楊 潔，曾 嶸，袁 懿，歐陽勤

(陸軍軍醫(yī)大學(xué)，重慶 400038)

藥物化學(xué)(Medicinal chemistry)是一門發(fā)現(xiàn)與發(fā)明新藥、合成化學(xué)藥物、闡明藥物化學(xué)性質(zhì)、研究藥物分子與機(jī)體細(xì)胞(生物大分子)之間相互作用規(guī)律的綜合性學(xué)科，是藥學(xué)領(lǐng)域中的重要學(xué)科[1]。近年來，生物學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、物理學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科不斷交叉融入傳統(tǒng)的藥物化學(xué)中，最新的藥物化學(xué)研究早已不僅僅拘泥于單純的藥物合成，研究?jī)?nèi)容和形式都在不斷擴(kuò)充，使得藥物化學(xué)又成為一個(gè)備受關(guān)注的朝陽學(xué)科[2]。并且隨著祖國(guó)不斷地繁榮昌盛，我國(guó)醫(yī)藥事業(yè)對(duì)藥物研發(fā)人才的需求也越加巨大，培養(yǎng)綜合性全面發(fā)展的藥學(xué)人才也成為了當(dāng)代藥物化學(xué)教學(xué)的最終目標(biāo)[3]。目前，全國(guó)高等學(xué)校本科生藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程仍以傳統(tǒng)的化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)為主，單純地重復(fù)驗(yàn)證經(jīng)典藥物的合成，不僅與有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容較為重復(fù)，且缺少與生物學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)等學(xué)科交叉融合，已經(jīng)不能完全體現(xiàn)當(dāng)代藥物化學(xué)課程的特征。分析原因可能是：(1)我國(guó)藥學(xué)的初步發(fā)展主要依賴于化學(xué)合成；(2)過去的研究條件較差，而藥物分子水平相互作用實(shí)驗(yàn)，以及計(jì)算機(jī)模擬對(duì)接實(shí)驗(yàn)要求的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)成本較高。因此，為使藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程更加貼近現(xiàn)代藥物化學(xué)的研究規(guī)律，以及滿足藥物化學(xué)人才培養(yǎng)的需求，進(jìn)行了本次藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合性改革。

1 藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合性改革的方式

根據(jù)藥物化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)和現(xiàn)代藥物化學(xué)的最新科研思路，通過查閱文獻(xiàn)資料并與相關(guān)教師充分討論，作者嘗試性地在傳統(tǒng)合成實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上將藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革，具體如下。

1.1課程內(nèi)容改革

1.1.1加入藥物活性測(cè)定實(shí)驗(yàn) 本科生在傳統(tǒng)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中幾乎接觸不到生物學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，但目前藥物化學(xué)及其他方向的科學(xué)研究中，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)卻占據(jù)了極大的比重。因此，創(chuàng)新性地引入藥物分子水平的相互作用的實(shí)驗(yàn)不僅能讓學(xué)生更加直觀地認(rèn)識(shí)藥物發(fā)揮的實(shí)際藥理作用，加深藥物化學(xué)理論知識(shí)的理解，還能掌握分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的基本操作，為將來進(jìn)行科學(xué)研究打下一定基礎(chǔ)[4]。

1.1.2加入計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，單靠文字描述和二維圖片展示很難使學(xué)生理解化合物的立體結(jié)構(gòu)、藥物分子與受體的作用方式及藥物的構(gòu)效關(guān)系等[5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代教育的發(fā)展，多媒體輔助教學(xué)集成文字、聲音、圖片、影像、動(dòng)畫等各類信息，被廣泛應(yīng)用于課堂教學(xué)中，成為傳播知識(shí)不可或缺的先進(jìn)教育技術(shù)[6]。將Sybyl-X、PyMOL等計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用于藥物化學(xué)教學(xué)，構(gòu)建藥物、蛋白的三維分子模型，不但可以幫助學(xué)生更加深刻地理解藥物發(fā)揮作用的方式和原理，還能生動(dòng)形象地向?qū)W生展現(xiàn)有趣的藥物微觀世界，期望可以起到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的作用[7-8]。

