軍事藥學(xué)專業(yè)《計算機輔助藥物設(shè)計》實踐教學(xué)探索

董國強

(第二軍醫(yī)大學(xué) 藥學(xué)院，上海 200433)

軍事藥學(xué)專業(yè)《計算機輔助藥物設(shè)計》實踐教學(xué)探索

董國強

(第二軍醫(yī)大學(xué) 藥學(xué)院，上海 200433)

計算機輔助藥物設(shè)計是現(xiàn)代新藥創(chuàng)制的前沿學(xué)科，也是培養(yǎng)"戰(zhàn)學(xué)研用"全面綜合性軍事藥學(xué)人才的重要組成部分。本文從教學(xué)平臺建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和課程考核四個方面對計算機輔助設(shè)計實踐教學(xué)進行了探索和總結(jié)。

軍事藥學(xué);計算機輔助藥物設(shè)計;實踐教學(xué);教學(xué)改革

軍事藥學(xué)是關(guān)于防治特種及常規(guī)武器傷和防治軍隊特殊環(huán)境引發(fā)疾病所用藥物的研究、生產(chǎn)、儲運、供應(yīng)和使用的科學(xué)[1]。我軍在《“十二五”軍隊重點建設(shè)學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域指南》中明確新增軍事藥學(xué)學(xué)科，確定學(xué)科建設(shè)方向及內(nèi)涵為軍隊特需藥品創(chuàng)制關(guān)鍵技術(shù)及指標體系、多樣化軍事任務(wù)中藥材保障模式和方法。秦伯益院士則從面向戰(zhàn)爭、服務(wù)和平、軍民兩用等多個角度闡述了軍事藥學(xué)的重要作用，同時基于軍事科技發(fā)展以及未來戰(zhàn)爭的需要，提出重視軍事藥學(xué)的發(fā)展，提升藥品保障和軍特藥研發(fā)能力[2]。其中，創(chuàng)新藥物特別是軍特藥的研發(fā)是軍事藥學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的重要任務(wù)。

近年來，計算機科學(xué)取得長足的進步，計算機輔助藥物設(shè)計(computer-aided drug design, CADD)方法呈現(xiàn)出突飛猛進的發(fā)展趨勢，已經(jīng)成為藥物發(fā)現(xiàn)的重要手段，許多用計算機輔助藥物設(shè)計的藥物相繼上市或進入臨床研究。計算機輔助藥物設(shè)計是以計算機為載體，綜合運用物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物等多學(xué)科的基本原理，對藥物研發(fā)的各個階段進行輔助詮釋，對藥物小分子進行設(shè)計和預(yù)測的新興交叉學(xué)科。計算機輔助藥物設(shè)計誕生于20世紀60年代，20世紀90年代才得以迅猛發(fā)展。尤其是近10年，計算機輔助藥物設(shè)計發(fā)展極為迅速，應(yīng)用各種理論計算方法和分子模擬技術(shù)進行計算機模擬藥物設(shè)計，已成為國際上十分活躍的研究領(lǐng)域。各大制藥公司紛紛投資建立各自的計算機輔助藥物設(shè)計實驗室，運用計算機進行理論研究和藥物分子設(shè)計以帶動新藥開發(fā)[3]。如今計算機輔助藥物設(shè)計方法能夠有效加速新藥研究與開發(fā)的進程，研究藥物代謝和動力學(xué)性質(zhì)，已經(jīng)成為廣大藥學(xué)和生命科學(xué)研究者普遍認同的觀點。基于此點共識，許多著名高校例如中國藥科大學(xué)、山東大學(xué)、華東理工大學(xué)等都已經(jīng)建立自己的計算機輔助藥物分子設(shè)計教學(xué)平臺，或者在《藥物化學(xué)》授課中增加計算機輔助藥物設(shè)計實踐教學(xué)，或者單獨開設(shè)計算機輔助藥物設(shè)計課程，進行理論與實踐相結(jié)合的模式開展教學(xué)[4]。第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院是國內(nèi)首批兩個軍事藥學(xué)軍事重點學(xué)科承建單位之一[5]，為了適應(yīng)新時期軍事斗爭衛(wèi)生勤務(wù)保障需要，培養(yǎng)"戰(zhàn)學(xué)研用"全面綜合性軍事藥學(xué)人才，從2012年開始陸續(xù)設(shè)置多門特色課程，《計算機輔助設(shè)計》即是其中之一，作為我校軍事藥學(xué)本科專業(yè)選修課程。第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院藥物化學(xué)教研室是國內(nèi)最早開展計算機輔助藥物設(shè)計相關(guān)研究的科室，迄今已有20多年歷史。相關(guān)研究在J. Med. Chem.等著名期刊發(fā)表多篇高水平論文。長期以來，《計算機輔助設(shè)計》主要作為藥物化學(xué)研究生培養(yǎng)的必修課程，面向本科生開展實踐教學(xué)尚屬首次。

