本科生研究課題在藥物化學(xué)教學(xué)模式探討*

蔣 能，黃書桐，鐘國(guó)琿，蘇 弟，龍娟月，顏志明

(1 廣西醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院藥學(xué)部，廣西 南寧 530021；2 廣西醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，廣西 南寧 530021)

廣西醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)教育歷史悠久，藥學(xué)類學(xué)科齊全，肩負(fù)著為國(guó)家和社會(huì)培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力強(qiáng)的綜合型藥學(xué)專業(yè)技術(shù)人才。藥物化學(xué)(Medicinal Chemistry)是建立在化學(xué)和生物學(xué)基礎(chǔ)上，從分子水平上研究藥物在體內(nèi)作用方式和作用機(jī)理的一門學(xué)科，藥學(xué)相關(guān)專業(yè)的必修課程之一。藥物化學(xué)在藥學(xué)所有二級(jí)學(xué)科的中起到帶頭學(xué)科的作用，是溝通藥學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程(生物化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)等)和專業(yè)課程(藥理學(xué)、藥劑學(xué)、藥物分析)的橋梁學(xué)科[1-2]?，F(xiàn)有的藥物化學(xué)以“填鴨式”模式為主，從藥物結(jié)構(gòu)分類、代表性藥物、理化性質(zhì)、構(gòu)效關(guān)系和合成方法等。學(xué)生普遍反映難學(xué)、難懂、難理解等問(wèn)題，學(xué)生對(duì)藥物化學(xué)課程掌握程度的好壞直接影響藥學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量[3]。我們通過(guò)“設(shè)計(jì)、合成二氫色原酮-二硫代胺基甲酸酯雜合物及其抗阿爾茨海默病的研究”課題的實(shí)施，加深學(xué)生對(duì)藥物化學(xué)課程的理解和激發(fā)學(xué)生對(duì)藥物研究的興趣，取得較好的教學(xué)效果。

1 研究背景的文獻(xiàn)調(diào)研教學(xué)

實(shí)驗(yàn)的成功離不開(kāi)文獻(xiàn)的調(diào)研。首先要讓學(xué)生學(xué)習(xí)阿爾茨海默病目前的致病機(jī)制及藥物研究進(jìn)展，其次讓學(xué)生明白幾個(gè)問(wèn)題：做什么？別人都做過(guò)什么？如何做？要回答這些問(wèn)題，學(xué)生必須查閱相關(guān)文獻(xiàn)及對(duì)文獻(xiàn)歸納和總結(jié)。總結(jié)如下：阿爾茨海默病(AD)是一種復(fù)雜的神經(jīng)退行性疾病，會(huì)嚴(yán)重威脅人類健康，其特征是記憶力減退，認(rèn)知缺陷和行為異常。許多AD患者缺乏日常自我保健能力，需要長(zhǎng)期的家庭護(hù)理，這增加了患者的家庭負(fù)擔(dān)，并在很大程度上影響了社會(huì)的發(fā)展。阿爾茨海默癥協(xié)會(huì)的報(bào)告表明，目前，AD患者的數(shù)量已接近4700萬(wàn)，并且預(yù)計(jì)到2050年，全世界的AD患者數(shù)量將增加到1億。快速增長(zhǎng)的AD患者人群被認(rèn)為是社會(huì)的嚴(yán)重和緊急健康問(wèn)題。

自有關(guān)AD的第一份報(bào)告以來(lái)已有一百多年了。然而，AD的病因尚不清楚，并且AD治療仍然是藥學(xué)界的挑戰(zhàn)。許多因素和靶點(diǎn)包括乙酰膽堿(Ach)的缺陷，β-淀粉樣蛋白(Aβ)沉積和磷酸化的tau蛋白等等，都與AD的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)。在過(guò)去的幾十年中，許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和制藥公司都在大力開(kāi)發(fā)用于治療AD的新型化學(xué)分子和生物藥物。不幸的是，大多數(shù)這些臨床試驗(yàn)抗AD藥物都以失敗告終。迄今為止，目前AD的臨床治療主要依靠膽堿能假說(shuō)。該假設(shè)認(rèn)為，大腦中ACh水平的下降會(huì)導(dǎo)致AD患者的記憶力和認(rèn)知障礙，而抑制ACh代謝可以改善ACh水平，從而緩解這些癥狀?；诖烁拍睿現(xiàn)DA批準(zhǔn)的五種藥物中有四種是膽堿酯酶抑制劑(他克林，多奈哌齊，加蘭他敏和利伐斯的明)。

