“虛擬仿真”及“案例教學(xué)”在藥物設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐中的探索性應(yīng)用

潘曉艷，單媛媛，盧聞，張杰

(1.西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院，陜西 西安 710061；2.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院藥學(xué)部，陜西 西安 710061)

近20年來，隨著人類基因組計(jì)劃的實(shí)施，功能基因組和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究以及與疾病相關(guān)基因的解析，為新藥創(chuàng)新提供了新靶標(biāo)，開拓了合理藥物設(shè)計(jì)的新階段。從最初的構(gòu)效關(guān)系分析，經(jīng)過數(shù)十年的探索，已經(jīng)從基礎(chǔ)理論研究應(yīng)用到新藥創(chuàng)制，取得了實(shí)質(zhì)性成果。計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)(CADD)已經(jīng)成為藥學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)和醫(yī)學(xué)等科研教學(xué)人員必須掌握的技術(shù)之一。藥學(xué)專業(yè)知名高校和科研院所均已開設(shè)了計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)這門課程[1-3]，并作為相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的必修課程。筆者于2012年開設(shè)了計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)研究生選修課程，在提高我院藥學(xué)研究生專業(yè)素養(yǎng)和科研水平方面進(jìn)行了初步的探索。

1 計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)課程特點(diǎn)及現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及藥物化學(xué)、分子生物學(xué)和計(jì)算化學(xué)的發(fā)展，CADD成為一個(gè)快速發(fā)展的新興領(lǐng)域，大大提高了新藥開發(fā)的效率，成為合理藥物設(shè)計(jì)不可或缺的環(huán)節(jié)[4]。CADD以化學(xué)生物學(xué)為主線，以藥物分子實(shí)體的發(fā)現(xiàn)為目標(biāo)，涵蓋新藥發(fā)現(xiàn)鏈的主要環(huán)節(jié)，包括先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化，以及藥物臨床前、臨床研究等領(lǐng)域[5]。CADD課程的特點(diǎn)是專業(yè)性較強(qiáng)，涉及的內(nèi)容、方法及軟件更新較快，對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)體系和實(shí)踐操作能力均有較高要求。該課程理論知識(shí)與實(shí)踐運(yùn)用容易脫節(jié)，如何將理論知識(shí)生動(dòng)、形象地呈現(xiàn)給學(xué)生，并將理論與實(shí)踐相結(jié)合是教學(xué)過程中需要解決的問題。

2 計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)教改思路

目前，CADD課程教學(xué)中暴露出來一些問題，如：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)的過程中大多是簡單重復(fù)，缺少自主探索思考的過程；②前沿知識(shí)了解不夠，缺少對(duì)新技術(shù)、新方法和新文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致獲取知識(shí)陳舊，與日后研究生科研學(xué)習(xí)和工作產(chǎn)生脫節(jié)。針對(duì)這些問題，本課程教學(xué)中引入基于虛擬仿真的案例教學(xué)方法。

案例教學(xué)是以案例為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生通過案例分析和互動(dòng)討論來學(xué)習(xí)相關(guān)理論，能夠極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。案例教學(xué)起源于美國哈佛大學(xué)，因其生動(dòng)性、邏輯性和啟發(fā)性而被廣泛應(yīng)用[6-7]。藥學(xué)是實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，為了適應(yīng)高素質(zhì)創(chuàng)新型藥學(xué)研究生培養(yǎng)的要求，必須將實(shí)驗(yàn)教學(xué)、理論教學(xué)與科學(xué)研究緊密結(jié)合，開展現(xiàn)代化的藥學(xué)研究生案例教學(xué)，有助于推動(dòng)教與學(xué)的互動(dòng)，從而真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長。

虛擬仿真技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)，具有沉浸性、模擬性和交互性等優(yōu)勢[8]，把該技術(shù)融入研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的缺陷，延伸教學(xué)的深度和廣度，提高教學(xué)質(zhì)量。通過構(gòu)建一個(gè)可視化逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生能夠進(jìn)行高效的實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力，達(dá)到對(duì)晦澀難懂的抽象理論知識(shí)的理解，是高等醫(yī)藥院校培養(yǎng)21世紀(jì)應(yīng)用人才的有效手段。

3 基于虛擬仿真案例教學(xué)的課程設(shè)計(jì)

