CC BY
80
© ЖЕРНОСЕК А.К., 2014
ВНЕДРЕНИЕ КОНЦЕПЦИИ ТРАНСЛЯЦИОННОЙ МЕДИЦИНЫ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ФАРМАЦИЯ»
ЖЕРНОСЕК А.К.
УО «Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет», Республика Беларусь
Резюме.
В данной статье на примере преподавания некоторых разделов фармацевтической химии показано использование концепции трансляционной медицины в образовательном процессе по специальности «Фармация».
Ключевые слова: трансляционная медицина, преподавание фармацевтической химии.
Abstract.
In this article using the concept of translational medicine in the educational process (speciality «Pharmacy») is illustrated by the example of teaching of some pharmaceutical chemistry fields.
Key words: translational medicine, teaching of pharmaceutical chemistry.
Концепция трансляционной медицины заключается в переносе открытий, сделанных в результате фундаментальных исследований, в сферу практического применения. С точки зрения образовательного процесса она подразумевает более широкое использование достижений фундаментальных наук в процессе преподавания специальных дисциплин. В данной статье на примере фармацевтической химии показано применение концепции трансляционной медицины в образовательном процессе по специальности «фармация».
Фармацевтическая химия является одной из специальных дисциплин в системе подготовки провизоров. В таблице 1 показаны фундаментальные химические и специальные
фармацевтические дисциплины, изучаемые студентами фармацевтического факультета.
Фармацевтическая химия - наука, изучающая физические и химические свойства лекарственных веществ, связь их структуры и действия и разрабатывающая способы получения, очистки, стандартизации и контроля качества фармацевтических субстанций и лекарственных средств.
Согласно типовой учебной программе, приятой в Республике Беларусь, учебная дисциплина «фармацевтическая химия» включает в себя два основных раздела: фармацевтический анализ (3 курс, 199 часов); фармацевтическая химия важнейших групп лекарственных веществ (4 курс, 165 часов). В таблице 2 по-
Таблица 1 - Химические и специальные дисциплины в системе подготовки провизоров
Химия Фармация
Общая
Неорганиче ская Фармацевтическая химия
Органическая Токсикологическая химия
Аналитическая Фармакогнозия
Физическая Фармацевтическая технология
Коллоидная Организация и экономика фармации
Биологическая
Таблица 2 - Фармацевтическая химия в некоторых европейских странах
Страна Изучаемые дисциплины
СССР, Россия Фармацевтическая химия
Болгария, Венгрия Фармацевтическая химия, фармацевтический анализ
Латвия, Литва Фармацевтическая химия, медицинская химия (Medicinal Chemistry)
Польша Медицинская химия
Румыния Фармацевтическая химия, терапевтическая химия, анализ лекарственных средств
Чехия, Словакия Фармацевтическая химия, фармацевтический анализ
казаны названия и основные разделы данной дисциплины в некоторых европейских странах.
Одной из задач фармацевтической химии является изучение химических аспектов действия лекарственных веществ, связи их строения и фармакологической активности. В данной статье на примере ингибиторов протонной помпы и фторхинолонов показано применение химических свойств и реакционной способности лекарственных веществ для объяснения их фармакологического действия.
Ингибиторы протонной помпы
Ингибиторы протонной помпы (ИПП)
- группа лекарственных веществ, ингибирующих фермент Н+, К+-АТФазу, расположенный на мембранах париетальных клеток слизистой оболочки желудка и катализирующий конечную стадию образования хлороводородной кислоты.
По химической структуре ИПП относятся к 2-сульфинильным производным бен-зимидазола и содержат в молекуле две гетероциклических структуры: бензимидазольную и пиридиновую, в каждой из которых присутствуют заместители (алкильные, алкоксиль-ные).
ИПП являются амфолитами. В молекулах данных веществ содержатся два основных, причём более выраженными основными свойствами обладает атом азота в пиридиновом цикле, и один кислотный центр.
