吳一諾,周勰,毛洋,曾優(yōu)美,陳纘光

中山大學(xué)藥學(xué)院 (廣州 528478)

儀器分析是藥學(xué)專業(yè)本科生的一門專業(yè)必修課程,學(xué)生需學(xué)習(xí)掌握光譜、色譜、質(zhì)譜、電化學(xué)相關(guān)的多種常用分析儀器的工作原理、組成、使用方法及應(yīng)用等知識[1]。課程旨在培養(yǎng)學(xué)生具備在藥物研發(fā)、藥品質(zhì)量分析、臨床藥學(xué)應(yīng)用等工作環(huán)節(jié)中所需熟練運(yùn)用儀器分析技術(shù)以解決工作問題的能力[2-3]。課程教學(xué)內(nèi)容涵蓋了多種現(xiàn)代分析儀器基本原理、結(jié)構(gòu)和分析方法,內(nèi)容多且各部分相對獨立,知識點覆蓋面廣且繁雜,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以抓住重點,學(xué)習(xí)興趣不高,課堂教學(xué)效果不佳。

筆者為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,有針對性地對儀器分析課程教學(xué)情況進(jìn)行分析,近年來在課程教學(xué)中引入案例教學(xué)法[4-5],在科研項目或時政熱點問題中選取契合課程內(nèi)容的案例,將其融入于儀器分析課程教學(xué),向?qū)W生介紹分析儀器分析在藥物研發(fā)、分析等方面的具體應(yīng)用,令學(xué)生了解儀器使用及分析的重要性,進(jìn)而提升學(xué)生對儀器分析課程學(xué)習(xí)的興趣,讓學(xué)生更加積極有效地掌握教學(xué)大綱所要求的教學(xué)內(nèi)容,由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí),應(yīng)用所學(xué)的理論知識發(fā)現(xiàn)問題、分析問題進(jìn)而解決問題,為日后的學(xué)習(xí)和工作奠定牢固的基礎(chǔ)。

新冠病毒全球肆虐,截至2022年8月10日全球感染人數(shù)超過5.8億。在校大學(xué)生受疫情影響多次封校、停課或線上教學(xué),筆者對由新冠疫情給生活和學(xué)習(xí)帶來的不便感觸至深。因此,在2021年度教學(xué)中,筆者通過引入與新冠藥物研發(fā)、病毒檢測等多個相關(guān)的科研案例,讓學(xué)生系統(tǒng)了解儀器分析在藥物研發(fā)流程中的作用,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。筆者介紹藥物在抗擊新冠疫情過程中所發(fā)揮的作用時,將思政教育融入專業(yè)知識教育,幫助學(xué)生樹立藥學(xué)人敢于擔(dān)當(dāng)勇于奉獻(xiàn)的信念,增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)自信心,培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感、使命感和擔(dān)當(dāng)感[6-7]。

1 典型案例一:X射線光譜儀在新冠候選藥物研發(fā)中的應(yīng)用

X射線光譜分析法是藥物研發(fā)、分析過程中較為普遍的一種檢測技術(shù),包括X射線吸收光譜分析法、X射線熒光光譜分析法、X射線衍射分析法和X射線光電子能譜分析法。課程教學(xué)過程中,學(xué)生需學(xué)習(xí)掌握X射線產(chǎn)生等基礎(chǔ)理論、X射線光譜儀的操作使用方法以及各類光譜的應(yīng)用。然而,X射線光譜儀屬于大型貴重儀器,多數(shù)儀器分析教學(xué)時無相關(guān)實驗設(shè)置或僅限于教師演示學(xué)生觀摩。學(xué)生無法通過上機(jī)操作近距離了解儀器內(nèi)部構(gòu)造,對該類儀器的了解僅局限于教師理論課上對基礎(chǔ)內(nèi)容的講述,通過死記硬背的方法掌握其相關(guān)使用方法及注意事項,理論與實踐脫節(jié),嚴(yán)重影響教學(xué)效果。

