融入結(jié)構(gòu)可視化與創(chuàng)新藥物案例的配位化學(xué)教學(xué)

謝周令，張茹，王琴，廖晨鐘,＊

1 合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，藥物科學(xué)與工程系，合肥 230009

2 安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院耳鼻咽喉科頭頸外科，合肥 230022

創(chuàng)新藥物的研發(fā)是尋找具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、結(jié)構(gòu)新穎的或有全新治療用途的藥物，是一個(gè)國(guó)家醫(yī)藥科技創(chuàng)新實(shí)力的核心體現(xiàn)。2016年中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》明確提出要促進(jìn)醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加強(qiáng)醫(yī)藥技術(shù)創(chuàng)新。提高國(guó)家藥物創(chuàng)新能力顯然需要一大批能力卓越的藥學(xué)專業(yè)人才作為支撐。因此，如何培養(yǎng)高水平、高素質(zhì)的藥學(xué)本科生和研究生，不斷適應(yīng)醫(yī)藥科技發(fā)展變化，達(dá)到令人滿意的教育質(zhì)量，這對(duì)于高等院校教師來(lái)說(shuō)成了重要的命題。目前，藥學(xué)本科生教育大多秉承的方式是先開(kāi)始基礎(chǔ)課程(如無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等)的學(xué)習(xí)，然后開(kāi)展專業(yè)課程(如藥物化學(xué)、藥物分析、藥劑學(xué)等)的學(xué)習(xí)。這種培養(yǎng)方案固然符合本科生教學(xué)規(guī)律，但面臨的問(wèn)題是，基礎(chǔ)課程的任課教師對(duì)藥物知識(shí)理解不夠，僅就課程內(nèi)容本身開(kāi)展講解，這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中無(wú)法領(lǐng)會(huì)基礎(chǔ)課程對(duì)藥學(xué)學(xué)科的支撐作用，也失去了在本科學(xué)習(xí)的早期構(gòu)建藥物知識(shí)體系的機(jī)會(huì)，最終無(wú)法發(fā)揮教學(xué)的趣味性和專業(yè)特色?；诖朔治?，筆者認(rèn)為針對(duì)若干大一大二學(xué)年的基礎(chǔ)化學(xué)課程如無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和有機(jī)化學(xué)，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)充分重視化學(xué)結(jié)構(gòu)可視化和創(chuàng)新藥物研發(fā)案例教育，幫助學(xué)生盡早了解化學(xué)結(jié)構(gòu)的空間特性及相關(guān)知識(shí)在創(chuàng)新藥物研究中的重要作用，激發(fā)他們投身創(chuàng)新藥物研發(fā)事業(yè)的熱情。對(duì)非藥學(xué)專業(yè)(如化學(xué)專業(yè))的學(xué)生來(lái)說(shuō)，在本科早期階段給他們講授創(chuàng)新藥物研發(fā)的有關(guān)知識(shí)并鼓勵(lì)他們從事相關(guān)事業(yè)，可以讓學(xué)生盡早將所學(xué)知識(shí)與國(guó)家產(chǎn)業(yè)需求緊密結(jié)合，具有重要的教育意義。