Кислотный центр (р^ 8,8)
^3
pKbh+ 0,1-0,8
N
R4
Основные центры
Р^н4" 3,8-4,5
Все ИПП имеют одинаковый механизм действия, обусловленный особенностями их строения: липофильностью, кислотно-основными свойствами и неустойчивостью в кислой среде. Поскольку данные вещества липофиль-ны и являются амфолитами, они хорошо всасываются в тонком кишечнике, попадают в системный кровоток, а затем в париетальные клетки желудка.
Фармакологическим действием обладают не сами ИПП, а их активные метаболиты. В кислой среде париетальных клеток ИПП быстро превращаются в циклические сульфе-намиды, которые связываются с меркапто-группами цистеина в полипептидой цепи Н+, К+-АТФазы и ингибируют фермент. В нейтральной или щелочной среде ИПП устойчивы и неактивны, поскольку не образуют циклических сульфенамидов. Например, период полупревращения омепразола при рН 1 равен 2 минуты, а при рН 7,4-20 часов. Способ вве-
дения ИПП в организм должен быть таким, чтобы предотвратить их взаимодействие с кислым содержимым желудка. Поэтому ИПП применяют в виде капсул, содержащих кишечнорастворимые гранулы (пеллеты), а также вводят парентерально (водные растворы натриевых солей ИПП).
Процесс образования активных метаболитов включает в себя несколько стадий:
- Протонирование пиридинового ядра
(Руг).
ЗОН
Электронодонорные заместители в пиридиновом ядре (особенно заместитель Я3) увеличивают основность и нуклеофильность атома азота и повышают скорость образования сульфеновой кислоты и сульфенамида.
- Протонирование бензимидазольного ядра (Б/) и внутримолекулярная нуклеофильная атака - образование сульфеновой кислоты.
Rз
R4
Я]
- Образование сульфенамида и ингибирование фермента.
Я
//-N /“Я
Н+,К+-АТФаза состоит из а (каталитическая) и р (регуляторная) субъединиц. а-Субъединица состоит из 10 сегментов и включает 28 остатков цистеина. Наиболее доступен для взаимодействия с ИПП Суз-813 (табл. 3).
Свойства отдельных представителей группы ингибиторов протонной помпы показаны в таблице 4.
Омепразол содержит метоксигруппы (электронодонорные заместители) в положении 5 (Б/) и 4 (Руг).
Лансопразол не содержит заместителей в Б/. В Руг присутствует электронодонорный заместитель. Скорость образования сульфеновой кислоты/сульфенамида у данного вещества сравнима с омепразолом.
Таблица 3 - Участки молекулы Н+,К+-АТФазы, с которыми взаимодействуют ингибиторы протонной помпы
ИПП Остатки цистеина
Омепразол 813, 892
Лансопразол 813, 321
Пантопразол 813, 822
Рабепразол 813, 892, 321
к
к
3
Таблица 4 - Свойства отдельных ингибиторов протонной помпы
ИПП Величина р^вН+ Период полупревращения, мин
Руг В7
Омепразол 4,06 0,79 4,7
Лансопразол 3,83 0,62 3,2
Пантопразол 3,83 0,11 9,3
Рабепразол 4,53 0,62 1,3
Пантопразол содержит в бензимида-зольном ядре вместо ОСН3 группу СИР2 (устойчивость к деметилированию, но уменьшение основности). В Руг - два электронодо-норных заместителя. Активируется медленнее, чем другие ИПП. Образует соль, стабильную в водном растворе (ИПП для парентерального применения).
F
Рабепразол не содержит заместителей в Б/ (как и лансопразол). Содержит электро-нодонорный заместитель в Руг и обладает самыми сильными основными свойствами среди всех ИПП, поэтому в наибольшей степени концентрируется в париетальных клетках. Активируется быстрее, чем все другие ИПП.
Фторхинолоны
Хинолонами называют лекарственные вещества, в молекулах которых содержится фрагмент 1,4-дигидро-4-оксопиридина. У большинства хинолонов данный фрагмент конденсирован с бензольным кольцом, поэтому такие соединения можно рассматривать как производные хинолина. Наибольшее практическое применение имеют хинолоны, в молекулах которых содержится один или несколько атомов фтора. Данные лекарственные вещества называют фторхинолонами.