CADD已經(jīng)取得的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展和重要發(fā)現(xiàn)包括：乳腺癌和卵巢癌治療藥物(枸櫞酸他莫昔芬)、抗高血壓藥物(卡托普利)、抗流感藥物(扎那米韋和奧司他韋)、艾滋病治療藥物(沙奎那韋)、慢性粒細(xì)胞白血病治療藥物(格列衛(wèi))等[9-11]。筆者通過調(diào)研和借鑒相似課程教學(xué)模式，結(jié)合多年教學(xué)科研工作經(jīng)驗(yàn)，制定了相應(yīng)的案例教學(xué)內(nèi)容：案例1-ACEI構(gòu)效關(guān)系分析、案例2-ER拮抗劑分子對(duì)接、案例3-格列衛(wèi)作用機(jī)制及耐藥性分析。

教學(xué)中采用陳凱先院士的《計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)-原理、方法及應(yīng)用》和魏冬青教授的《計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)》作為參考教材，主要介紹CADD基本概念和主要策略，基于受體和基于配體的藥物設(shè)計(jì)理念；提高案例教學(xué)實(shí)踐課比例。采取上機(jī)操作實(shí)訓(xùn)的授課模式，主要借助國際主流CADD工作站—Sybyl-X 2.0，開展小分子構(gòu)建、蛋白模建、分子對(duì)接、藥效團(tuán)構(gòu)建、分子動(dòng)力學(xué)模擬、3D-QSAR和ADME/T預(yù)測。通過結(jié)合典型案例，由簡到繁，由易到難，使藥學(xué)研究生逐步掌握CADD實(shí)踐技能。

筆者所在藥學(xué)院建設(shè)了研究生虛擬仿真計(jì)算平臺(tái)，建立了完善的藥物先導(dǎo)物結(jié)構(gòu)優(yōu)化與虛擬篩選平臺(tái)，涵蓋藥物設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，包括：基于受體的分子對(duì)接和虛擬篩選、從頭藥物設(shè)計(jì)；基于配體的定量構(gòu)效關(guān)系分析、藥效團(tuán)建模和虛擬篩選、虛擬篩選；生物大分子同源模建；組合庫設(shè)計(jì)和優(yōu)化；化合物管理等，能夠滿足藥學(xué)研究生CADD教學(xué)及研究工作的需求。

4 基于虛擬仿真案例教學(xué)的課程內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)緊扣藥物設(shè)計(jì)理論課教學(xué)需求，由易到難，逐步推進(jìn)。第一個(gè)案例“血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑構(gòu)效關(guān)系分析”，通過分析藥物-靶點(diǎn)晶體數(shù)據(jù)，采用分子模擬虛擬仿真的方法從微觀層面深入觀察藥物-靶點(diǎn)相互作用的細(xì)節(jié)。使學(xué)生初步掌握相關(guān)軟件和數(shù)據(jù)庫，可從任意角度和尺寸觀察藥物-靶點(diǎn)的相互作用，學(xué)會(huì)分析氫鍵、疏水性等基本相互作用，掌握相互作用力與構(gòu)效關(guān)系分析之間的關(guān)聯(lián)，這在傳統(tǒng)教學(xué)模式中難以實(shí)現(xiàn)。課后思考題比較靈活，沒有固定答案，需要學(xué)生獨(dú)立思考，充分應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)來完成。

第二個(gè)案例“雌激素受體調(diào)節(jié)劑分子對(duì)接”，通過比較作用于雌激素受體的三種藥物的相互作用模式，使學(xué)生深入了解作用于同一靶點(diǎn)的激動(dòng)劑與抑制劑的差別，學(xué)生掌握了PubChem數(shù)據(jù)庫的檢索方法，獨(dú)立完成分子對(duì)接操作并分析結(jié)果。在分子模擬和分子對(duì)接的此基礎(chǔ)上，完成藥物設(shè)計(jì)練習(xí)。

第三個(gè)案例“格列衛(wèi)的作用機(jī)制及耐藥性分析”是綜合一體化實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際條件，為選做實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)涵蓋了靶向藥物的作用機(jī)制與耐藥性產(chǎn)生機(jī)制分析等，學(xué)生可了解藥物開發(fā)前沿：腫瘤靶向藥物的設(shè)計(jì)、合成與作用機(jī)制，以及藥物開發(fā)前期階段的基本過程和方法，這些在傳統(tǒng)藥物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)很少涉及。

