本科生研究課題在藥物化學教學模式探討*

蔣 能，黃書桐，鐘國琿，蘇 弟，龍娟月，顏志明

(1 廣西醫科大學附屬腫瘤醫院藥學部，廣西 南寧 530021；2 廣西醫科大學藥學院，廣西 南寧 530021)

廣西醫科大學藥學教育歷史悠久，藥學類學科齊全，肩負著為國家和社會培養高素質、創新能力和實踐能力強的綜合型藥學專業技術人才。藥物化學(Medicinal Chemistry)是建立在化學和生物學基礎上，從分子水平上研究藥物在體內作用方式和作用機理的一門學科，藥學相關專業的必修課程之一。藥物化學在藥學所有二級學科的中起到帶頭學科的作用，是溝通藥學專業基礎課程(生物化學、有機化學、分析化學等)和專業課程(藥理學、藥劑學、藥物分析)的橋梁學科[1-2]。現有的藥物化學以“填鴨式”模式為主，從藥物結構分類、代表性藥物、理化性質、構效關系和合成方法等。學生普遍反映難學、難懂、難理解等問題，學生對藥物化學課程掌握程度的好壞直接影響藥學專業人才培養的質量[3]。我們通過“設計、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”課題的實施，加深學生對藥物化學課程的理解和激發學生對藥物研究的興趣，取得較好的教學效果。

1 研究背景的文獻調研教學

實驗的成功離不開文獻的調研。首先要讓學生學習阿爾茨海默病目前的致病機制及藥物研究進展，其次讓學生明白幾個問題：做什么？別人都做過什么？如何做？要回答這些問題，學生必須查閱相關文獻及對文獻歸納和總結。總結如下：阿爾茨海默病(AD)是一種復雜的神經退行性疾病，會嚴重威脅人類健康，其特征是記憶力減退，認知缺陷和行為異常。許多AD患者缺乏日常自我保健能力，需要長期的家庭護理，這增加了患者的家庭負擔，并在很大程度上影響了社會的發展。阿爾茨海默癥協會的報告表明，目前，AD患者的數量已接近4700萬，并且預計到2050年，全世界的AD患者數量將增加到1億。快速增長的AD患者人群被認為是社會的嚴重和緊急健康問題。

自有關AD的第一份報告以來已有一百多年了。然而，AD的病因尚不清楚，并且AD治療仍然是藥學界的挑戰。許多因素和靶點包括乙酰膽堿(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的發生和發展有關。在過去的幾十年中，許多學術機構和制藥公司都在大力開發用于治療AD的新型化學分子和生物藥物。不幸的是，大多數這些臨床試驗抗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。該假設認為，大腦中ACh水平的下降會導致AD患者的記憶力和認知障礙，而抑制ACh代謝可以改善ACh水平，從而緩解這些癥狀。基于此概念，FDA批準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系統(CNS)中ACh的膽堿酯酶。然而，與AChE相反，尚未發現AD中BuChE的病理機制。盡管一些研究表明BuChE可能也對AD治療有益，但是BuChE主要分布在周圍組織中，因此抑制BuChE可能會對周圍系統產生不良影響。例如，他克林是批準用于AD治療的首個具有AChE和BuChE抑制活性的藥物之一，由于嚴重的肝毒性和周圍系統的其他副作用而被撤回。因此，選擇性AChE抑制劑的開發是用于AD治療的更有前途的方法。AChE的晶體結構表明，該酶具有兩個結合活性位點，它們通過近20?深的狹窄峽谷相連。這兩個結合活性位點是峽谷入口附近的外圍陰離子位點(PAS)和峽谷底部的催化活性位點(CAS)。研究表明，AChE抑制劑的結構特征應包含三個部分：CAS結合部分，PAS結合部分和這兩個部分之間的連接基，以滿足AChE的結構要求。

