融入結構可視化與創新藥物案例的配位化學教學

謝周令，張茹，王琴，廖晨鐘,＊

1 合肥工業大學食品與生物工程學院，藥物科學與工程系，合肥 230009

2 安徽醫科大學第一附屬醫院耳鼻咽喉科頭頸外科，合肥 230022

創新藥物的研發是尋找具有自主知識產權的、結構新穎的或有全新治療用途的藥物，是一個國家醫藥科技創新實力的核心體現。2016年中共中央、國務院印發的《“健康中國2030”規劃綱要》明確提出要促進醫藥產業發展，加強醫藥技術創新。提高國家藥物創新能力顯然需要一大批能力卓越的藥學專業人才作為支撐。因此，如何培養高水平、高素質的藥學本科生和研究生，不斷適應醫藥科技發展變化，達到令人滿意的教育質量，這對于高等院校教師來說成了重要的命題。目前，藥學本科生教育大多秉承的方式是先開始基礎課程(如無機化學、分析化學、有機化學等)的學習，然后開展專業課程(如藥物化學、藥物分析、藥劑學等)的學習。這種培養方案固然符合本科生教學規律，但面臨的問題是，基礎課程的任課教師對藥物知識理解不夠，僅就課程內容本身開展講解，這導致學生在學習過程中無法領會基礎課程對藥學學科的支撐作用，也失去了在本科學習的早期構建藥物知識體系的機會，最終無法發揮教學的趣味性和專業特色。基于此分析，筆者認為針對若干大一大二學年的基礎化學課程如無機化學、分析化學和有機化學，在教學過程中應當充分重視化學結構可視化和創新藥物研發案例教育，幫助學生盡早了解化學結構的空間特性及相關知識在創新藥物研究中的重要作用，激發他們投身創新藥物研發事業的熱情。對非藥學專業(如化學專業)的學生來說，在本科早期階段給他們講授創新藥物研發的有關知識并鼓勵他們從事相關事業，可以讓學生盡早將所學知識與國家產業需求緊密結合，具有重要的教育意義。

無機化學是藥學或其他化學類本科生開設在大一第一學期的一門基礎化學課程，是銜接高中化學與大學化學的一門重要課程[1]。傳統的無機化學教學往往承襲高中化學教學的方式，重視計算和理論理解[2]；但是缺乏結構空間可視化的導入和與藥物研發的聯系。盡管絕大部分化學藥物都是有機分子，但仍然有不少藥物(如金屬鉑配合物)屬于無機化合物[3]。無機化學在藥物研發中的應用至今仍然發揮重要作用，尤其以金屬配位化合物最為突出。與有機分子不同，金屬配合物的獨特性體現在中心金屬離子的Lewis酸性、其氧化態的可變性、其配位化學的多樣性及其豐富的光譜學、磁學性質等，這些特性決定了其在醫藥方面的巨大應用潛力。配位化合物還可作為藥物探針來研究生物體內信號并應用于疾病的診斷[4]。另外，在金屬蛋白中，有機藥物也可能與其中的金屬離子形成配位化合物。

藥物與靶標的結合機制依賴于其相適配的三維空間結構。化學結構的可視化不僅可以提高教學的趣味性、開拓學生的眼界，也可以加深學生對“平面”知識的理解；更重要的是，通過相關可視化軟件的介紹和學習，與藥物研發案例交叉融合，學生能深刻理解藥物及其結合機制的背后邏輯，也為后續有機化學等課程的三維空間學習奠定基礎。

本文以無機化學課程中的配位化合物為例，詳細探討結構可視化和創新藥物案例融入教學中的可行性，提升教學的專業性、創新性、高階性，打通藥學本科教學課程之間的壁壘，為藥學本科生的化學基礎課程教學改革提供借鑒。

1 教學思想與設計

配位化學是無機化學的重要教學內容，配位化學的理論有力地促進了化學學科的發展，在醫藥等領域有著廣泛的應用[5,6]。因此，此章節內容非常適合與創新藥物教學進行交叉融合。配位化合物章節一般講授的內容包含5個知識點，即知識點1：配合物的定義、組成及命名，配體的分離以及配合物的分類；知識點2：配合物價鍵理論、晶體場理論；知識點3：外軌型以及內軌型配合物，配合物的磁性；知識點4：配合物的解離平衡；知識點5：配合物的應用。考慮到內容的適配性，我們主要在知識點1和5兩處進行新內容的融合。為此，我們制定了具體的融合思路和教學策略以供參考(表1)。