無(wú)機(jī)化學(xué)是藥學(xué)或其他化學(xué)類本科生開(kāi)設(shè)在大一第一學(xué)期的一門基礎(chǔ)化學(xué)課程，是銜接高中化學(xué)與大學(xué)化學(xué)的一門重要課程[1]。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)往往承襲高中化學(xué)教學(xué)的方式，重視計(jì)算和理論理解[2]；但是缺乏結(jié)構(gòu)空間可視化的導(dǎo)入和與藥物研發(fā)的聯(lián)系。盡管絕大部分化學(xué)藥物都是有機(jī)分子，但仍然有不少藥物(如金屬鉑配合物)屬于無(wú)機(jī)化合物[3]。無(wú)機(jī)化學(xué)在藥物研發(fā)中的應(yīng)用至今仍然發(fā)揮重要作用，尤其以金屬配位化合物最為突出。與有機(jī)分子不同，金屬配合物的獨(dú)特性體現(xiàn)在中心金屬離子的Lewis酸性、其氧化態(tài)的可變性、其配位化學(xué)的多樣性及其豐富的光譜學(xué)、磁學(xué)性質(zhì)等，這些特性決定了其在醫(yī)藥方面的巨大應(yīng)用潛力。配位化合物還可作為藥物探針來(lái)研究生物體內(nèi)信號(hào)并應(yīng)用于疾病的診斷[4]。另外，在金屬蛋白中，有機(jī)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(biāo)的結(jié)合機(jī)制依賴于其相適配的三維空間結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)的可視化不僅可以提高教學(xué)的趣味性、開(kāi)拓學(xué)生的眼界，也可以加深學(xué)生對(duì)“平面”知識(shí)的理解；更重要的是，通過(guò)相關(guān)可視化軟件的介紹和學(xué)習(xí)，與藥物研發(fā)案例交叉融合，學(xué)生能深刻理解藥物及其結(jié)合機(jī)制的背后邏輯，也為后續(xù)有機(jī)化學(xué)等課程的三維空間學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

本文以無(wú)機(jī)化學(xué)課程中的配位化合物為例，詳細(xì)探討結(jié)構(gòu)可視化和創(chuàng)新藥物案例融入教學(xué)中的可行性，提升教學(xué)的專業(yè)性、創(chuàng)新性、高階性，打通藥學(xué)本科教學(xué)課程之間的壁壘，為藥學(xué)本科生的化學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革提供借鑒。

1 教學(xué)思想與設(shè)計(jì)

配位化學(xué)是無(wú)機(jī)化學(xué)的重要教學(xué)內(nèi)容，配位化學(xué)的理論有力地促進(jìn)了化學(xué)學(xué)科的發(fā)展，在醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[5,6]。因此，此章節(jié)內(nèi)容非常適合與創(chuàng)新藥物教學(xué)進(jìn)行交叉融合。配位化合物章節(jié)一般講授的內(nèi)容包含5個(gè)知識(shí)點(diǎn)，即知識(shí)點(diǎn)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(shí)點(diǎn)2：配合物價(jià)鍵理論、晶體場(chǎng)理論；知識(shí)點(diǎn)3：外軌型以及內(nèi)軌型配合物，配合物的磁性；知識(shí)點(diǎn)4：配合物的解離平衡；知識(shí)點(diǎn)5：配合物的應(yīng)用。考慮到內(nèi)容的適配性，我們主要在知識(shí)點(diǎn)1和5兩處進(jìn)行新內(nèi)容的融合。為此，我們制定了具體的融合思路和教學(xué)策略以供參考(表1)。

表1 在配位化合物教學(xué)知識(shí)點(diǎn)中融合可視化和創(chuàng)新藥物內(nèi)容的思路

2 教學(xué)過(guò)程與案例

2.1 融入結(jié)構(gòu)可視化的配位化合物教學(xué)

課本上配合物的插圖一般都是線狀二維結(jié)構(gòu)，這不利于學(xué)生正確理解配合物的基本概念及組成。我們可以通過(guò)一些在創(chuàng)新藥物研發(fā)中常用的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)獲得需要的配合物的晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)特定的可視化工具來(lái)清晰地觀察配合物的配位數(shù)、中心原子、配體及配位鍵等情況。在課堂教學(xué)配合物的第一個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以協(xié)同講授這些數(shù)據(jù)庫(kù)和工具，并輔以實(shí)例介紹，可以達(dá)到相輔相成的教學(xué)效果。本文推薦的課堂演示的數(shù)據(jù)庫(kù)是劍橋晶體數(shù)據(jù)中心(CCDC)[7]和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(PDB)[8]，可視化工具是UCSF Chimera[9]。其中PDB和CCDC也可以進(jìn)行可視化演示。