除膽堿能假說外，另一種稱為淀粉樣蛋白級聯假說的假說表明，Aβ蛋白也是AD病理過程中的病因。Aβ蛋白包含39～43個氨基酸殘基，是淀粉樣前體蛋白(APP)的蛋白水解產物。生化研究表明，Aβ肽可形成單體，寡聚物和大Aβ斑塊，對神經元和線粒體功能有毒，最終導致神經變性和認知功能障礙。Aβ1-40和Aβ1-42是Aβ的兩個主要同工型。然而，與前者相比，后者更傾向于聚集成纖維，并且對神經元細胞更具毒性。因此，抑制Aβ1-42聚集對于AD治療似乎也很重要。

實際上，最近的研究表明，AChE和Aβ沉積之間存在密切關系。AChE可以通過其PAS促進Aβ沉積和淀粉樣原纖維形成。Aβ和AChE的PAS的相互作用產生穩定的AChE-Aβ復合物，并且該復合物比Aβ蛋白聚集體更具毒性。因此，開發能同時與乙酰膽堿酯酶的CAS和PAS結合的雙結合位點抑制劑，似乎是治療阿爾茨海默病的一個非常有前途的策略，因為它們不僅能通過抑制乙酰膽堿酯酶來改善認知，而且還能減緩導致阿爾茨海默病發病的Aβ沉積。通過具體的研究背景的介紹，讓學生了解阿爾茨海默病的發病機制、多靶點藥物開發的優勢和目前研究進展等。將藥物化學新理念以實踐的方式融入課堂教學，激發學生的學習興趣，理論和實踐相結合，增加學生對藥物化學課程的理解，提高教學質量[4]。

2 二氫色原酮-二硫代胺基甲酸酯雜合物設計的教學

藥物設計是藥物化學的重要組成部分，藥物化學中設計到生物電子等排、藥效基團拼接、藥效團融合及前藥等方面的概念。藥學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用。接下來介紹發表在Bioorganic Chemistry一區雜志上(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)，藥學本科生參與的課題研究[5]。

二硫代胺基甲酸酯是藥物設計中的一種通用藥效基團，由于其多樣的活性而引起了極大的興趣。已報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，很少報道含有二硫代胺基甲酸酯部分的化合物可治療神經退行性疾病，例如AD。最近，本課題組發現一些二硫代胺基甲酸酯衍生物可通過其二硫代胺基甲酸酯部分與AChE的CAS相互作用來抑制AChE，其中一些還顯示出潛在的抑制自身誘導的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發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，它們因在設計用于治療AD的化合物中的廣泛應用而受到了廣泛的關注。已證明某些二氫色原酮衍生物具有有效的AChE抑制活性，并且分子對接研究表明，二氫色原酮部分可通過與AChE的PAS相互作用發揮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計中的潛在作用，在目前的工作中，我們小組試圖通過柔性接頭將這兩個部分連接起來，產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。在體外評估所有設計的化合物，以確定其抑制AChE的能力。還測試了具有良好的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一步研究，包括其與乙酰膽堿酯酶結合模式的動力學和分子模型分析、急性毒性、在SH-SY5Y神經母細胞瘤細胞中的細胞毒性以及對東莨菪堿誘導的小鼠認知障礙的神經保護作用。

3 該課題實驗相關教學

藥物合成實驗的合成路線設計和實驗條件的優化需要引導藥學本科生結合有機化學理論知識進行思考，開動腦筋思考每個實驗過程，為什么要選擇這樣的條件，如何進行條件的進一步優化。進一步鞏固在實驗課程中薄層板制備、點板判斷反應情況、化學反應后處理、重結晶操作和熔點儀的使用等實驗技能。指導學生對目標化合物進行體外活性篩選及藥效學實驗研究。在具體的科研實踐中培養學生分析問題解決問題的能力、自主學習能力和創新思維能力的培養。

4 結 語

通過“設計、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”課題的實施，促進藥學本科生對藥物化學理論知識的理解和應用；培養學生查閱文獻和閱讀文獻的能力；激發學生的科研興趣，進一步幫助學生了解藥物研發的流程，建立科學的研究方法和態度，為以后的深造打下良好的基礎。學生參與到相應的科研項目中來達到較好的教學效果，科研和教學相長的教學模式對教師自身素質提出更高的要求，需要帶教老師不斷豐富自身專業知識和更新藥物化學的學科前沿知識。