1.2教學(xué)方法創(chuàng)新 加入討論匯報(bào)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生僅以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式單向地向教師呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過加入最后的討論匯報(bào)部分，不僅可以提高學(xué)生的表達(dá)能力，還可以形成一個(gè)學(xué)生與教師之間、學(xué)生與學(xué)生之間雙向討論的局面，改變教師單方面輸出知識(shí)的傳統(tǒng)形式，讓每一個(gè)學(xué)生都參與進(jìn)來，學(xué)會(huì)主動(dòng)地思考和解決問題。

1.3教學(xué)模式創(chuàng)新 采用虛擬與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)模式。虛擬與實(shí)際相結(jié)合，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化和延伸，是目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)重要方向[9]。本次綜合性實(shí)驗(yàn)改革通過生物實(shí)驗(yàn)測(cè)定藥物的活性，直觀形象地讓本科生認(rèn)識(shí)到藥物所發(fā)揮的具體藥效，還利用計(jì)算機(jī)軟件模擬蛋白與藥物的對(duì)接方式，顯示藥物與受體的結(jié)合原理，并以三維圖形的形式展示分子相互作用的動(dòng)態(tài)過程，使原本抽象的教學(xué)內(nèi)容能夠直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。不僅能豐富藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和形式，還能充分調(diào)動(dòng)本科生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性和求知欲。

2 藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合性改革的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

2.1合成藥物的確定 作為藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革項(xiàng)目，突出“藥物”的特點(diǎn)是必要的，合成的化合物必須是藥物或者藥物的中間體[10]。合成過程中考慮所用原料、試劑、儀器的安全性也是非常重要的一點(diǎn)。此外，實(shí)驗(yàn)方法要求簡(jiǎn)單可靠，反應(yīng)條件溫和，耗時(shí)不宜過長(zhǎng)，提純方法不宜太復(fù)雜，操作難度適中。并且第二部分還將用第一部分合成的藥物進(jìn)行生物活性測(cè)定，這就要求藥物具有比較明顯的生物活性，且藥物靶蛋白的活性易于測(cè)定，能給本科生一個(gè)直觀的結(jié)果。為此作者首先從對(duì)酶活性具有明顯抑制作用的藥物著手，考慮了乙酰膽堿酯酶抑制劑溴新斯的明和他克林、血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑卡托普利、環(huán)氧合酶抑制劑對(duì)乙酰氨基酚和阿司匹林等多個(gè)預(yù)選方案(圖1)。后期通過文獻(xiàn)查閱和預(yù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溴新斯的明的合成需要用到對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)及呼吸系統(tǒng)具有嚴(yán)重?fù)p害性的溴甲烷，卡托普利的合成存在步驟復(fù)雜、產(chǎn)率較低且手性不易控制的缺點(diǎn)，環(huán)氧合酶的活性測(cè)定方法較為復(fù)雜。而他克林具有合成方法簡(jiǎn)便快捷、原料毒性低、乙酰膽堿酯酶的活性測(cè)定方法成熟的優(yōu)點(diǎn)，適合本科生藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)，因此最后選用乙酰膽堿酯酶抑制劑他克林作為本次實(shí)驗(yàn)改革的藥物。

圖1 對(duì)酶活性具有明顯抑制作用的藥物

2.2生物試劑盒的選擇 市面上有多種乙酰膽堿酯酶活性測(cè)定試劑盒，所用原理大都為：乙酰膽堿酯酶(AChE)催化乙酰膽堿(ACh)水解生成膽堿，膽堿與二硫?qū)ο趸郊姿?DTNB)作用生成 5-巰基-硝基苯甲酸(TNB)，TNB 在412 nm處有吸收峰，通過測(cè)定412 nm處吸光度的增加速率，來計(jì)算AChE活性。但作者在前期預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同試劑盒在操作方法、結(jié)果穩(wěn)定性方面稍有區(qū)別，例如：Solarbio公司試劑盒的操作步驟要求加完樣品和試劑后，在10、190 s時(shí)分別讀取412 nm處的吸光度，而Sigma-Aldrich公司的試劑盒要求在2、10 min時(shí)讀取412 nm處的吸光度，顯然后者對(duì)實(shí)驗(yàn)者的熟練度要求更低，更適合第一次接觸生物實(shí)驗(yàn)的本科生。因此通過預(yù)實(shí)驗(yàn)和討論，作者最終選擇了結(jié)果穩(wěn)定、操作方法適合本科生的Sigma-Aldrich公司的乙酰膽堿酯酶活性測(cè)定試劑盒。

