淺談創新藥物研究案例在有機化學教學中的應用

閔真立，王婷，陳亞軍，楊曦亮

武漢科技大學醫學院藥學系，武漢 430081

有機化學是研究有機化合物的結構、組成、物理化學性質、反應機理、合成方法以及應用的科學，是藥學專業的四大基礎化學課之一。有機化學也是藥學專業學生學好藥物化學、天然藥物化學、藥物分析等專業課程的基礎。有機化學因其理論晦澀難懂、內容繁雜等原因，通常也是藥學專業基礎化學教學的難點和痛點，學生普遍認為有機化學難記、難學、難用，因此學生學習興趣不高。另外，學生對有機化學與藥學的關系認識不足，對其學習輕視，也影響了學習效果。在有機化學教學中，如何使抽象枯燥的內容變得生動有趣，使難于記憶理解的知識變得易于接受和掌握，提高教學質量，是教師需要思考和解決的問題。

案例教學是一種重要的教學方法，具有形象、直觀的特點，在大學課堂被廣泛使用[1,2]。由于有機化學跟藥物研究之間聯系緊密，在教學過程中引入一些新藥物研發的案例，應用于有機化學課堂教學中，既能豐富教材內容，也使課堂教學更加形象、生動，或許是解決上述問題的方法之一。運用恰當，能讓學生感受有機化學在醫藥中的實際應用價值，理解生命物質、生命現象與有機化學的關系，激發學生學習熱情，收到很好的教學效果。

當然，有機化學內容龐雜，與新藥研究有關系的還包括藥物的合成、分離、鑒定等，本文僅就小分子創新藥物設計案例與有機化學相關內容教學做一些初步的探討。

1 有機化學與藥學的關系

藥學是一門基于化學和生命科學的發展而產生的交叉學科。化學闡明藥物作用的物質基礎，生命科學理論解釋藥物作用的機制。四大基礎化學，即有機化學、分析化學、無機化學和物理化學，是藥學專業學生學習的基礎課程，其中有機化學課程對藥學專業學生尤為重要。藥物的化學成分絕大部分都是有機物，從先導物的發現和結構優化，到后續的吸收、分布、代謝和起效等研究都跟有機化學有關。這些研究內容涉及藥學專業課程包括藥物化學、藥物分析、藥劑學、藥物代謝動力學、藥理學等。有機化學基礎的強弱會直接影響多門藥學專業課的學習效果[3–5]。

這些藥學專業課中，尤以藥物化學與有機化學的關系最為密切。藥物化學是新藥創制的龍頭學科[6]，而有機化學是學習藥物化學重要的前置課程。有機化學教學是基礎，藥物化學教學是其拓展與應用[7]，能加深對有機化學的認識。有機化學與藥物化學的教學過程有相通之處：大部分化學藥物本質上是有機化合物，結構明確，有特定的官能團。藥物的酸堿性、穩定性、吸收、分布、代謝等藥學性質都跟化學結構特別是官能團有關系，至于藥物的制備方法，則更是與藥物官能團的轉換有關系。而官能團的結構和性質是有機化學學習的重點。藥物的生物活性則與藥物的理化性質以及藥物的特定結構有關，這些也與有機化學相關。

2 有機化學與創新藥物設計的部分知識結合點

現代創新藥物設計理論認為，藥物分子與機體的酶或受體等重要蛋白質的特定部位結合，將酶的活性催化中心封閉，或使得受體介導的信號被傳導到下游或被阻斷，進而糾正機體的病理生理狀態，發揮藥效。這種藥物分子通過與重要功能靶蛋白結合而起效的機制又被形象地比喻為“鑰匙和鎖孔”的關系，小分子化學藥物是“鑰匙”，酶或受體是“鎖孔”，藥物與靶標之間通過形成化學鍵以及分子間作用力，發揮“鑰匙”上溝槽以及鋸齒作用，作用于“鎖孔”，產生藥效。

藥物分子與生物靶標之間的作用主要通過形成化學鍵以及分子間作用力等形式來實現，而這兩者是有機化學重要的教學內容。除此之外，還有一些內容也有很強的相關性，本文初步歸納如表1所示。

表1 有機化學部分知識點在創新藥物設計中的應用[8,9]

