科研课题研究与药物化学教学相结合的教学模式探索

with Medicinal Chemistry TeachingJiang Neng1, Sun Xiaona2, Mo Zhongxia2, Li Xiao2, Liang Ningsheng1*(1. Department of Pharmacy, Affiliated Tumor Hospital of Guangxi Medical University, Nanning 530021 ；2. Pharmaceutical College Guangxi Medical University, Nanning 530021, China)

Abstract: Cultivating the scientific research ability of pharmaceutical undergraduates will be one of pharmaceutical education key reforming in the future. We combine medicinal chemistry teaching for undergraduate students with the scientific research subject which improve teaching methods of medicinal chemistry so as to improve quality of this course. How to implement the combination and innovation of scientific research subjects and teaching practice for undergraduate students is the educational model that should be deeply explored by young teachers. Through the implementation of the project that is 'design and synthesis coumarin derivative for Alzheimer's disease', we stimulate students' interest in the course of Medicinal Chemistry, improve their capability of scientific thinking and strong ability to analyze and solve problems, which achieve better teaching effects.Keywords: scientific research: teaching practice； medicinal chemistry1背景研究介绍的教学

传统的教学是以课本为基础，理论讲授为主⑴。药物化学课 程教学的时候，学生感觉本课程枯燥、抽象和乏味。对疾病、针 对疾病靶点的药物设计、药物的结构及构效关系等方面的重点内 容不好理解和掌握。本研究首先以具体的抗阿尔茨海默病背景进 行介绍。阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)又叫老年痴呆， 是65岁以上人群中最容易患的中枢神经退行性疾病，其发病的主 要特征是记忆力逐步丧失、认知功能障碍和语言功能下降，严重 影响社交、职业与生活能力，并最终导致死亡［2】。随着世界范围 内人寿命的增加，神经退行性疾病不断引起人们注意，在60〜65 岁人群中，患病率是0.7 %；在90岁以上的人群中，患病率是40 %。 截止2015年底，我国患病人数约为1000万人，占全球总患病人 数的四分之一，并随着老龄化社会的到来，这一数字将急剧增加 ⑶。该病严重影响老年人的日常生活能力，需要长期的护理、 看护及较高的医疗费用，给社会和经济的发展带来沉重负担。因 此，研发出治疗AD的有效药物对经济和社会的发展有着极其重 要的意义。AD自1906年被报到以来就被广泛的关注，但遗憾的是目前 还没弄清楚它的发病机制。目前缓解AD的药物主要依赖于乙酰 胆碱酯酶(AChE)抑制剂(多奈哌齐、加兰他敏、卡巴拉汀)。胆碱 酯酶假说认为，AD发病的主要原因是中枢神经系统中乙酰胆碱 (ACh)的缺失造成的，抑制乙酰胆碱酯酶水解乙酰胆碱，提高乙酰 胆碱的水平，就能有效缓解症状［4］。胆碱酯酶分为乙酰胆碱酯酶 (AChE)和丁酰胆碱酯酶(BuChE)⑸。AChE的三维结构表明，AChE 具有两个洁性位点，中间通过一个细长的痛道连接，其审一个活 性位点位于通道的上方称为“外周阴离子结合位点”(Peripheral anionic site, PAS),另一个位于通道的卞方称为“催化位点” (Catalytic active site, CAS)。随着对AD不断深入研究发现，除了 乙酰胆碱酯酶假说外，淀粉样蛋白(A卩)沉淀假说⑹、金属离子假 说⑺和氧化应激假说等被认为是导致阿尔茨海默病的重要病因。 大脑内的尸检结果显示以下病理特征：(l)p-样淀粉蛋白(A0)聚集 形成的老年斑块；(2)tau蛋白过度磷酸化形成的神经纤维缠结【a®。 淀粉样斑块尸检分析结果表明，患者大脑中铜、铁、锌离子分别［收稿日期］2018-11-22是正常脑中的5.7、2.9、2.8倍［⑼。研究表明这些因素之间相 互作用，共同导致患者认知功能障碍，例如：AP低聚物会导致 Tau蛋白的异常磷酸化【⑴、A卩低聚物会产生氧化应激和神经毒 性、Cu和Zn离子诱导A卩聚集说】、金属离子参与tau蛋白磷酸化 过程、Cu(II)-Ap产生活性氧自由基(ROS)［⑶等。综上所述，AD 的致病机制被认为是由多种病因相互交叉组成的复杂网络，单一 靶点的药物己经不能满足AD治疗的需要。因此，这种单纯的作 用于AChE的单靶点药物，已经不能满足临床需要，设计新型的 “单分子，多靶点”药物成为目前抗AD药物研究的主要方向。通过具体的研究背景的介绍，让学生了解什么是多靶点药物，为 什么要开发多靶点药物，多靶点药物和单靶点药物的优势等。将 学科领域前沿相关的一些创新理念融入课堂教学，可以有效拓展 课堂教学内容，激发学生的学习热情，促进药学本科生理论和实 践相结合，推动教学发展，提高教学质量［⑷。2抗阿尔茨海默病香豆素衍生物设计的教学乙酰胆碱酯酶的结构外周阴离子位点PASgorge催化活性位点CAS多靶点分子LinkerCAS binding图1基于乙酰胆碱酯酶的多靶点分子设计方法Fig. 1 Multi-target molecular design method based on

