yīng)等，以上反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與收率均與空間位阻大小有關(guān)。而立體效應(yīng)、空間位阻的概念相對抽象，單純的平面圖形講解對于空間想象力有限的學(xué)生顯然不夠，這就導(dǎo)致學(xué)生對于涉及空間效應(yīng)的反應(yīng)掌握起來比較困難。一些相對簡單的模型我們可以使用教具代替，幫助學(xué)生理解和認(rèn)識。但是對于復(fù)雜的反應(yīng)物、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，一般教具很難替代，這成為藥物合成課程教學(xué)中需要解決的問題。

1.3 教學(xué)方式不夠多樣，學(xué)生興致不高

藥物合成課程多采用傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合的方式，雖然多媒體教學(xué)相對于傳統(tǒng)教學(xué)在圖片、動(dòng)畫、色彩等方面都有利于吸引學(xué)生注意力，但隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體的引入已經(jīng)不足以激發(fā)學(xué)生的求知欲。近年來，陸續(xù)有新的教學(xué)方式引入藥物合成課程教學(xué)中。蘇適等[2]為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，引入“慕課+翻轉(zhuǎn)課堂”混合教學(xué)模式；李婧等[3]通過線上線下混合式教學(xué)實(shí)踐，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中自主探索知識；運(yùn)用知識；郝東等[4]、陳寶泉等[5]分別將構(gòu)建立體化教材和案例教學(xué)法運(yùn)用到藥物合成課程教學(xué)中，也收到了良好效果。由此可見，單一的教學(xué)方式已經(jīng)不能跟隨新時(shí)代學(xué)生的步伐，新技術(shù)、新形式的引入已成為必然趨勢，需要進(jìn)一步探索藥物合成課程的優(yōu)化和改革。

2 CADD技術(shù)在藥學(xué)相關(guān)學(xué)科的應(yīng)用現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)是在合理藥物設(shè)計(jì)探索中迅速發(fā)展起來的一種新藥研究與開發(fā)技術(shù)，是藥學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)、數(shù)學(xué)及物理學(xué)等多學(xué)科交叉、滲透和融合的前沿學(xué)科。在新藥研發(fā)方面，CADD技術(shù)在靶點(diǎn)的識別和確證、藥物成藥性預(yù)測和評價(jià)中都發(fā)揮著重要作用[6]；在中藥及天然產(chǎn)物研究方面，CADD技術(shù)對中藥數(shù)據(jù)庫和天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)庫的建立、多組分多靶點(diǎn)藥物的開發(fā)、中藥和天然產(chǎn)物作用機(jī)制的闡明及中藥的現(xiàn)代化有著重要意義[7-8]。

CADD技術(shù)在藥學(xué)相關(guān)課程中的運(yùn)用也在不斷被挖掘。蘇丹等[9]將計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)引入藥物化學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)中，在四氫葉酸合成酶的內(nèi)容講解中，通過對ZINC和PUBMED等小分子藥物數(shù)據(jù)庫的檢索，選用PHASE軟件構(gòu)建藥效團(tuán)，采用AUTODOCK軟件將藥物小分子與蛋白進(jìn)行分子對接模擬，考查磺胺類藥物小分子和四氫葉酸合成酶之間的相互作用，加深學(xué)生對藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)與作用靶點(diǎn)蛋白的認(rèn)識。史磊等[10]將CADD技術(shù)應(yīng)用到天然藥物化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，使用vmd，Pymol，studio等圖形界面軟件，將黃酮類天然藥物分子以二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為三維結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上的旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)，使學(xué)生更加形象地認(rèn)識黃酮結(jié)構(gòu)，同時(shí)準(zhǔn)確判斷其平面結(jié)構(gòu)與非平面結(jié)構(gòu)，提升了教學(xué)效果及學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。CADD技術(shù)作為與時(shí)俱進(jìn)的前沿技術(shù)，在教學(xué)研究等方面均發(fā)揮著重要作用。目前，CADD技術(shù)應(yīng)用于藥學(xué)相關(guān)專業(yè)教學(xué)中的實(shí)踐還較為有限，有待進(jìn)一步探索。

3 CADD技術(shù)在藥物合成課程中的應(yīng)用初探

3.1 ChemDraw在藥物合成課程中的應(yīng)用

Chemoffice是化合物分子式和結(jié)構(gòu)式的專業(yè)處理軟件，集強(qiáng)大的應(yīng)用于一身，是化學(xué)、藥學(xué)工作者的必備軟件，其中ChemDraw模塊是使用最為頻繁的組件。將ChemDraw應(yīng)用于藥物合成課程教學(xué)當(dāng)中，引導(dǎo)學(xué)生使用專業(yè)工具完成合成路線、反應(yīng)機(jī)理、雜化軌道的規(guī)范書寫與繪制，并且將參與反應(yīng)的原子、官能團(tuán)、電子轉(zhuǎn)移等通過不同顏色、不同形式進(jìn)行標(biāo)記操作，增強(qiáng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。特別是反應(yīng)機(jī)理部分是藥物合成學(xué)習(xí)中的重難點(diǎn)，學(xué)生通過ChemDraw自己繪制反應(yīng)機(jī)理圖，并進(jìn)行區(qū)分、標(biāo)注，有助于學(xué)生對電子轉(zhuǎn)移的理解。此外，在學(xué)習(xí)簡單藥物的合成時(shí)，會(huì)擴(kuò)展到該藥物的實(shí)驗(yàn)室合成方法，如局部麻醉藥苯佐卡因的合成、解熱鎮(zhèn)痛藥對乙酰氨基酚的合成等，可以結(jié)合ChemDraw的繪制反應(yīng)裝置功能，對實(shí)驗(yàn)室制備過程進(jìn)行講解，激發(fā)學(xué)生對合成實(shí)驗(yàn)的興趣。

