CHEM 1660 BETTER LIVING THROUGH CHEMISTRY

Part III Wonder Drugs_1

Dr. Susan Y. LIANGEmail: ytliang@hkbu.edu.hkOffice: FSC 702B

Longer Life Expectancy 

• In many cultures, particularly before modern medicine was widely available, the combination of high infant mortality (嬰兒夭折率) and deaths in young adulthood from accidents, diseases, epidemics (流行病, such as the influenza in 1918 ), wars, significantly lowers the overall life expectancy.

• One of the main factors in longer life expectancy in modern society was the introduction of synthetic drugs, especially antibiotics.

the influenza in 1918

From Herbs to Wonder Drugs

Quinine from Cinchona tree

Aspirin from willow tree

Chinese medicine remedies

Penicillin from mold

Aspirin (阿司匹林)• Aspirin, also known as acetylsalicylic acid (ASA, 乙酰水楊酸), is a salicylate drug, often used as an analgesic (止痛劑) to relieve minor aches and pains, as an antipyretic (退熱藥) to reduce fever, and as an anti‐inflammatory (消炎藥) medication. Aspirin was first isolated by Felix Hoffmann, a chemist with the German company Bayer in 1897.

Acetyl salicylic acid (chemical name)

Aspirin (brand name)

Greek physician Hippocrates prescribes the bark and leaves of the willow tree (rich in a substance called salicin) to relieve pain and fever.

Bayer distributes aspirin powder to physicians to give to their patients. Aspirin is soon the number one drug worldwide.

400 BC

willow tree （柳樹）

1832A German chemist experiments with salicin and creates salicylic acid (SA).

1897Chemist, Felix Hoffmann, at Bayer in Germany, chemically synthesizes a stable form of acetyl salicylic acid (ASA)  powder that relieves his father's rheumatism. The compound later becomes the active ingredient in aspirin.

salicylic acid

Acetyl salicylic acid (chemical name)

Aspirin (brand name)

1899

Synthesis of Aspirin

Features of aspirin:• Reduce the acidity and irradiance to stomach  of salicylic acid

• The acetyl group (CH3C=O) can be cleaved under slightly basic (弱鹼性) environment (such as in intestine, 小腸) and keep the medical effectiveness

• The first synthetic pharmaceutical, which changing the practice of medicine Acetylsalicylic acid as a white 

powder 

Fatal Bacterial Infection

• A smell cut would be fatal, if infected, before the development of antibiotic drug.

• The great influenza pandemic of 1918‐1919 killed more than 20 million people worldwide. The influenza itself was viral; the actual cause of death was usually a secondary infection of bacterial pneumonia (肺炎).

• By the 1940s fear of the dreaded childhood duo of scarlet fever (猩紅熱) and diphtheria (白喉) had receded in countries where vaccination (疫苗) programs were available.

50% of soldiers wounded during the American Civil War died of bacterial infections

On the Way to Magic Bullet 

‘Number 606’Cell staining by dyesalvarsan

Paul Ehrlich, a German doctor, proposed a term ‘chemotherapy’, which was using chemical molecules, such as dyes, to cure diseases. The first successful magic bullet ‘Number 606’ was salvarsan, which was used to treat syphilis (梅毒).

Sulfanilamaid – the First Antibiotic

• Prontosil red, a red dye, could not kill bacteria in laboratory but showed good antibacterial effect in vivo (for example curing bacterial infected mice).

• Sulfanilamaid (磺胺), the metabolite (代謝物) of protosil red, is first antibiotic. Gerhard Dogmak

Sulfa Drugs

• The bacteria mistakenly use sulfanilamaid (磺胺) as PABA, which shares similar chemical structure, and fail to synthesis folic acid (葉酸, 維生素B9).

• Those drugs containing this specific structureare called Sulfa drug (磺胺類藥物).

• In World War I, solders were likely dead from injury. One of the reason was the infection of bacteria and gangrene (壞俎).

• Gas gangrene usually developed in deep wounds. 

• Amputation (截肢) was the only treatment in those days. 

• During World War II, thanks to antibiotic such as sulfa drugs, thousands of injured were safe from amputation and death

The Miracle Molecule – Penicillin (盘尼西林/青霉素)

Alexander Fleming

• In 1928, Alexander Fleming was checking his  culture dish of bacteria and found that there was a colony round molds. It indicated that mold would generate some materials to inhibit the growth of bacteria. 

• He named this material penicillin, which was from the moldPenicillium notatum(青霉菌)

医学诺贝尔之路（1945）：抗生素时代

http://songshuhui.net/archives/76664

Time line of Penicillin

• 1928, the discovery by Fleming 

• 1941, purification and clinical trials by Chain and Florey

• 1945, The Nobel Prize in Physiology or Medicine was awarded to the three pioneers

• 1946, confirmation of the structure

• 1957, successful synthesis 

http://www.youtube.com/watch?v=iXJhu1T3XQk

菌城旧事（二）

http://songshuhui.net/archives/15875

Penicillin G

• Penicillin has a non‐common structure, a four‐member ring (四元环) or β-lactam,which is the main contributor to the antibiotic effect.  

• The cause of bacteria death is simple – lysis (溶解). The cell wall (细胞壁) of bacteria is made from a lot of peptidoglycan (糖多肽) by enzyme. Penicillin can bind to this enzyme and inhibit the formation of cell wall, which finally turn the bacteria dead.

http://www.youtube.com/watch?v=qBdYnRhdWcQ

Amoxicillin 阿莫西林

Penicillin G

头孢

ampicillin 安比西林

Antibiotics Abuse

Antibiotics Resistance

http://www.youtube.com/watch?v=zjR6L38yReEhttps://www.youtube.com/watch?v=6sT5sz7cgBk

"a genuine threat of humanity returning to an era where mortality due to common infections is rife".

• Some bacteria are now so resistant that they are virtually untreatable with any of the currently available drugs –Super bacteria

https://www.youtube.com/watch?v=vYwypSLiaTU

Antibiotic Residue

http://v.youku.com/v_show/id_XNDkwMjk0Mjc2.htmlhttps://www.youtube.com/watch?v=djfMg3anuI4&list=PLF20C87E8ABAF78DF

• Antibiotic residues in meat, milk and eggs due to the production pattern of modern food industry raise health risks in two ways:

• one which produces potential threat to direct toxicity in human

• second is whether the low levels of antibiotic exposure would result in alteration of microflora, cause disease and the possible development of resistant strains