CCDC是唯一基于X光和中子衍射實(shí)驗(yàn)的小分子及金屬有機(jī)分子晶體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)[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(jī)分子的晶體三維結(jié)構(gòu)。PDB是目前最主要的收集生物大分子三維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)，是通過(guò)X射線單晶衍射等實(shí)驗(yàn)手段確定的蛋白質(zhì)等生物大分子三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(圖1B)。PDB也收錄了很多小分子與生物大分子的共晶復(fù)合結(jié)構(gòu)，如金屬酶及其抑制劑的共晶復(fù)合結(jié)構(gòu)[11]。因此，我們可以搜索需要的金屬酶，然后下載共晶復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)供分析使用。UCSF Chimera是一款免費(fèi)的交互可視化軟件，主要用于蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)(圖1C)[12]。

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

需要注意的是，這三個(gè)工具都需要一定的訓(xùn)練才能熟練使用。我們教學(xué)過(guò)程中會(huì)在課堂花少量時(shí)間進(jìn)行介紹，在課中及課后用實(shí)例演練(如搜索后續(xù)講的順鉑和卡鉑)的方式指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用。這樣，大一的新生就可以使用專業(yè)工具來(lái)觀察配合物的三維空間結(jié)構(gòu)，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(shù)，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(biāo)簽輸入“Zn”，單擊“Search”按鈕，程序就顯示在數(shù)據(jù)庫(kù)中的搜尋過(guò)程，并顯示搜尋結(jié)果，結(jié)果可以在View Results中顯示，也可以下載，用于其他應(yīng)用程序，如UCSF Chimera。如果要縮小查詢結(jié)果，我們可以建立更加復(fù)雜的Queries。

圖2 鋅的配位數(shù)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(jié)構(gòu)

2.2 配位化合物與創(chuàng)新藥物教學(xué)

2.2.1 無(wú)機(jī)配合物藥物

利用金屬離子，特別是過(guò)渡金屬離子形成配合物的能力，可以開(kāi)發(fā)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(xiàn)出顯著的抗腫瘤能力[13]。一些金屬的配合物具有治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)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(yīng)用于疾病的診斷[14]。此外，無(wú)機(jī)配合物藥物還可以用于解毒或微量元素補(bǔ)充。如果金屬中毒，可通過(guò)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(guò)腎臟排出體外。如果體內(nèi)缺乏必需的金屬元素，可補(bǔ)充配離子，而不是直接補(bǔ)充金屬離子，這樣能避免金屬離子對(duì)腸胃的刺激，也有利于吸收。例如缺鐵，不是補(bǔ)充硫酸亞鐵，而是常補(bǔ)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(jié)構(gòu)可以在CCDC中搜索到，并用UCSF Chimera演示，如圖3B所示。順鉑通過(guò)一定方式進(jìn)入細(xì)胞后水解，生成水合物，進(jìn)攻DNA鏈上的鳥(niǎo)嘌呤或者腺嘌呤的7位氮原子，形成新的配合物(交聯(lián)產(chǎn)物，圖3C)，改變了DNA的結(jié)構(gòu)，成功地阻斷DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。

圖3 (A)順鉑和卡鉑的結(jié)構(gòu)式；(B)在CCDC搜索到的順鉑和卡鉑的晶體結(jié)構(gòu)；(C)順鉑在體內(nèi)與DNA的鳥(niǎo)嘌呤形成了新的配合物(PDB ID：6U2O)

順鉑與DNA共晶結(jié)構(gòu)已存儲(chǔ)在PDB數(shù)據(jù)庫(kù)中。搜索下載方法：在PDB數(shù)據(jù)庫(kù)官網(wǎng)界面的搜索框輸入鉑縮寫Pt，在出現(xiàn)的結(jié)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(jié)果中選擇下載代碼為6U2O的共晶結(jié)構(gòu)，下載后用UCSF Chimera打開(kāi)演示。