acetylcholinesterase［基金项目］广西自然科学基金(2017GXNSFAA198077)［作者简介］蒋能(1984-),男，广西博白，博士研究生，研究方向为药物化学、药理。*为通讯作者。广东化工•234 •www.gdchem.com2019年第2期第46卷总第388期药物设计是药物化学课程的重要组成部分，通过研究背景的 介绍，相信学生很想知道，课本上的一些药物是通过什么方法得 到的，有没有本科生们利用课余时间参与的大学生实验创新研究 的例子让学生更加直观的理解药物设计的一些概念及它的应用？ 接下来介绍发表在 European Journal of Medicinal Chemistry — 区杂 志上(N. Jiang et al./European Journal of Medicinal Chemistry 146 (2018)287-298),本科生参与的课题研究问。抑制乙酰胆碱酯酶的多靶点分子，大部分是基于双位点乙酰 胆碱酯酶结构来设计。乙酰胆碱酯酶(AChE)由三个主要部分构 成：外周阴离子位点(Peripheral anionic site, PAS),催化活性位点 (Catalytic active site, CAS)和连接两个位点的中间通道(gorge)□ CAS是催化胆碱水解的主要位点，PAS也具有水解胆碱的功能， 但PAS除了与乙酰胆碱水解有关，还与导致AD的A卩的聚集密 切相关，因此开发同时作用于两个位点的多靶点分子成为更有利 的分子【⑹。抗AD多靶点分子设计常用的理念是在乙酰胆碱酯酶 结构基础上，选择一个能与CAS位点作用的结构片段，同时引入 另一个能与PAS位点结合并且具有其他活性的结构片段，通过合 适中间连接达到多靶点作用(图l)o香豆素是存在很多植物中的一类很重要的小分子结构片段。 由于它广泛的生物活性引起了药物化学家的关注，例如：抑制乙 酰胆碱酯酶、单胺氧化酶、A卩聚集等【17-21】。我们课题组之前的研 究发现，香豆素能通过7T-7T堆积相互作用与乙酰胆碱酯酶的PAS 位点相结合，同时香豆素具有抗AP聚集等方面的活性。二硫代 胺基甲酸酯结构片段在药物设计中被广泛使用，在一次实验中偶 然发现，二硫代胺基甲酸酯能与乙酰胆碱酯酶的CAS位点结合， 具有抑制乙酰胆碱酯酶的作用(如图2所示)。CAS BindingLinker'S开 N'r?SVersatile pharmacophoreDithiocarbamate图2设计多靶点香豆素•二硫代胺基甲酸酯衍生物抗ADFig.2 Design of multi-target coumarin-dithiocarbamate derivatives against AD设计好结构之后，我们通过计算机分子对接，评价香豆素和 乙酰胆碱酯酶的结合情况，如图3所示(图3来自于我们已经发表

的文章 N. Jiang et al./European Journal of Medicinal Chemistry 146 (2018)287-298)：图3计算机模拟香豆素类衍生物和乙酰胆碱酯酶的结合模式Fig.3 Computer simulation of the binding mode of coumarin derivatives and acetylcholinesterase通过学生参与项目中的具体例子，介绍药物化学药物设计中 一些基本概念，如果活性口袋，药效基团，计算机辅助药物设计 等，让学生对这一领域有着直观的认识。让学生在课余时间参与 课题研究，在上课时候，讲到相关内容时，通过列图和让学生回 忆课题研究时的内容。将课堂上的内容和课余时间的科学研究有 机结合起来。教学与科研的良性互动，对学生科研思维能力的形 成及对课本知识的理解与掌握具有重要意义。通过参加该科研课 题研究，药学生对药物化学课程中疾病的靶点，药物的设计等相 关内容有了直观、感性的认识，在参与课题研究的学习过程中， 不断开阔视野及逐渐形成这一学科的研究思维，为以后感兴趣的 研究方向选择及开展打下基础。在药学本科生阶段将教学与科研 相结合，让药学本科生零距离接触科研平台，在一定程度上改变 了药学本科生对课本理论知识理解不够深刻的现象。实现教学与