1 教學(xué)平臺建設(shè)

2010年教研室引入擁有16個刀片組，128個CPU的戴爾高性能計算機集群。2014年，在學(xué)校教學(xué)平臺建設(shè)支持下購進20臺聯(lián)想電腦，構(gòu)成服務(wù)器--終端一體化集群系統(tǒng)，為計算機輔助藥物設(shè)計的相關(guān)教學(xué)提供了強有力的硬件基礎(chǔ)。本教研室在國家和地方各類基金支持下購買了各類分子模擬軟件包，包括Discovery Studio 3.0、SYBYL-X 1.2、GOLD、MVD、Amber，這些軟件不僅應(yīng)用于科學(xué)研究還用于本科生和研究生培養(yǎng)，為相關(guān)教學(xué)提供了堅實的軟件基礎(chǔ)。

2 教學(xué)內(nèi)容

本課程教學(xué)時數(shù)不多，總計18學(xué)時。計算機輔助藥物設(shè)計理論知識涉及到量子力學(xué)和高等數(shù)學(xué)等難以理解的內(nèi)容，單純的理論學(xué)習(xí)會令學(xué)生學(xué)習(xí)極為枯燥，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。針對這一問題，在前期課程調(diào)研中我們通過調(diào)研資料和參觀學(xué)習(xí)兄弟院校相同課程教學(xué)模式，結(jié)合本教研室多年來在計算機輔助藥物設(shè)計教學(xué)和科研中積累的經(jīng)驗，制定了相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容：(1)壓縮純理論授課。理論課2學(xué)時，采用陳凱先院士的《計算機輔助藥物設(shè)計--原理、方法及應(yīng)用》和魏冬青教授的《計算機輔助藥物設(shè)計》作為理論授課的主講教材，課堂上舍去晦澀難懂的純理論部分，主要介紹計算機輔助藥物設(shè)計基本概念和基本思想，基于受體藥物設(shè)計方法和基于配體藥物設(shè)計方法；(2)提高實踐課比例，以實踐教學(xué)為主。實踐課16學(xué)時，實踐教學(xué)采取上機操作邊講邊練的授課模式，主要借助市面上主流的兩大綜合性藥物設(shè)計軟件Discovery Studio 3.0和SYBYL-X 1.2，開展小分子構(gòu)建、蛋白模建、分子對接、藥效團構(gòu)建、分子動力學(xué)模擬、3D-QSAR和ADME/T預(yù)測。通過具體的典型成功案例，由簡到繁，由易到難逐步將計算機輔助藥物設(shè)計的知識和運用教授學(xué)員。

3 教學(xué)方法

雖然計算機輔助藥物設(shè)計已經(jīng)獲得人們的認可，多所高校也已開設(shè)計算機輔助藥物設(shè)計課程，但是對計算機輔助藥物設(shè)計本科課程教學(xué)模式來說，仍存在一些問題需要解決：(1)教學(xué)模式比較單一。教學(xué)過程中多采用老師演示，學(xué)生重復(fù)的單調(diào)教學(xué)手段，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中只是對老師上一步操作的簡單重復(fù)，缺少自主探索思考的過程。(2)前沿知識了解不夠。缺少對新技術(shù)、新方法和新文獻內(nèi)容的學(xué)習(xí)，造成學(xué)到知識陳舊的缺陷，與日后的工作和研究生學(xué)習(xí)產(chǎn)生脫節(jié)。(3)與軍事斗爭需求相脫節(jié)，不利于軍事藥學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)。針對這些問題，本課程教學(xué)引入項目式教學(xué)方法。項目式教學(xué)法是由老師指導(dǎo)，由學(xué)生參與進行信息收集、方案設(shè)計、實施和評價的新型教學(xué)方法。整個項目由學(xué)生自己負責(zé)，以學(xué)生為主體、項目為主線實施開展，老師負責(zé)指導(dǎo)和引導(dǎo)，從而將理論知識與實踐應(yīng)用直接對接，提高學(xué)習(xí)效率[6]。在實際教學(xué)過程中通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，強化軍事特色，將教學(xué)重點放在藥效團構(gòu)建、大分子同源模建、3D-QSAR和分子對接四大塊內(nèi)容。增加軍隊特需藥物研發(fā)實例，如神經(jīng)毒劑防治藥物、抗真菌藥物、抗疲勞藥物、鎮(zhèn)痛藥物和瘧疾防治藥物等。按學(xué)生自愿分成4個小組(每組5人)，通過內(nèi)容整合形成四個項目，要求學(xué)生圍繞項目進行文獻查閱和課題開展，在項目進行中遇到的困難，要求教師不能直接予以解答，而是給予相關(guān)提示，調(diào)動學(xué)生思考問題和解決問題的能力。最后在項目實施最終階段，以小組為單位撰寫研究報告，進行課題答辯。