表1 在配位化合物教學知識點中融合可視化和創新藥物內容的思路

2 教學過程與案例

2.1 融入結構可視化的配位化合物教學

課本上配合物的插圖一般都是線狀二維結構，這不利于學生正確理解配合物的基本概念及組成。我們可以通過一些在創新藥物研發中常用的結構數據庫獲得需要的配合物的晶體結構，通過特定的可視化工具來清晰地觀察配合物的配位數、中心原子、配體及配位鍵等情況。在課堂教學配合物的第一個知識點時，可以協同講授這些數據庫和工具，并輔以實例介紹，可以達到相輔相成的教學效果。本文推薦的課堂演示的數據庫是劍橋晶體數據中心(CCDC)[7]和蛋白質結構數據庫(PDB)[8]，可視化工具是UCSF Chimera[9]。其中PDB和CCDC也可以進行可視化演示。

CCDC是唯一基于X光和中子衍射實驗的小分子及金屬有機分子晶體的結構數據庫[10]。使用客戶端軟件CCDC ConQuest(圖1A)可以方便地搜索各類小分子及金屬有機分子的晶體三維結構。PDB是目前最主要的收集生物大分子三維結構的數據庫，是通過X射線單晶衍射等實驗手段確定的蛋白質等生物大分子三維結構數據庫(圖1B)。PDB也收錄了很多小分子與生物大分子的共晶復合結構，如金屬酶及其抑制劑的共晶復合結構[11]。因此，我們可以搜索需要的金屬酶，然后下載共晶復合物的晶體結構供分析使用。UCSF Chimera是一款免費的交互可視化軟件，主要用于蛋白質三維結構的分析。利用它可以觀察從CCDC和PDB下載到的小分子以及大分子晶體結構(圖1C)[12]。

圖1 (A)CCDC ConQuest軟件界面；(B)PDB網站界面；(C)UCSF Chimera軟件界面

需要注意的是，這三個工具都需要一定的訓練才能熟練使用。我們教學過程中會在課堂花少量時間進行介紹，在課中及課后用實例演練(如搜索后續講的順鉑和卡鉑)的方式指導學生學習使用。這樣，大一的新生就可以使用專業工具來觀察配合物的三維空間結構，以及藥物與金屬離子及蛋白的配合和其他相互作用。

【課堂示例】演示鋅作為中心原子，觀察其配位數，包括3(圖2A)、4(圖2B)、5(圖2C)和6(圖2D)。如需要查詢金屬鋅的配合物，可以在CCDC ConQuest軟件界面的“Build Queries”的Draw標簽輸入“Zn”，單擊“Search”按鈕，程序就顯示在數據庫中的搜尋過程，并顯示搜尋結果，結果可以在View Results中顯示，也可以下載，用于其他應用程序，如UCSF Chimera。如果要縮小查詢結果，我們可以建立更加復雜的Queries。

圖2 鋅的配位數為3(A，CSD Refcode SAZCON)、4(B，CSD Refcode BIFZIZ)、5(C，CSD Refcode ACACZM)和6(D，CSD Refcode AQNCZN)的晶體結構

2.2 配位化合物與創新藥物教學

2.2.1 無機配合物藥物

利用金屬離子，特別是過渡金屬離子形成配合物的能力，可以開發藥物，用于疾病的診斷與治療。多種金屬，如鉑、金、鈦、釕等的配合物表現出顯著的抗腫瘤能力[13]。一些金屬的配合物具有治療風濕性關節炎、胃潰瘍、糖尿病的療效；另外，還可以作為光敏劑、核磁共振造影劑等應用于疾病的診斷[14]。此外，無機配合物藥物還可以用于解毒或微量元素補充。如果金屬中毒，可通過服用螯合劑，使其與金屬離子生成配合物，便于排出體外。如鉛中毒可服用枸櫞酸鈉，形成可溶的[Pb(C6H5O7)]-配合物離子通過腎臟排出體外。如果體內缺乏必需的金屬元素，可補充配離子，而不是直接補充金屬離子，這樣能避免金屬離子對腸胃的刺激，也有利于吸收。例如缺鐵，不是補充硫酸亞鐵，而是常補充葡萄糖酸鐵，或者血紅素鐵。