2.3分子對(duì)接方法的選擇 作者所在教研室擁有理論浮點(diǎn)運(yùn)算峰值可達(dá)11.34TFlops的高性能集群，學(xué)生可以通過X-shell直接登錄服務(wù)器，并遠(yuǎn)程調(diào)用分子對(duì)接軟件進(jìn)行相關(guān)的課程訓(xùn)練。目前，常用的分子對(duì)接軟件包括：薛定諤藥物設(shè)計(jì)軟件，Discovery Studio，Sybyl-X，Autodock等。對(duì)于薛定諤藥物設(shè)計(jì)軟件和Discovery Studio，目前本校沒有教學(xué)使用的相關(guān)版權(quán)；Autodock為開源軟件，但是其分子對(duì)接操作相對(duì)較復(fù)雜，對(duì)沒有Linux系統(tǒng)使用經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生而言可能會(huì)具有一定的難度；而Sybyl-X是一款功能強(qiáng)大的藥物設(shè)計(jì)模擬軟件，是Tripos公司專門為藥物小分子與生物大分子科研者設(shè)計(jì)的分子模擬軟件，也是目前分子模擬常用的軟件之一[11]。而且Sybyl-X使用較為方便，學(xué)生可以通過遠(yuǎn)程登錄，調(diào)用服務(wù)器上的軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)。因此，作者選擇Sybyl-X作為課程學(xué)習(xí)的軟件，學(xué)生將根據(jù)蛋白晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)合口袋，進(jìn)行分子對(duì)接，軟件會(huì)根據(jù)結(jié)合情況分別進(jìn)行打分。但Sybyl-X在作圖方面有一定的缺陷，較難繪出理想的圖像。PyMOL是一款分子三維圖像顯示軟件，由DELANO W L編寫，能形象地表達(dá)分子動(dòng)態(tài)過程，目前對(duì)教學(xué)免費(fèi)試用。因此，作者選擇PyMOL軟件供學(xué)生學(xué)習(xí)，向?qū)W生演示小分子的三維結(jié)構(gòu)，以及用球棍、飄帶等多種方式顯示蛋白三維結(jié)構(gòu)的方法，并找到蛋白與藥物相互作用的關(guān)鍵氨基酸，具有圖像色彩鮮艷，結(jié)構(gòu)形象的優(yōu)點(diǎn)[8]。

2.4改革實(shí)踐 在具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，將實(shí)驗(yàn)改革課程分為4個(gè)部分，包括藥物他克林的合成、他克林的生物活性測(cè)定、他克林與蛋白的模擬對(duì)接、結(jié)果匯報(bào)(圖2)。在結(jié)果匯報(bào)方面，在傳統(tǒng)書面實(shí)驗(yàn)報(bào)告的基礎(chǔ)上，加入討論匯報(bào)環(huán)節(jié)。每組學(xué)生制作幻燈片，以報(bào)告的形式分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并討論實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題及自己的思考，同時(shí)教師和其他學(xué)生也可以向他們提出問題。通過這種形式，不僅可以鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考能力和表達(dá)能力，還能促進(jìn)師生之間的交流，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶。同時(shí)有4名指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的綜合表現(xiàn)給出實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)。作者期望通過這樣一個(gè)較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)改革，讓學(xué)生了解藥物化學(xué)的研究思路和方法，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)藥物化學(xué)學(xué)科及藥物化學(xué)課程的興趣。

圖2 綜合性藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程流程

3 藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合性改革的效果和總結(jié)

將藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合性改革，創(chuàng)新性地引入生物活性測(cè)定和計(jì)算機(jī)模擬藥物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過1年的實(shí)踐證明取得了良好的效果。