4 課程考核

改變傳統(tǒng)教學(xué)成績評價中一考定全局的評價模式，將以往以記憶力測試為主的知識性考核向以實踐運用考核為主的能力和素質(zhì)測試轉(zhuǎn)變。本課程采用多元化的考核評價方式，總成績由三部分組成：平時成績(20%)，包括學(xué)員課前預(yù)習(xí)、課堂提問等環(huán)節(jié)；期末上機考核(40%)，針對四大重點內(nèi)容，設(shè)計真實案例真實藥物數(shù)據(jù)，要求學(xué)員在2個學(xué)時內(nèi)通過上機操作完成考核內(nèi)容；項目答辯(40%)，針對項目研究成果，由每組學(xué)員選代表進行答辯展示，成績由評審教員(5人)綜合成績確定。整個考核方式從學(xué)習(xí)知識掌握知識的實際出發(fā)，將考核重點從重理論到重應(yīng)用轉(zhuǎn)變。通過對2014級軍事藥學(xué)本科學(xué)員問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，共20名學(xué)員中17人(85%)認為完全達到或基本達到預(yù)期學(xué)習(xí)效果，并希望后續(xù)仍然延續(xù)新的考核方式，3人(15%)表示不確定，基本學(xué)習(xí)效果受到學(xué)員的肯定。

5 結(jié)語

《計算機輔助藥物設(shè)計》實踐課程建設(shè)中，合理增加實踐課程安排，有效推進項目式教學(xué)方法，強化軍事特色，增加軍隊特需藥品研發(fā)案例，將抽象的只是變得具體，重點突出，最后采用合適的多元化考核方式進行學(xué)業(yè)評價，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。然而，這項教學(xué)工作仍需要不斷探索，不斷改進和完善，以培養(yǎng)"戰(zhàn)學(xué)研用"全面綜合性軍事藥學(xué)人才。

[1] 萬新良，陳志祥，劉 強. 軍事藥學(xué)[M]． 北京: 中國醫(yī)藥科技出版社，2003．

[2] 秦伯益． 軍事藥學(xué)與現(xiàn)代化建設(shè)[J]． 人民軍醫(yī)藥學(xué)?？?，1997，13( 2) : 88-90．

[3] 徐筱杰，侯廷軍，喬學(xué)斌，等．計算機輔助藥物分子設(shè)計[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

[4] 李 煒，葉德泳，仇綴百，等．基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的藥物設(shè)計學(xué)課程建設(shè)[J]．藥學(xué)教育，2011，27(1)：24-27．

[5] 施沅坤，王松?。摻ㄔO(shè)軍事藥學(xué)學(xué)科的必要性[J]．軍事醫(yī)學(xué)，2015，39(1)：68 70．

[6] 冷淑君．關(guān)于項目教學(xué)法的探索與實踐[J]．江西教育科研，2007(7)：119-120.

PracticeofComputer-AidedDrugDesignCourseforMilitaryPharmacySpecialty

DongGuoqiang

(School of Pharmacy, Second Military Medical University,Shanghai 200433,China)

Computer-aided drug design (CADD) is considered as the frontier subject in modern drug discovery, which also serve as an important component of high-quality military pharmacy talent training. This paper introduced the practice on the course of CADD by focusing on the four aspects of construction of teaching platform, teaching content, teaching method and course assessment.

military pharmacy;computer-aided drug design; practical course;educational reform

2017-09-11

董國強(1986—)， 山東德州人，講師，研究方向：計算機輔助藥物設(shè)計和多靶點抗腫瘤藥物研究。

G642.0

A

1008-021X(2017)18-0180-02

(本文文獻格式董國強.軍事藥學(xué)專業(yè)《計算機輔助藥物設(shè)計》實踐教學(xué)探索[J].山東化工，2017，46(18)：180-181.)