Все хинолоны имеют в 3-м положении карбоксильную группу. В положении 7 у большинства хинолонов содержится остаток насыщенного азотсодержащего гетероцикла. В основе большинства хинолонов лежит бициклическая конденсированная структура. Известны фторхинолоны, в основе которых лежит структура, образованная тремя конденсированными циклами (офлоксацин, левоф-локсацин и др.).
Основной первичной мишенью действия фторхинолонов являются ферменты, ответственные за процесс нормального синтеза ДНК в микробной клетке: ДНК-гираза (топо-изомераза II) у грамотрицательных микроорганизмов и топоизомераза IV у грамположи-тельных. У человека аналогичные ферменты имеют другое строение и не катализируют про-
N I
Н
1,4-дигидро-4-оксопиридин
О
О
N і
Н
Производные хинолина (большинство хинолонов)
3
цесс суперспирализации ДНК. ДНК-гираза катализирует расплетение (отрицательную суперспирализацию) нитей ДНК, а топоизо-мераза IV участвует в разъединении (декатенации) ковалентно-замкнутых кольцевых молекул ДНК. Ингибирование данных ферментов приводит к нарушению процессов деления и роста бактериальной клетки, что, в конце концов, вызывает её гибель. Фторхинолоны связываются с ДНК с образованием комплекса, в который входят 4 молекулы лекарственного вещества, молекула ДНК и ингибируемый фермент. В молекуле фторхинолонов можно выделить несколько участков, ответственных за связывание с ферментом-мишенью и проникновение в клетку.
участок, определяющий проникновение фторхинолона в клетки, а также влияющий на связывание с ферментом
Влияние различных заместителей на антибактериальную активность фторхинолонов показано в таблице 5.
Практически все фторхинолоны содержат в 7 положении С-Ы связь. Большинство фторхинолонов содержат в 7-м положении остатки 4-6 членных насыщенных азотсодержащих гетероциклов. Данные заместители необходимы для придания фторхинолонам амфотерных свойств и улучшения их фармакокинетики. Заместитель специально подобран так, чтобы при физиологических значениях рН лекарственное вещество находилось в растворе в виде цвиттер-иона и хорошо проникало в различные ткани и органы, а также в микробные клетки. Величина изоэлектрической точки фторхинолонов - р! = (6 + 9)/2 = 7,5 - близка к величине рН крови.
участок, ответственный за образование водородных связей
О
участок, ответственный за самоассоциацию молекул Большинство лекарственных веществ, применяемых в современной медицине, имеют гетероциклическое строение. В курсе ор-
Таблица 5 - Связь структуры и действия для фторхинолонов
Положение Влияние на активность
N(1) Играет важную роль в проявлении антибактериальной активности. Замена на углерод, кислород, серу приводит к значительному уменьшению активности или полному её исчезновению. Оптимальным углеводородным остатком, связанным с N(1), является этильный или циклопропильный. В остатке могут присутствовать один или два атома фтора.
С(2) Не содержит заместителей. Введение в данное положение СН3 или 8СН3 группы из-за стерического влияния дезактивирует молекулу фторхинолона.
С(3) В данном положении обязательно должна присутствовать карбоксильная группа. Замена такой группы на атом водорода, ацил, остатки гидроксамовой, уксусной, фосфоновой, сульфиновой, сульфоновой кислот и т.д. приводит к резкому снижению антибактериальной активности или полной её потере.
С(4) Оксогруппа в 4-м положении (как и карбоксильная группа в 3-м положении) является обязательной для связывания фторхинолонов с ферментом-мишенью. Замена данной группы на любую другую приводит к полному исчезновению антибактериальной активности.
С(5) Различные заместители, связанные с данным атомом углерода могут уменьшать или увеличивать антибактериальную активность. Например, введение КН2-группы приводит к значительному повышению активности, а СН3КН-группы снижает её.
С(6) Атом галогена (особенно фтора) в данном положении оказывает благоприятное действие на антибактериальную активность, но вовсе не обязателен для получения высокоактивных соединений.
С(8) Увеличивают активность атомы галогенов, метоксигруппа, а также замещение С(8) на атом азота.