相關知識點在有機化學教學、藥物化學教學以及創新藥物實踐中都有關聯。這些知識點在有機化學教學過程中是抽象難懂的內容，但是，如果聯系到它們與新藥研究的關系，在進行相關內容教學時，適時引入例子則能使相關章節知識教學更具體、生動，易于學生掌握，能強化教學效果[10]。

立體效應是有機化學中很重要的一個概念，在官能團的反應活性差異比較、SN1和SN2反應機理等內容的教學中經常用到。這一概念在藥物創制過程中也有應用，經典的例子如腎上腺受體激動劑(圖1)，其結構中的取代基R隨著立體結構變大，位阻增大，生物活性從激動活性變成拮抗活性，1a是腎上腺受體激動劑，而1b則是α-腎上腺受體拮抗劑。電子效應包括誘導效應和共軛效應，又都可以分成供電子效應和吸電子效應，最終體現為官能團或有機化合物的電子云密度大小。在有機化學的教學中，它們涉及有機化合物官能團的反應活性，在藥物研究領域，基于電子效應以及結構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、原理被廣泛地應用于新藥設計中，經典的例子比如組胺H2受體拮抗劑西咪替丁、雷尼替丁等的發現。

圖1 化合物1–7的結構

光學異構、手性是有機化學中很重要的一部分內容，在有機化學課程中涉及一些基本概念和規則的教學?；衔锏氖中砸矊ζ渖锘钚源嬖谥薮笥绊懀钪睦泳褪恰胺磻！笔录?。“反應?！笔撬幬锏纳唐访?，其通用名為沙利度胺(圖1)，由于其化學結構中含有一個手性碳，所以有兩個異構體，(R)-沙利度胺3是一個鎮靜止吐良藥，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?！币酝庀w上市，用于治療孕婦的妊娠嘔吐，結果造成了數以萬計的新生兒肢體畸形的災難事件?！胺磻！笔录O大地促進了人們對有機化合物手性的認識和手性藥物的研究以及監管，此后上市的藥物，很少再出現這種生物學效應呈現極端差異的情況，更多是一個對應異構體無效或弱效，另一個對映異構體強效，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異構體幾乎無效。雙鍵的順反異構對于化合物發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，其順式異構體無生物活性。反式維甲酸6(圖1)是治療某一亞型白血病的藥物，而13-順式異構體7(圖1)則是治療嚴重痤瘡的藥物。

與時俱進的案例可能更容易引起共鳴，激發學生的興趣。2019年末爆發的新冠疫情在世界范圍內對人類造成了極大危害，數百萬人死亡。在這場與病毒搏斗的過程中，小分子化學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)和利托那韋構成的復方制劑，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，使其在體內維持較長的有效作用時間[13]。奈瑪特韋分子結構中有6個手性碳，光學異構體復雜，它們決定了與之相連的叔丁基、四氫吡咯駢合環丙烷以及丁內酰胺這些空間位阻較大的基團的伸展方向。研究表明新冠病毒蛋白酶Mpro活性催化中心有4個孔洞(P1–P4，圖2B)，正好能跟這三個具有立體效應的基團嵌合，另外一個嵌入的基團是三氟甲基。同時，奈瑪特韋的酰胺鍵能與該蛋白酶形成若干氫鍵，最關鍵的是蛋白酶Mpro的145位半胱氨酸Cys145的巰基能與奈瑪特韋的腈基發生加成反應，形成共價鍵[12,14]。正是因為小分子藥物與蛋白酶有多種作用，使得奈瑪特韋有較強的抑制病毒復制的作用。這個例子綜合體現了表1的多個知識點。在課程思政的教學改革背景下，對于有機化學或藥物化學的課程思政建設，抗新冠病毒藥物研究蘊含了值得深入挖掘的思政元素。

圖2 (A)奈瑪特韋化學結構及與靶酶結合方位；(B)奈瑪特韋靶與靶酶結合示意圖[12]

總之，在有機化學相關概念、知識點的教學過程中，引入這些例子，可以使相關概念具體化，也可使學生對這些知識點認識更深刻，引起其興趣。

3 結合相關軟件的創新藥物案例在教學中的應用

近年來，隨著計算機科學及基因組學、蛋白質組學等學科的快速發展，創新藥物研究的面貌正在發生深刻變化。計算機輔助藥物設計、人工智能輔助藥物開發等在新藥設計中的比重越來越大。相關軟件既是藥物開發的工具，也使得藥物與靶點的結合變得可視化，有機化學以及藥物化學等課程教學可以變得更豐富與生動。相關教師應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計算機更為直觀生動地呈現出來，不僅能提高學生對有機化學、藥物化學的興趣，還能讓學生更好地理解氫鍵、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發[17]。