【課堂示例】以順鉑和卡鉑(圖3A)為代表的鉑類抗癌藥物在臨床上使用十分廣泛，它們的三維結構可以在CCDC中搜索到，并用UCSF Chimera演示，如圖3B所示。順鉑通過一定方式進入細胞后水解，生成水合物，進攻DNA鏈上的鳥嘌呤或者腺嘌呤的7位氮原子，形成新的配合物(交聯產物，圖3C)，改變了DNA的結構，成功地阻斷DNA的復制和轉錄。

圖3 (A)順鉑和卡鉑的結構式；(B)在CCDC搜索到的順鉑和卡鉑的晶體結構；(C)順鉑在體內與DNA的鳥嘌呤形成了新的配合物(PDB ID：6U2O)

順鉑與DNA共晶結構已存儲在PDB數據庫中。搜索下載方法：在PDB數據庫官網界面的搜索框輸入鉑縮寫Pt，在出現的結果中的左邊欄的Scientific Name of Source Organism選擇Homo sapiens，Polymer Entity Type選擇DNA，再在結果中選擇下載代碼為6U2O的共晶結構，下載后用UCSF Chimera打開演示。

通過金屬鉑中心原子的配體改造，可以改變鉑配合物與DNA的結合方式，并有可能克服目前臨床上應用的鉑類抗癌藥物的耐藥性。因此，尋找低毒、可口服的、無耐藥性的鉑類抗癌藥物仍然是新藥研發的重點之一，而這種尋找的過程則需要對配合物知識的深刻理解。

2.2.2 生物體中的配合物與創新藥物

人體生命活動的正常運轉需要各種金屬離子的參與，有趣的是，它們往往以配合物的形式存在。生物體中的配合物主要由金屬離子和生物配體構成，生物配體可以是蛋白質、肽、核酸和糖等。一些維生素和激素的小分子也屬生物配體。例如，血紅蛋白、葉綠素和維生素B12都是配合物，它們在生物體中發揮重要的生理作用。如果體內金屬離子的平衡被打破，就可能導致各種疾病。

金屬蛋白是一類需要一種或幾種金屬離子參與才能完成其在生物體內功能的蛋白質。金屬酶是金屬蛋白家族中重要的一部分，大約三分之一的酶是金屬酶，它們具有重要的生理功能[15]。在這些蛋白質中，金屬離子通常為活性中心，它們與活性中心氨基酸殘基中的氧、氮、硫原子螯合。金屬酶種類繁多，常見的是含鋅、鐵、銅的金屬酶。

以金屬蛋白為靶標開發藥物已取得重要的成果。一批抗癌藥物、抗病毒感染藥物、抗高血壓藥物的靶標都是金屬蛋白[16]。由于金屬蛋白中金屬離子處在活性位點且對蛋白質空間構象有重要影響，故很多藥物是與金屬離子形成配位鍵，增強藥物親和力，從而達到抑制或調控蛋白活性的作用。在課堂中我們結合代表性藥物來介紹金屬中心原子的配位情況。

【課堂示例】乙酰唑胺(Acetazolamide)為碳酸酐酶(CA，鋅酶)抑制劑，主要用作利尿藥[17]。在PDB網頁界面的搜索框輸入PDB代號4G0C，在得到的結果頁中下載PDB文件4G0C.pdb，用UCSF Chimera打開觀察，可發現CA中的鋅離子與三個組氨酸殘基和乙酰唑胺的磺酰胺基共四個氮原子形成配位數為4、空間結構為四面體的配合物(圖4A)。

圖4 (A)乙酰唑胺在CA中與鋅離子的配位；(B)比克替拉韋在HIV-1 integrase中與2個鎂離子的配位

【課堂示例】比克替拉韋(Bictegravir)為HIV-1整合酶(HIV-1 integrase，鎂酶)抑制劑，用于艾滋病的治療[18]。在PDB網頁界面的搜索框輸入PDB代號6PUW，在得到的結果頁中下載PDB文件6PUW.pdb，用UCSF Chimera打開觀察，可發現催化位點中的2個鎂離子分別與比克替拉韋中的3個氧原子，殘基Asp64、Asp116及Glu152中的5個氧原子，3個水分子中的3個氧原子形成2個配合物，配位數均為6，配合物的空間結構均為八面體(圖4B)。