乙酰膽堿酯酶(AChE)和丁酰膽堿酯酶(BuChE)是兩種可破壞中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)中ACh的膽堿酯酶。然而，與AChE相反，尚未發(fā)現(xiàn)AD中BuChE的病理機(jī)制。盡管一些研究表明BuChE可能也對(duì)AD治療有益，但是BuChE主要分布在周圍組織中，因此抑制BuChE可能會(huì)對(duì)周圍系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。例如，他克林是批準(zhǔn)用于AD治療的首個(gè)具有AChE和BuChE抑制活性的藥物之一，由于嚴(yán)重的肝毒性和周圍系統(tǒng)的其他副作用而被撤回。因此，選擇性AChE抑制劑的開(kāi)發(fā)是用于AD治療的更有前途的方法。AChE的晶體結(jié)構(gòu)表明，該酶具有兩個(gè)結(jié)合活性位點(diǎn)，它們通過(guò)近20?深的狹窄峽谷相連。這兩個(gè)結(jié)合活性位點(diǎn)是峽谷入口附近的外圍陰離子位點(diǎn)(PAS)和峽谷底部的催化活性位點(diǎn)(CAS)。研究表明，AChE抑制劑的結(jié)構(gòu)特征應(yīng)包含三個(gè)部分：CAS結(jié)合部分，PAS結(jié)合部分和這兩個(gè)部分之間的連接基，以滿足AChE的結(jié)構(gòu)要求。

除膽堿能假說(shuō)外，另一種稱為淀粉樣蛋白級(jí)聯(lián)假說(shuō)的假說(shuō)表明，Aβ蛋白也是AD病理過(guò)程中的病因。Aβ蛋白包含39～43個(gè)氨基酸殘基，是淀粉樣前體蛋白(APP)的蛋白水解產(chǎn)物。生化研究表明，Aβ肽可形成單體，寡聚物和大Aβ斑塊，對(duì)神經(jīng)元和線粒體功能有毒，最終導(dǎo)致神經(jīng)變性和認(rèn)知功能障礙。Aβ1-40和Aβ1-42是Aβ的兩個(gè)主要同工型。然而，與前者相比，后者更傾向于聚集成纖維，并且對(duì)神經(jīng)元細(xì)胞更具毒性。因此，抑制Aβ1-42聚集對(duì)于AD治療似乎也很重要。

實(shí)際上，最近的研究表明，AChE和Aβ沉積之間存在密切關(guān)系。AChE可以通過(guò)其PAS促進(jìn)Aβ沉積和淀粉樣原纖維形成。Aβ和AChE的PAS的相互作用產(chǎn)生穩(wěn)定的AChE-Aβ復(fù)合物，并且該復(fù)合物比Aβ蛋白聚集體更具毒性。因此，開(kāi)發(fā)能同時(shí)與乙酰膽堿酯酶的CAS和PAS結(jié)合的雙結(jié)合位點(diǎn)抑制劑，似乎是治療阿爾茨海默病的一個(gè)非常有前途的策略，因?yàn)樗鼈儾粌H能通過(guò)抑制乙酰膽堿酯酶來(lái)改善認(rèn)知，而且還能減緩導(dǎo)致阿爾茨海默病發(fā)病的Aβ沉積。通過(guò)具體的研究背景的介紹，讓學(xué)生了解阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)制、多靶點(diǎn)藥物開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)和目前研究進(jìn)展等。將藥物化學(xué)新理念以實(shí)踐的方式融入課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，理論和實(shí)踐相結(jié)合，增加學(xué)生對(duì)藥物化學(xué)課程的理解，提高教學(xué)質(zhì)量[4]。

2 二氫色原酮-二硫代胺基甲酸酯雜合物設(shè)計(jì)的教學(xué)

藥物設(shè)計(jì)是藥物化學(xué)的重要組成部分，藥物化學(xué)中設(shè)計(jì)到生物電子等排、藥效基團(tuán)拼接、藥效團(tuán)融合及前藥等方面的概念。藥學(xué)本科生參與課題研究，能夠更加直觀和深刻理解這些概念在藥物研究中的應(yīng)用。接下來(lái)介紹發(fā)表在Bioorganic Chemistry一區(qū)雜志上(Novel chromanone-dithiocarbamate hybrids as multifunctional AChE inhibitors with β-amyloid anti-aggregation properties for the treatment of Alzheimer’s disease， Bioorganic Chemistry 89(2019)103027)，藥學(xué)本科生參與的課題研究[5]。