科研的良性互动，不仅使药学本科生将学到的理论知识用于具体 科研课题研究，而且通过科研课题研究让学生更好理解课本的理 论知识［22］。3香豆素衍生物合成的教学药物合成是药物化学这么课程中的重要部分。在有机化学课 程中，学生对有机合成反应、机理等方面有了一定的掌握。首先 是给学生用于合成路线检索的两个重要数据库的介绍：Science Finder和Reaxy。掌握其中之一的数据库就可以了。这两个数据 库之一基本上包含世界上报到的有机反应及有机化合物结构。跟 学生介绍我们设计的化合物怎么根据己有文献报道的合成路线进 行设计(如图4所示)。(图4来自本人已经发表的文章Journal of

Medicinal Chemistry 146 (2018) 287-298)2019年第2期第46卷总第388期广东化工www.gdchem.com-235 -3a n = 2 3b n = 33c n = 4 3d n = 53e n = 6 3f n = 84m-q n = 3, 4, 5, 6, 8 R = D图4化合物4a・q的合成。试剂和条件：(a)乙酰乙酸乙酯，浓缩，H2S(h(催化剂),1,4-二恶烷，60 °C, 4小时；(b)Br(CH2)nBr,无水

K2CO3,丙酮，回流，4小时；(c)适当的仲胺，CS2，TEA, DMF, r.t, 12小时Fig.4 Synthesis of compounds 4a-q. Reagents and conditions: (a) Ethyl acetoacetate, cone. H2SO4 (cat.), 1,4-dioxane, 60 °C, 4 h. (b)