3.1實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置更加合理 藥物化學(xué)是連接化學(xué)和藥學(xué)的橋梁，主要涉及設(shè)計(jì)、發(fā)現(xiàn)、開發(fā)創(chuàng)新藥物[5]?，F(xiàn)代藥物化學(xué)除了傳統(tǒng)的化學(xué)合成外，已經(jīng)融合了生物學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)等內(nèi)容。而在本次綜合性實(shí)驗(yàn)改革中，學(xué)生熟練地掌握了藥物合成的實(shí)驗(yàn)技能；通過乙酰膽堿酯酶活性測(cè)定試劑盒測(cè)定合成的他克林的抑酶活性，并繪制半數(shù)抑制濃度(IC50)曲線(圖3 A、B)，直觀認(rèn)識(shí)藥物發(fā)揮的藥理活性；通過計(jì)算機(jī)模擬對(duì)接乙酰膽堿酯酶與他克林，讓學(xué)生更形象地認(rèn)識(shí)到藥物的空間結(jié)構(gòu)，并對(duì)藥物與靶點(diǎn)作用的微觀世界也有了深刻的認(rèn)識(shí)，使枯燥、抽象的藥物結(jié)構(gòu)和藥物化學(xué)知識(shí)變得直觀、易懂(圖3 C、D)；最后通過對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，提高了學(xué)生的獨(dú)立思考和表達(dá)的能力，既能活躍課堂氣氛、加強(qiáng)學(xué)生和教師間的交流，也加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶。

A、B：乙酰膽堿酯酶-他克林IC50曲線；C、D：乙酰膽堿酯酶與他克林模擬對(duì)接結(jié)果。

3.2學(xué)生綜合素質(zhì)得以提高 在本次實(shí)驗(yàn)改革中，學(xué)生對(duì)新的教學(xué)模式均展現(xiàn)出了極高的興趣，不僅課前認(rèn)真預(yù)習(xí)，獨(dú)立思考反應(yīng)機(jī)理，查找之前沒有接觸過的生物實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬對(duì)接的相關(guān)介紹，在實(shí)驗(yàn)過程中也勇于向教師提出問題，膽大心細(xì)。最后的展示討論部分，學(xué)生雖然是第1次上臺(tái)匯報(bào)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是大家認(rèn)真準(zhǔn)備PPT，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)操作的目的，激烈地討論實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，查閱文獻(xiàn)討論新方法(圖4)。大多數(shù)學(xué)生還在匯報(bào)中提到他們?cè)谒幬颕C50概念，酶活性的測(cè)定原理及方法，移液槍的使用，以及利用計(jì)算軟件模擬藥物與靶蛋白之間的相互作用等方面有所收獲。此綜合實(shí)驗(yàn)不僅鍛煉了學(xué)生解決問題的能力，加強(qiáng)了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，還激發(fā)了學(xué)生對(duì)科研的積極性和興趣。

圖4 代表性學(xué)生匯報(bào)PPT

3.3加深學(xué)生對(duì)藥物化學(xué)課程的理解 本次綜合性實(shí)驗(yàn)改革在傳統(tǒng)藥物合成的基礎(chǔ)上，加入了藥物的生物活性測(cè)定和藥物與靶蛋白的計(jì)算機(jī)模擬對(duì)接實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過實(shí)踐操作，向本科生呈現(xiàn)了現(xiàn)代藥物化學(xué)研究的完整思路，也讓他們對(duì)于藥物化學(xué)和生命科學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、信息學(xué)的相互交叉有了更加深刻的體會(huì)，提高學(xué)生對(duì)本專業(yè)的使命感和自豪感，為以后進(jìn)入藥學(xué)科研行業(yè)奠定了一定基礎(chǔ)。

4 總 結(jié)

本次藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合性改革，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)單純地重復(fù)驗(yàn)證經(jīng)典藥物合成的模式，創(chuàng)新性地引入藥效實(shí)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)模擬對(duì)接的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、形式都進(jìn)行了豐富。實(shí)驗(yàn)過程中課堂氣氛活躍，學(xué)生對(duì)于未接觸過的生物實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬對(duì)接實(shí)驗(yàn)均展現(xiàn)出了極高的求知欲和積極性。通過本次實(shí)驗(yàn)改革不僅讓學(xué)生全面扎實(shí)地掌握藥物化學(xué)知識(shí)，還讓本科生對(duì)當(dāng)代藥物化學(xué)的研究思路更加清晰，確實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，對(duì)于高素質(zhì)藥物化學(xué)人才的培養(yǎng)的模式和體系起到一定的實(shí)踐和探索作用。