ганическои химии студенты изучают строение молекул гетероциклов, их ароматичность, кислотно-основные своИства, важнейшие химические реакции. Фармацевтическая химия знакомит будущих провизоров со связью структуры и действия, метаболизмом гетероциклических лекарственных веществ; стабильностью и методами анализа соответствующих фармацевтических субстанций и лекарственных средств. Ниже на примере соединений, содержащих в молекуле фенотиазиновое ядро, показаны некоторые вопросы, изучаемые в курсе фармацевтической химии для производных определённой гетероциклической структуры.
Фенотиазин (дибензо-1,4-тиазин) - гетероциклическое соединение, состоящее из 1,4-тиазинового и конденсированных с ним двух бензольных колец.
10
N
I
H
lGH-фенотиазин
Фенотиазин обладает ароматичностью. Он является хорошим донором электронов и легко вступает в реакции электрофильного замещения, которые с наибольшей скоростью протекают в положениях 2 и 7. Характерной особенностью фенотиазина и его производных является в значительной степени выраженная способность к окислению (как in vitro, так и in vivo). При отдаче одного электрона атомом азота образуется окрашенный катион-радикал, который затем превращается в окрашенный дикатион-радикал. При дальнейшем окислении дикатион-радикала образуются бесцветные продукты: сульфоксид и сульфон. Катион-радикалы также могут вступать в реакцию с водой с образованием 3-гидроксипроизводных.
Реакции окисления проводят в кислой среде (обычно H2SO4). В качестве реагентов применяются различные неорганические и, реже, органические окислители. Окраска катион-радикала зависит от заместителя, находящегося во втором положении. В случае 2-хлорпроизводных максимум поглощения находится в области 525-540 нм, для трифтор-метильных производных и соединений, не содержащих заместителя, при 500-516 нм. Электроноакцепторные заместители уменьшают восстановительные свойства фенотиазинового ядра, поэтому трифторметильные производные фенотиазина более устойчивы к окислению.
В зависимости от химического строения и характера фармакологической активности все производные фенотиазина можно разделить на две группы:
- 10-алкилпроизводные фенотиазина,
- 10-ацилпроизводные фенотиазина.
5
3
2
9
I
H
-e
N
I
H
катион-радикал
[O]
сульфоксид
-e
On уР
S
N і
H
сульфон
+ H2O - 2H+
H
дикатион-радикал
S
Лекарственные вещества, относящиеся к первой группе, используются, главным образом, как нейролептики. Представители второй группы обладают антиаритмическим и анти-ангинальным действием.
Ниже показана связь структуры и действия для производных фенотиазина, обладающих антипсихотическим действием.
В определённой конформации 10-алкил-производные фенотиазина имеют структурное сходство с молекулой дофамина. Вследствие этого они являются антагонистами дофаминовых рецепторов (с большей селективностью по отношению к В2-рецепторам) и обладают нейролептическим действием.
Для связывания с рецептором необходимо фенотиазиновое или изостеричное ему тиоксантеновое ядро. Во втором положении фенотиазинового ядра должен находиться электроноакцепторный заместитель. Влияние заместителей на фармакологическую активность увеличивается в следующем ряду:
Н < С1 < СН30 < СН3СО < СР3 < 802МЯ2
Дополнительные заместители в фенотиа-зиновом ядре уменьшают фармакологическую активность: заместитель в 1-м положении влияет на конформацию боковой цепи, заместитель в 4-м положении препятствует связываться с рецептором атому серы и т.д.
Оптимальным для связывания с дофаминовыми рецепторами является наличие в молекуле 10-аминоалкилпроизводного фе-нотиазина цепочки, состоящей из 3-х атомов углерода. Уменьшение её длины приводит к увеличению способности вещества взаимодействовать с другими рецепторами, например с Н1-гистаминовыми рецепторами, расположенными в ЦНС, и, следовательно, к увеличению интенсивности побочных эффектов при его использовании. Увеличение и разветвление углеродной цепочки приводят к уменьшению активности. Заместитель может при-
сутствовать лишь у а-углеродного атома по отношению к аминогруппе.