以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了藥物研發(fā)過程的學(xué)科交叉融合的特征，通過“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)模式，有利于學(xué)生全面學(xué)習(xí)并系統(tǒng)掌握現(xiàn)代藥物設(shè)計(jì)的策略。

5 計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的考核方式

采用多元化的考核評(píng)價(jià)方式，總成績由三部分組成：平時(shí)成績(20%)，包括課前預(yù)習(xí)、課堂提問等環(huán)節(jié)；期末上機(jī)考核(40%)，針對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容，結(jié)合新藥設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，要求學(xué)員在4個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)通過上機(jī)操作完成考核內(nèi)容。考核方式從學(xué)習(xí)知識(shí)、掌握知識(shí)的實(shí)際出發(fā)，將考核重點(diǎn)從重理論向重實(shí)踐轉(zhuǎn)變。

6 基于虛擬仿真案例教學(xué)的教學(xué)效果

通過問卷調(diào)查對(duì)基于虛擬仿真的案例教學(xué)效果進(jìn)行分析。調(diào)查對(duì)象為2019級(jí)藥學(xué)專業(yè)研究生隨機(jī)抽樣。調(diào)查問卷是基于實(shí)際教學(xué)情況設(shè)計(jì)的，問卷選取了“關(guān)于虛擬仿真案例教學(xué)改革的態(tài)度”、“關(guān)于虛擬仿真案例教學(xué)的效果”及“關(guān)于虛擬仿真案例教學(xué)的進(jìn)一步建議”3個(gè)一級(jí)指標(biāo)，每一個(gè)一級(jí)指標(biāo)下面設(shè)計(jì)若干個(gè)二級(jí)指標(biāo)，全卷共19個(gè)二級(jí)指標(biāo)，可了解學(xué)生對(duì)CADD教學(xué)改革的態(tài)度、意見，以及本課程教學(xué)改革的效果。調(diào)查結(jié)果(見表1～3)與分析如下。

表1 關(guān)于虛擬仿真案例教學(xué)改革的態(tài)度

100%的學(xué)生支持本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，說明基于虛擬仿真的案例教學(xué)改革是必需的，學(xué)生對(duì)此完全支持。對(duì)課堂形式、教學(xué)模式、課程考評(píng)制度、老師指導(dǎo)方式的變化，學(xué)生也給予了積極的回應(yīng)和充分的肯定。但是，在學(xué)習(xí)適應(yīng)性方面，部分學(xué)生存在一定問題；85.7%的學(xué)生能夠很好適應(yīng)，14.3%的學(xué)生對(duì)此適應(yīng)一般。關(guān)于課堂氛圍，92.8%的同學(xué)是滿意的，7.1%的學(xué)生認(rèn)為一般。基于此，說明課程的改革得到了同學(xué)們的支持，大部分學(xué)生對(duì)此持肯定態(tài)度，也有部分學(xué)生不能夠很好地適應(yīng)這一變化，在后續(xù)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，應(yīng)兼顧這部分同學(xué)的需求，對(duì)課程的改革進(jìn)一步細(xì)化，使其更具普適性。

表2主要是關(guān)于教學(xué)改革效果的調(diào)查，有71.5%認(rèn)為本課程教學(xué)效果優(yōu)于其他課程。92.9%的同學(xué)認(rèn)為教學(xué)改革有助于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能(幫助非常大占57.2%，有一定的幫助占35.7%)。對(duì)于教學(xué)改革改善的內(nèi)容，學(xué)生認(rèn)為改善最大的是學(xué)習(xí)深度(57.1%)，其次是學(xué)習(xí)興趣(50%)，再者是學(xué)科前沿(35.7%)，由此可以看出教學(xué)改革帶來的效果是非常顯著的，極大提高了學(xué)生的積極性，使學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)有更深入的理解。學(xué)習(xí)興趣方面，64.3%的同學(xué)認(rèn)為該課程挺有趣，35.7%的同學(xué)越來越有興趣，說明教學(xué)改革極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性。關(guān)于課程的重要性，71.5%的同學(xué)認(rèn)識(shí)到是藥學(xué)相關(guān)研究的基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)研究課題的開展是十分有必要的，21.4%的同學(xué)對(duì)課程內(nèi)容感興趣，并逐漸認(rèn)識(shí)到該課程的重要性。教學(xué)效果方面，35.7%的同學(xué)能夠理解各項(xiàng)操作原理，42.9%的同學(xué)掌握了各項(xiàng)操作，但對(duì)原理不能夠完全掌握，說明該課程改革還需進(jìn)一步深化。對(duì)此筆者認(rèn)為增加案例和上機(jī)課時(shí)，將有助于改善這一效果。教學(xué)內(nèi)容方面，57.1%的同學(xué)認(rèn)為構(gòu)效關(guān)系研究非常有用，71.5%的同學(xué)認(rèn)為分子對(duì)接對(duì)后續(xù)研究十分重要，構(gòu)效關(guān)系及分子對(duì)接是CADD的重中之重，案例教學(xué)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到CADD的重要性。整體來說，進(jìn)行基于虛擬仿真的案例教學(xué)后，可極大提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，認(rèn)識(shí)到課程的重要性，并對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)有更深入的了解和認(rèn)識(shí)。