在細胞信號轉導過程中，蛋白激酶能催化三磷酸腺苷ATP的γ-磷酸基轉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象的改變，啟動下游生化反應，將信號傳導下去，調控細胞的分化、增殖等過程。酪氨酸激酶是研究最充分的一種激酶，很多細胞的細胞膜上存在酪氨酸激酶受體，其活性過高是很多腫瘤發生的根本原因，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現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。進一步的結構優化發現，在二氨基苯基的苯環上引入6-甲基，由于位阻增加，化合物10的吡啶基嘧啶的構象改變，不能抑制蛋白激酶C(PKC)的活性，保留了對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，藥代動力學性質不佳，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，最終發現了伊馬替尼11。

圖3 伊馬替尼及尼洛替尼化學結構演變過程

伊馬替尼長時間使用后，大部分患者產生了耐藥問題，根本原因是患者的酪氨酸激酶域產生了點突變，與伊馬替尼的結合力減弱。為了克服耐藥問題，研究人員對伊馬替尼和Abl激酶結合的X射線晶體結構進行分析，結果發現伊馬替尼的吡啶和嘧啶占據了酶活性中心的深裂縫，這個區域本應為ATP所占據。伊馬替尼的吡啶與該區域的Met318形成一個氫鍵，酰胺基跟Glu286、Lys271、Asp381以及兩個水分子之間共同構成的氫鍵網絡穩定了伊馬替尼與酶的結合，發揮了很好的酶抑制活性。但是，耐藥者Abl激酶的Tyr253發生突變，影響了這些氫鍵網絡的穩定性，導致伊馬替尼的活性減弱。由此，藥物研究人員設想，盡管伊馬替尼的N-甲基哌嗪如預期地延伸到溶劑區，增加了水溶性，改善了藥代動力學性質，但是N-甲基哌嗪的周圍是一個疏水的口袋，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構，增加和周圍疏水殘基的結合力，可能增加化合物對激酶的抑制作用，克服耐藥問題。同時，對伊馬替尼結構中的甲酰胺基進行了一個電子等排替換，改善與變異后的受體氫鍵結合情況。在此思路的指導下，最后優化結構，在酰胺苯環上引入了親脂性較強的三氟甲基和較大極性的咪唑基，與酶的結合力大幅增強，活性增加，同時具有伊馬替尼一樣極佳的藥代動力學性質，于是得到了尼洛替尼12。

通過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)，從而發揮抑制磷酸化作用。伊馬替尼的N-甲基哌嗪基團從口袋中伸出，與水接觸。由于哌嗪結構具有較大極性，較好的水溶性，N-甲基哌嗪局部結構改變了整個分子的水溶性，具有較優的脂水分配系數，使得伊馬替尼有很好的藥代動力學性質，最終開發成功。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基礎：范德華力、氫鍵、電荷轉移復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合在一起，從而引起受體構象改變，啟動下游生化反應，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現的案例中，表1所列的化學鍵、分子間作用力、立體效應、電子效應以及水溶性等概念都得到了體現，特別是借助Discovery Studio軟件，更加形象直觀地表現出來。這對于有機化學或者藥物化學相關知識點的教學無疑是有幫助的。

4 結語

有機化學是藥學專業的重要基礎課程，特別是對于藥物化學的學習，而藥物化學則與藥物創新緊密相關。有機化學內容龐雜，價鍵理論等內容更是抽象深奧，在有機化學教學過程中適時引入創新藥物研究的案例，特別是結合一些軟件使用，能讓學生對這些內容有一個形象直觀的認識，易于理解掌握，同時，也可以加深學生對有機化學作用的認識，激發學習興趣，提升教學效果。通過近年的教學實踐以及和學生的訪談分析，筆者發現學生學習興趣不斷加強，相關章節的知識點掌握更為扎實。進入專業課學習后，學生對自身作為藥學人的使命感增強，學習的參與程度和主動積極性大大增加。