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

2.2.2 生物體中的配合物與創(chuàng)新藥物

人體生命活動(dòng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)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(gòu)成，生物配體可以是蛋白質(zhì)、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?cè)谏矬w中發(fā)揮重要的生理作用。如果體內(nèi)金屬離子的平衡被打破，就可能導(dǎo)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(nèi)功能的蛋白質(zhì)。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(zhì)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(jiàn)的是含鋅、鐵、銅的金屬酶。

以金屬蛋白為靶標(biāo)開(kāi)發(fā)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(biāo)都是金屬蛋白[16]。由于金屬蛋白中金屬離子處在活性位點(diǎn)且對(duì)蛋白質(zhì)空間構(gòu)象有重要影響，故很多藥物是與金屬離子形成配位鍵，增強(qiáng)藥物親和力，從而達(dá)到抑制或調(diào)控蛋白活性的作用。在課堂中我們結(jié)合代表性藥物來(lái)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(wǎng)頁(yè)界面的搜索框輸入PDB代號(hào)4G0C，在得到的結(jié)果頁(yè)中下載PDB文件4G0C.pdb，用UCSF Chimera打開(kāi)觀察，可發(fā)現(xiàn)CA中的鋅離子與三個(gè)組氨酸殘基和乙酰唑胺的磺酰胺基共四個(gè)氮原子形成配位數(shù)為4、空間結(jié)構(gòu)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(gè)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(wǎng)頁(yè)界面的搜索框輸入PDB代號(hào)6PUW，在得到的結(jié)果頁(yè)中下載PDB文件6PUW.pdb，用UCSF Chimera打開(kāi)觀察，可發(fā)現(xiàn)催化位點(diǎn)中的2個(gè)鎂離子分別與比克替拉韋中的3個(gè)氧原子，殘基Asp64、Asp116及Glu152中的5個(gè)氧原子，3個(gè)水分子中的3個(gè)氧原子形成2個(gè)配合物，配位數(shù)均為6，配合物的空間結(jié)構(gòu)均為八面體(圖4B)。

2.2.3 生物體中的配合物與中國(guó)創(chuàng)新藥物

近年來(lái)，中國(guó)的新藥研發(fā)實(shí)力提升迅速，在金屬酶領(lǐng)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(guó)內(nèi)獲批的抗新冠藥物，其靶點(diǎn)RNA依賴性的RNA聚合酶(RNAdependent RNA Polymerase)的活性位點(diǎn)就有兩個(gè)鎂離子。針對(duì)金屬蛋白靶點(diǎn)，還有其他一些本土創(chuàng)新藥物案例，我們選擇由深圳微芯研發(fā)的西達(dá)本胺進(jìn)行介紹。

【課堂示例】西達(dá)本胺(Chidamide，圖5A)[19]是深圳微芯生物科技有限公司獨(dú)家發(fā)現(xiàn)且具有全球?qū)＠Ｗo(hù)的國(guó)家I類原創(chuàng)化學(xué)新藥，也是全球首個(gè)亞型選擇性組蛋白去乙酰化酶(HDAC)口服抑制劑，屬于機(jī)制新穎的表觀遺傳調(diào)控劑類藥物。2014年12月，西達(dá)本胺獲原國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局批準(zhǔn)用于外周T細(xì)胞淋巴瘤治療，填補(bǔ)了我國(guó)該治療領(lǐng)域的空白。2019年11月，西達(dá)本胺獲國(guó)家藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)，用于乳腺癌的治療，成為全球首個(gè)以實(shí)體腫瘤為適應(yīng)癥獲批的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制類藥物。同時(shí)，西達(dá)本胺單藥及聯(lián)合其他抗腫瘤藥物針對(duì)血液腫瘤、實(shí)體瘤及HIV的臨床研究正在美國(guó)、日本、中國(guó)等地同步開(kāi)展。在PDB數(shù)據(jù)庫(kù)中可找到西達(dá)本胺類似物與HDAC2的共晶結(jié)構(gòu)(5IWG)，下載后用UCSF Chimera打開(kāi)觀察，可發(fā)現(xiàn)催化位點(diǎn)中的1個(gè)鋅離子分別與化合物中的1個(gè)氧原子和1個(gè)氮原子，殘基Asp269、Asp181中的2個(gè)氧原子，His183中的1個(gè)氮原子形成1個(gè)配合物，配位數(shù)為5，配合物的空間結(jié)構(gòu)為三角雙錐(圖5B)。