Br(CH2)nBr, anhydrous K2CO3, acetone, reflux, 4 h; (c) appropriate secondary amines, CS2, TEA, DMF, r.t., 12 h介绍那些类型的杂志报道的合成路线成功率高。其次根据已 经设计好的合成路线，需要买哪些原料，在哪些网站上购买，如 何比较性价比等。买到原料之后，指导学生如何投反应，如何进 行反血监初，如何*lj断哪个荧光点是自标产物，如何进行反应处 理，遇到问题如何查阅文献解决等。最后是纯化目标化合物，送 样，根据反馈回来的核磁谱图，引导学生解谱，如何分析谱图上 的杂质是由什么引起的，是溶剂峰还是硅酯峰等。遇到问题，引 导学生如何分析和解决具体问题。对本科生进行科研启蒙的同时， 也要让他们认识到科研的艰辛和科研需要长期埋头苦干的精神。 正是因为有了无数夜以继日科研工作者的艰辛付岀，才有了今天 社会的进步及科学技术的成就。本科阶段是培养学生能力和养成 良好思维习惯的重要时期，本科生是大学创新体系中最具活力和 发展潜力的群体，若在本科阶段进行前沿科学知识的普及，让有 余力及感兴趣的本科生参与到科研课题的研究中来，对学生以后 的人生发展起到重要作用【2叭19, 135(2)： 309-319.DongJ,[10] Atwood CS. Anderson VE. et al. Metal binding and oxidation of amyloid-p within isolated senile plaques cores : Raman microscopic evidence[J]. Biochemistry, 2003. 42(10)： 2768-2773.[1 l]Tomiyama T, Matsuyama S. Iso H. et al. A mouse model of amyloid P oligomers : Their contribution to synaptic alteration , abnormal tau phosphorylation, glial activation, and neuronal loss in vivo[J]. The Journal of Neuroscience, 2010, 30(14)： 4845-4856.[12] Huang X, Atwood CS. Moir RD. et al. Zinc-induced Alzheimer's AP1-40 aggregation is mediated by conformational factors[J] . The Journal of Biological Chemistry. 1997, 272(42)： 2-270.[13] Ayton S» Lei P, Bush Al. Metallostasis in Alzheimer's disease[J]. Free Radical Biology and Medicine. 2013, 62： 76-.[14] 张琰，张素素，陈宏，等.教学医院科研与教学工作的结合与创新[J].医 学教育研究与实践，2017, 25(1)： 7-10.[15] Jiang N, Huang QC. Liu J, et al. Design, synthesis and biological evaluation of new coumarindithiocarbamate hybrids as multifunctional agents for the treatment of Alzheimer's disease[JJ. European Journal of Medicinal Chemistry, 2018, 146： 287-29&[16] Tumiatti V, Minarini A. Bolognesi ML. et al. Tacrine derivatives and Alzheimer's disease[J] . Current Medicinal Chemistry, 2010, 17(17): 1825-1838.[17] Xie SS, Wang XB. Jiang N. et al. Multi-target tacrine-coumarin hybrids： Cholinesterase and monoamine oxidase B inhibition properties against Alzheimer's disease[J]. European Journal of Medicinal Chemistry. 2015» 95： 153-165.[18] Kostova I , Bhatia S , Grigorov P , et al . Coumarins as antioxidants[J]. Current Medicinal Chemistry, 2011» 18： 3929-3951.[19] Anand P , Singh B . Singh N . A review on coumarins as acetylcholinesterase inhibitors for Alzheimer's disease[J] . Bioorganic & Medicinal Chemistry. 2012. 20： 1175-1180.[20] Shaik JB. Palaka BK, Penumala M. et al. Synthesis, pharmacological assessment, molecular modeling and in silico studies of fused tricyclic coumarin derivatives as a new family of multifunctional anti-Alzheimer agents[J]. European Journal of Medicinal Chemistry. 2016. 107： 219-232.[21] Shaik JB, Palaka BK, Penumala M. et al. Synthesis. Biological Evaluation, and Molecular Docking of 8-imino-2-oxo-2//» 8//-pyrano[2» 3-f]chromene Analogs： New Dual AChE Inhibitors as Potential Drugs for the Treatment of Alzheimer's Disease[J]. Chemical Biology & Drug Design, 2016. 88： 43-53.[22] 梁华，戴可，柯改利，等.科研与化学选修课实验教学结合的探索[J].实 验技术与管理，2018, 35(8)： 171-173.[23] 张琰，张素素，陈宏，等.教学医院科研与教学工作的结合与创新[J].医 学教育研究与实践，2017, 25(1)： 7-10.4结语通过参与科研课题与本科生药物化学教学相结合模式的探 索，改变传统的教学方式，丰富和优化教学内容。不仅让学生接 触到热点、前沿科学、课本的内容和科学研究相结合的模式，让 学生对课本知识的掌握及应用有着更加直观和感性的认识；而且 激发学生的兴趣，培养学生良好的科学研究思维习惯及学科的思 维模式，取得较好的教学效果。在今后的教学工作中，我们将继 续让本科生参与到具体的科研项目中来，不断摸索科研和教学的 良性互动的模式，以提高自身的教学水平。参考文献[1] 万山河，陈之朋，伍小云.结合科研改革药物化学实验教学[J].广东化 工，2017, 44(339)： 148.[2] 孙磊，杨莹，窦彩艳.阿尔兹海默病治疗的研究进展[J].医学信息.2010, 325(7)： 1969-1970.[3] 王华丽，于欣.中国阿尔茨海默病的流行病学现状[J].中华全科医师杂 志，2006, 6(5)： 358-360.[4] Bartus RT» Dean RL. Beer B, et al. The cholinergic hypothesis of geriatric memory dysfunction [J]. Science, 1982. 4558(217)： 408-417.[5] ZhengH, Youdim MB. Fridkin M. Site-activated multifunctional chelator with acetylcholinesterase and neuroprotective-neurorestorative moieties for Alzheimer's therapy[J]. Journal of Medicinal Chemistry» 2009, 52(14)： 4095-4098.[6] Castro A, Martinez A. Targeting beta-amyloid pathogenesis through acetylcholinesterase inhibitors[J]. Current pharmaceutical design. 2006. 12(33)： 4377-4387.[7] Pithadia AS» Lim M H. Metal-associated amyloid-p species in Alzheimer's disease[J]. Current Opinion in Chemical Biology, 2012, 16： 67-73.[8] Mandelkow E. M. Mandelkow E. Tau in Alzheimer's disease[J]. Trends in Cell Biology, 1998, 8(11)： 425-427.[9] Joachim CL. Morris JH. Selkoe DJ. Diffuse senile plaques occur commonly in the cerebellum in Alzheimer's disease[J]. American Journal of Pathology.(本文文献格式：蒋能，孙晓娜，莫忠霞，等.科研课题研究与药 物化学教学相结合的教学模式探索[J].广东化工，2019, 46 (2):

233-235)