Для связывания с дофаминовым рецептором в молекуле производного фенотиазина должна присутствовать протонированная третичная аминогруппа. Соединения с первичной и вторичной аминогруппами менее активны. Заместители у атома азота не должны быть большими (не больше этильной группы). В зависимости от строения концевой азотсодержащей группы 10-алкилпроизводные феноти-азина разделяют на алифатические производные, производные пиперазина и пиперидина. Первые содержат в заместителе диметилами-ногруппу (такие лекарственные вещества называют «промазинами»); вторые - остаток пиперазина, у которого при втором атоме азота находится метильная группа («перазины») или гидроксиэтильная группа («феназины»); третьи - остаток пиперидина, причём один из атомов трёхуглеродной цепочки, необходимой для фармакологической активности, может входить в состав данного гетероцикла.
Одним из разделов фармацевтической химии является фармацевтический анализ. В некоторых странах он изучается в виде отдельной дисциплины (табл. 2). Особенностью современного фармацевтического анализа является возрастание роли инструментальных методов анализа (в первую очередь хроматографических и спектрометрических), что приводит к соответствующих изменениям в учебных программах как по фармацевтической химии, так и по химическим дисциплинам -органической и аналитической химии.
Молекулярная абсорбционная спектрометрия в ультрафиолетовой и видимой областях (спектрофотометрия) является, пожалуй, наиболее доступным и наиболее часто используемым спектрометрическим методом в практике лабораторий, занимающихся фармацевтическим анализом. При изучении органической и аналитической химии студенты фармацевтического факультета получают знания общих закономерностей данного метода анализа. В курсе фармацевтической химии студенты работают со спектрами конкретных лекарственных веществ, изучают связь спектральных характеристик и химического строения, примененяют спектрофотометрию для идентификации и количественного анализа фармацевтических субстанций и лекарственных средств.
а*
п*
n
п
а
Рисунок 1 - Электронные переходы в молекулах органических веществ.
На рисунке 1 показаны возможные электронные переходы в молекулах органических веществ.
Атомы или группы атомов, которые сами по себе не обуславливают появление полос поглощения, но влияют на характер поглощения хромофоров, называются ауксохромами. Ауксох-ромы имеют неподелённые электронные пары, находящиеся в сопряжении с п-электронной системой хромофора, и могут сдвигать полосу поглощения хромофора в более длинноволновую область (батохромный сдвиг) или в более коротковолновую область (гипсохромный сдвиг), увеличивать её интенсивность (гиперхромный эффект) или уменьшать её (гипохромный эффект).
В молекуле прокаина содержится бензольное ядро (хромофор) и сопряжённая с ним первичная ароматическая аминогруппа (аук-сохром). В спектре поглощения водного раствора прокаина гидрохлорида (рис. 2) имеется интенсивная полоса с максимумом при 290 нм, обусловленная электронным переходом между участвующей в сопряжении п-орбиталью и п*-орбиталью. При добавлении кислоты первичная аминогруппа протонируется и соответ-
X, нм
Рисунок 2 - Спектры поглощения прокаина гидрохлорида (0,026 г/л): 1 - водный раствор; 2 - раствор в 0,1 М НС1.
X, нм
Рисунок 3 - Спектр поглощения водного раствора дифенгидрамина гидрохлорида (0,5 г/л).
ствующая полоса поглощения исчезает.
Спектры поглощения лекарственных веществ, содержащих изолированные бензольные хромофоры похожи друг на друга и на спектр бензола. Такие спектры, в отличие от спектров фенолов или ароматических аминов не зависят от рН (в качестве примера на рисунке 3 показан спектр дифенгидрамина гидрохлорида).
Принята в печать 05.03.2014 г.
Сведения об авторах:
Жерносек А.К. - к.ф.н., доцент, заведующий кафедрой фармацевтической хнмии с курсом ФПК н ПК УО «Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет».
Адрес для корреспонденции: 210023, г.Внтебск, пр-т Фрунзе, 27, УО «Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет», кафедра фармацевтической химии с курсом ФПК и ПК. E-mail: [email protected] - Жерносек Александр Константинович.