3.2 三維結(jié)構(gòu)模型在反應(yīng)空間立體效應(yīng)方面的應(yīng)用

利用Sybyl軟件或Chemoffice中的Chem3D模塊可實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)模型展示，對于存在立體效應(yīng)或空間位阻大小比較的反應(yīng)，三維結(jié)構(gòu)模型相對于平面圖形的展示更具體、更形象，并且對學(xué)生空間想象力的要求低，有助于學(xué)生理解反應(yīng)立體化學(xué)問題，判斷空間位阻大小。例如，不飽和羧酸的鹵內(nèi)酯化反應(yīng)的機(jī)理，首先鹵素X2從環(huán)己烯雙鍵位阻較小的一側(cè)進(jìn)攻，形成過渡態(tài)鹵鎓離子，羧基氧離子再于另一側(cè)對鎓離子三元環(huán)進(jìn)行親核進(jìn)攻，最后生成含有3個(gè)手性中心的鹵代五元內(nèi)酯（如圖1所示）。我們通過計(jì)算機(jī)輔助軟件將過渡態(tài)鹵鎓離子進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)模型展示（見圖2），與其平面結(jié)構(gòu)相比，更直觀地確定鹵鎓離子形成在與羧酸相反的位阻較小的一側(cè)，并且展示出碳鹵鍵斷裂和碳氧鍵形成的位置，更容易準(zhǔn)確寫出產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。

圖1 不飽和羧酸的鹵內(nèi)酯化反應(yīng)的機(jī)理

圖2 過渡態(tài)鹵鎓離子的三維結(jié)構(gòu)模型

3.3 分子對接技術(shù)在藥物合成課程中的應(yīng)用

在講解藥物的合成路線方法時(shí)，可擴(kuò)展其分子作用機(jī)制，用Sybyl、Pymol等軟件展示藥物和靶點(diǎn)的相互作用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生全面掌握知識內(nèi)容，有助于知識網(wǎng)絡(luò)的形成和梳理。例如，在講解鹵化反應(yīng)中芳烴的鹵取代在藥物合成中的應(yīng)用時(shí)，通過抗腫瘤藥胸苷酸合成酶抑制劑氟尿嘧啶的合成，擴(kuò)展相關(guān)藥物二氫葉酸還原酶抑制劑甲氨蝶呤，同時(shí)引入這兩種抑制劑與其靶點(diǎn)蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，通過分析藥物分子與靶點(diǎn)蛋白之間的相互作用，從分子水平上解釋氟尿嘧啶和甲氨蝶呤能夠發(fā)揮藥效的作用機(jī)制。

3.4 合成反應(yīng)信息數(shù)據(jù)庫在藥物合成課程中的應(yīng)用

Chemoffice中的Chemfinder模塊具有搜尋反應(yīng)的功能，可根據(jù)反應(yīng)物、產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行模糊搜索和精確搜索，得到符合條件的反應(yīng)類型。除Chemfinder外，可用的免費(fèi)合成反應(yīng)數(shù)據(jù)庫有：有機(jī)化學(xué)門戶（http：//www.organic-chemistry.org/），可進(jìn)行關(guān)鍵詞搜索，參考文獻(xiàn)全面；WebReactions（http://www.webreactions.net/），需要畫出一個(gè)完整反應(yīng)，系統(tǒng)可自動(dòng)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)中心，針對反應(yīng)中心的反應(yīng)進(jìn)行相似性搜索；有機(jī)合成手冊O(shè)rganic Synthesis在線版（http://www.orgsyn.org/），支持結(jié)構(gòu)搜索，提供的文獻(xiàn)能夠重復(fù)。在藥物合成課程教學(xué)中引入以上合成反應(yīng)信息數(shù)據(jù)庫，將課上講解和課下學(xué)生自己動(dòng)手搜索相關(guān)反應(yīng)相結(jié)合，能夠強(qiáng)化知識內(nèi)容，有利于學(xué)生掌握對某一反應(yīng)類型的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)舉一反三。

4 結(jié)語

藥物合成是藥學(xué)等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，針對藥物合成課程教學(xué)中的重難點(diǎn)，同時(shí)為提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，將CADD技術(shù)通過可視化軟件和反應(yīng)數(shù)據(jù)庫等形式引入藥物合成課程教學(xué)中，并對教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行初步探索，從而提升教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，為藥物合成課程教學(xué)改革提供新方向。