表2 關(guān)于虛擬仿真案例教學(xué)的效果

表3 關(guān)于虛擬仿真案例教學(xué)的進(jìn)一步建議

關(guān)于下一步改進(jìn)的建議，64.3%的學(xué)生認(rèn)為課程改革重點(diǎn)在教學(xué)內(nèi)容上，由理論向應(yīng)用傾斜，35.7%的學(xué)生建議教學(xué)手段由傳統(tǒng)向現(xiàn)代手段側(cè)重，28.6%的學(xué)生認(rèn)為教學(xué)方法向以學(xué)為主側(cè)重，說明大部分學(xué)生希望該課程更加傾向于實(shí)踐，并引入越來越多的現(xiàn)代教學(xué)手段。在重點(diǎn)內(nèi)容方面，分子對(duì)接和蛋白解析是學(xué)生普遍認(rèn)為難度較大的兩個(gè)部分，要加強(qiáng)這兩部分的原理及實(shí)驗(yàn)教學(xué)。關(guān)于期望擴(kuò)展的教學(xué)內(nèi)容方面，57.2%的學(xué)生認(rèn)為是虛擬篩選，該技術(shù)可用于先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于新藥發(fā)現(xiàn)具有重要意義；35.7%的學(xué)生認(rèn)為是其他類型的分子對(duì)接，可擴(kuò)展到蛋白和蛋白的分子對(duì)接，以及小分子和DNA的對(duì)接等。在本課程中，學(xué)生認(rèn)為最應(yīng)該收獲的是學(xué)習(xí)一門技術(shù)(64.3%)，對(duì)今后的研究和工作有所幫助，這說明學(xué)生更加看重實(shí)踐性。對(duì)應(yīng)的，影響課程學(xué)習(xí)效果的因素中，42.8%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)踐機(jī)會(huì)少，28.6%的同學(xué)認(rèn)為手上學(xué)習(xí)資料較少，相同人數(shù)的學(xué)生同時(shí)認(rèn)為課后學(xué)習(xí)時(shí)間較少。針對(duì)上述問題，筆者認(rèn)為應(yīng)該增加操作的視頻學(xué)習(xí)材料或文獻(xiàn)資料；同時(shí)開展課后案例作業(yè)，以小組為單位，收集相應(yīng)的資料、設(shè)計(jì)解決方案、開展實(shí)驗(yàn)操作以及結(jié)果討論。進(jìn)而增加學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)踐時(shí)間，強(qiáng)化相應(yīng)操作原理的學(xué)習(xí)和案例操作。

7 結(jié)論

近年來，CADD作為新藥創(chuàng)制的重要手段，是藥學(xué)專業(yè)研究生重要的專業(yè)課，本文初步探索了虛擬仿真及案例教學(xué)在藥物設(shè)計(jì)課程中的應(yīng)用。虛擬仿真和案例教學(xué)通過計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)將藥物研究與開發(fā)涉及的相關(guān)知識(shí)有機(jī)整合，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，案例教學(xué)有助于加強(qiáng)CADD相關(guān)理論知識(shí)在實(shí)踐中的運(yùn)用。實(shí)踐證明，在藥物設(shè)計(jì)學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)用此教學(xué)法，開闊學(xué)生的知識(shí)面，使學(xué)生對(duì)相關(guān)學(xué)科前沿有深入的了解，鼓勵(lì)學(xué)生的探索求知精神，激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新思維，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，對(duì)于綜合型新藥研究與開發(fā)人才的培養(yǎng)具有重要意義。

致謝:感謝西安交通大學(xué)研究生教育改革項(xiàng)目(課程類)的資助。