2.2.3 生物體中的配合物與中國創新藥物

近年來，中國的新藥研發實力提升迅速，在金屬酶領域也取得了一定的突破。例如，氫溴酸氘瑞米德韋片(VV116)是2023年在國內獲批的抗新冠藥物，其靶點RNA依賴性的RNA聚合酶(RNAdependent RNA Polymerase)的活性位點就有兩個鎂離子。針對金屬蛋白靶點，還有其他一些本土創新藥物案例，我們選擇由深圳微芯研發的西達本胺進行介紹。

【課堂示例】西達本胺(Chidamide，圖5A)[19]是深圳微芯生物科技有限公司獨家發現且具有全球專利保護的國家I類原創化學新藥，也是全球首個亞型選擇性組蛋白去乙酰化酶(HDAC)口服抑制劑，屬于機制新穎的表觀遺傳調控劑類藥物。2014年12月，西達本胺獲原國家食品藥品監督管理總局批準用于外周T細胞淋巴瘤治療，填補了我國該治療領域的空白。2019年11月，西達本胺獲國家藥品監督管理局批準，用于乳腺癌的治療，成為全球首個以實體腫瘤為適應癥獲批的表觀遺傳調控機制類藥物。同時，西達本胺單藥及聯合其他抗腫瘤藥物針對血液腫瘤、實體瘤及HIV的臨床研究正在美國、日本、中國等地同步開展。在PDB數據庫中可找到西達本胺類似物與HDAC2的共晶結構(5IWG)，下載后用UCSF Chimera打開觀察，可發現催化位點中的1個鋅離子分別與化合物中的1個氧原子和1個氮原子，殘基Asp269、Asp181中的2個氧原子，His183中的1個氮原子形成1個配合物，配位數為5，配合物的空間結構為三角雙錐(圖5B)。

圖5 (A)西達本胺的結構式；(B)西達本胺類似物與HDAC2的結合模式及與鋅離子的螯合模式(PDB ID：5IWG)

3 結語

本文以無機化學課程中的配合物教學為例，巧妙融入三維結構可視化和創新藥物案例兩個新的教學范式，充分體現大學基礎化學課程和藥物研發的密切聯系及其對藥學研發知識體系的支撐，提供了一種科教融合教學新模式。這種教學模式可以讓學生在本科學習的早期階段開始逐步構建創新藥物研發知識體系，達到學科領域啟蒙的目的。這種教學方式對藥學專業本科生尤其重要，可以盡早地讓學生樹立專業自信，觸及藥物研發魅力，提升學生學習的興趣和動力。我們的教學思路是在配合物的定義、概念和結構教學環節加入三維結構可視化數據庫和軟件工具的介紹，并通過演示加深學生對配合物的空間特征理解。另外，通過相關數據庫和軟件工具的介紹，可以拓展教學維度，讓學生課后能進一步熟悉各類化學物質的空間結構，甚至能在后續的有機化學、藥物化學等課程的學習中運用。在配合物的應用教學環節，我們加入創新藥物研發案例，輔以三維可視化工具，可以清晰地觀察藥物與作用靶點之間的配位鍵形成狀態，揭示無機配合物藥物和作用于生物體中配合物藥物的背后機理。另外，我們還重視中國當代新藥創新研制案例的導入，激發學生的民族自信和科研自信，達到課程思政教育的目的。除了配合物章節，無機化學中的酸堿平衡、化學鍵等章節也可以很好地與結構可視化和創新藥物進行融合教學。

盡管這種新模塊的融合教學整體是有益的，但在實際教學過程中仍然有諸多細節需要進一步完善。比如，在規定的課時中，如何合理地分配教學時間，保證新增融合內容的教學質量？如何調動學生的課后時間并有效考查學生對新增融合內容的掌握情況？由于創新藥物研發知識的復雜性，如何讓大一本科生在毫無專業知識儲備的情況下做到深入淺出的理解？這些都需要我們在教學實踐中不斷改進，最終獲得最優的教學效果。