二硫代胺基甲酸酯是藥物設(shè)計(jì)中的一種通用藥效基團(tuán)，由于其多樣的活性而引起了極大的興趣。已報(bào)道的二硫代胺基甲酸酯衍生物的生物活性包括抗癌，抗菌和抑制碳酸酐酶等[6-7]。然而，很少報(bào)道含有二硫代胺基甲酸酯部分的化合物可治療神經(jīng)退行性疾病，例如AD。最近，本課題組發(fā)現(xiàn)一些二硫代胺基甲酸酯衍生物可通過(guò)其二硫代胺基甲酸酯部分與AChE的CAS相互作用來(lái)抑制AChE，其中一些還顯示出潛在的抑制自身誘導(dǎo)的Aβ沉積的能力[8-9]。因此，我們最近的研究興趣主要集中在開(kāi)發(fā)二硫代胺基甲酸酯衍生物作為具有附加的Aβ抗沉積特性的新型AChE抑制劑來(lái)治療AD。色原酮是一組天然存在的化合物，在自然界中普遍存在，尤其是在植物中。近年來(lái)，它們因在設(shè)計(jì)用于治療AD的化合物中的廣泛應(yīng)用而受到了廣泛的關(guān)注。已證明某些二氫色原酮衍生物具有有效的AChE抑制活性，并且分子對(duì)接研究表明，二氫色原酮部分可通過(guò)與AChE的PAS相互作用發(fā)揮AChE抑制作用。鑒于上述二硫代胺基甲酸酯和二氫色原酮部分在乙酰膽堿酯酶抑制劑設(shè)計(jì)中的潛在作用，在目前的工作中，我們小組試圖通過(guò)柔性接頭將這兩個(gè)部分連接起來(lái)，產(chǎn)生一系列新的二氫色原酮-二硫代氨基甲酸酯雜合物，作為用于治療阿爾茨海默病的多功能乙酰膽堿酯酶抑制劑。在體外評(píng)估所有設(shè)計(jì)的化合物，以確定其抑制AChE的能力。還測(cè)試了具有良好的AChE抑制活性和BBB通透性的化合物，以抑制自身和AChE誘導(dǎo)的Aβ沉積。最后，從上述分析中選出最有希望的化合物用于進(jìn)一步研究，包括其與乙酰膽堿酯酶結(jié)合模式的動(dòng)力學(xué)和分子模型分析、急性毒性、在SH-SY5Y神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中的細(xì)胞毒性以及對(duì)東莨菪堿誘導(dǎo)的小鼠認(rèn)知障礙的神經(jīng)保護(hù)作用。

3 該課題實(shí)驗(yàn)相關(guān)教學(xué)

藥物合成實(shí)驗(yàn)的合成路線設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化需要引導(dǎo)藥學(xué)本科生結(jié)合有機(jī)化學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行思考，開(kāi)動(dòng)腦筋思考每個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，為什么要選擇這樣的條件，如何進(jìn)行條件的進(jìn)一步優(yōu)化。進(jìn)一步鞏固在實(shí)驗(yàn)課程中薄層板制備、點(diǎn)板判斷反應(yīng)情況、化學(xué)反應(yīng)后處理、重結(jié)晶操作和熔點(diǎn)儀的使用等實(shí)驗(yàn)技能。指導(dǎo)學(xué)生對(duì)目標(biāo)化合物進(jìn)行體外活性篩選及藥效學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。在具體的科研實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)“設(shè)計(jì)、合成二氫色原酮-二硫代胺基甲酸酯雜合物及其抗阿爾茨海默病的研究”課題的實(shí)施，促進(jìn)藥學(xué)本科生對(duì)藥物化學(xué)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用；培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)和閱讀文獻(xiàn)的能力；激發(fā)學(xué)生的科研興趣，進(jìn)一步幫助學(xué)生了解藥物研發(fā)的流程，建立科學(xué)的研究方法和態(tài)度，為以后的深造打下良好的基礎(chǔ)。學(xué)生參與到相應(yīng)的科研項(xiàng)目中來(lái)達(dá)到較好的教學(xué)效果，科研和教學(xué)相長(zhǎng)的教學(xué)模式對(duì)教師自身素質(zhì)提出更高的要求，需要帶教老師不斷豐富自身專業(yè)知識(shí)和更新藥物化學(xué)的學(xué)科前沿知識(shí)。