圖5 (A)西達(dá)本胺的結(jié)構(gòu)式；(B)西達(dá)本胺類似物與HDAC2的結(jié)合模式及與鋅離子的螯合模式(PDB ID：5IWG)

3 結(jié)語(yǔ)

本文以無(wú)機(jī)化學(xué)課程中的配合物教學(xué)為例，巧妙融入三維結(jié)構(gòu)可視化和創(chuàng)新藥物案例兩個(gè)新的教學(xué)范式，充分體現(xiàn)大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)課程和藥物研發(fā)的密切聯(lián)系及其對(duì)藥學(xué)研發(fā)知識(shí)體系的支撐，提供了一種科教融合教學(xué)新模式。這種教學(xué)模式可以讓學(xué)生在本科學(xué)習(xí)的早期階段開(kāi)始逐步構(gòu)建創(chuàng)新藥物研發(fā)知識(shí)體系，達(dá)到學(xué)科領(lǐng)域啟蒙的目的。這種教學(xué)方式對(duì)藥學(xué)專業(yè)本科生尤其重要，可以盡早地讓學(xué)生樹(shù)立專業(yè)自信，觸及藥物研發(fā)魅力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。我們的教學(xué)思路是在配合物的定義、概念和結(jié)構(gòu)教學(xué)環(huán)節(jié)加入三維結(jié)構(gòu)可視化數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件工具的介紹，并通過(guò)演示加深學(xué)生對(duì)配合物的空間特征理解。另外，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件工具的介紹，可以拓展教學(xué)維度，讓學(xué)生課后能進(jìn)一步熟悉各類化學(xué)物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，甚至能在后續(xù)的有機(jī)化學(xué)、藥物化學(xué)等課程的學(xué)習(xí)中運(yùn)用。在配合物的應(yīng)用教學(xué)環(huán)節(jié)，我們加入創(chuàng)新藥物研發(fā)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(diǎn)之間的配位鍵形成狀態(tài)，揭示無(wú)機(jī)配合物藥物和作用于生物體中配合物藥物的背后機(jī)理。另外，我們還重視中國(guó)當(dāng)代新藥創(chuàng)新研制案例的導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生的民族自信和科研自信，達(dá)到課程思政教育的目的。除了配合物章節(jié)，無(wú)機(jī)化學(xué)中的酸堿平衡、化學(xué)鍵等章節(jié)也可以很好地與結(jié)構(gòu)可視化和創(chuàng)新藥物進(jìn)行融合教學(xué)。

盡管這種新模塊的融合教學(xué)整體是有益的，但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中仍然有諸多細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步完善。比如，在規(guī)定的課時(shí)中，如何合理地分配教學(xué)時(shí)間，保證新增融合內(nèi)容的教學(xué)質(zhì)量？如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的課后時(shí)間并有效考查學(xué)生對(duì)新增融合內(nèi)容的掌握情況？由于創(chuàng)新藥物研發(fā)知識(shí)的復(fù)雜性，如何讓大一本科生在毫無(wú)專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備的情況下做到深入淺出的理解？這些都需要我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中不斷改進(jìn)，最終獲得最優(yōu)的教學(xué)效果。