2021年度教學(xué)工作中,筆者在該部分教學(xué)中引入了X單晶衍射技術(shù)在新冠藥物研發(fā)中的應(yīng)用實例,向?qū)W生介紹該類技術(shù)在藥物設(shè)計與發(fā)現(xiàn)中的重要應(yīng)用。新冠病毒作為一類正鏈RNA病毒,主蛋白酶Mpro、木瓜蛋白酶PLpro等是該類冠狀病毒的關(guān)鍵靶點。2019年新冠疫情暴發(fā)后,饒子和院士研究團(tuán)隊迅速響應(yīng),僅一周就獲得了COVID-19主蛋白酶Mpro、Mpro與抑制劑N3復(fù)合物的晶體,并使用X單晶衍射技術(shù)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析,為研發(fā)抗新冠病毒藥物提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)。隨后,在該蛋白結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)下,我國多位知名學(xué)者如上海藥物所柳紅研究員、許葉春研究員、中山大學(xué)羅海彬教授分別根據(jù)該晶體結(jié)構(gòu)對老藥庫進(jìn)行計算機(jī)輔助的藥物篩選,獲得了多個具有潛在抗新冠病毒作用的老藥用于臨床實驗中。通過該案例的介紹,學(xué)生了解X單晶衍射技術(shù)已成為當(dāng)今藥物研發(fā)理性化設(shè)計最為關(guān)鍵的技術(shù)之一,增強(qiáng)學(xué)生對該技術(shù)的興趣,進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生掌握與X射線光譜分析法相關(guān)的多個技術(shù)知識點。講述過程中,筆者引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識藥學(xué)研究在人類生活健康的重要性,增強(qiáng)其專業(yè)自信心。通過對饒子和院士本次工作及既往研究的介紹,學(xué)生會明白優(yōu)秀的科研成果來自對科研長久堅持不懈的努力和追求,培養(yǎng)學(xué)生對科研的向往和職業(yè)道德感。

此外,除理論課教學(xué)外,筆者為使學(xué)生直觀了解X-射線分析儀的使用方法,在實驗課中以小組形式向?qū)W生近距離演示X射線光譜儀的結(jié)構(gòu)、操作難點以及數(shù)據(jù)處理方法;引入X射線光譜儀的虛擬仿真實驗[8],學(xué)生通過虛擬實驗操作了解并掌握X-射線分析儀的操作方法,兩者疊加以獲得更好的學(xué)習(xí)效果。

2 典型案例二:高效液相色譜、核磁在新冠藥物合成路線優(yōu)化中的作用

高效液相色譜儀是當(dāng)前藥物分離、分析過程中最常見分析儀器之一,在藥物純度鑒定、雜質(zhì)檢測等過程中發(fā)揮重要作用。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中,需要掌握高效液相色譜的原理、色譜分類,掌握高效液相色譜儀的結(jié)構(gòu),學(xué)會如何選擇合適的檢測器以及調(diào)節(jié)固定相和流動相以實現(xiàn)最優(yōu)的分離效果,掌握液相色譜定量和定性分析的常用方法。相比其他章節(jié),高效液相色譜學(xué)習(xí)過程中需掌握和記憶的知識點較多且易混淆,教師更需要調(diào)動學(xué)生的主觀能動性,將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐應(yīng)用。

2021年度教學(xué)工作中,筆者在液相教學(xué)中引入了“默沙東新冠口服藥Molnupiravir合成工藝路線的改進(jìn)”這一典型案例。Molnupiravir原有合成路線需通過5步合成反應(yīng)獲得最終產(chǎn)物,總產(chǎn)率約為17%。全民藥品研究所的科學(xué)家對該路線進(jìn)行改進(jìn)后,僅需2步反應(yīng)即可以60%的總產(chǎn)率獲得最終化合物,高效液相色譜在選擇反應(yīng)最優(yōu)條件的過程中發(fā)揮了重要作用。如在制備關(guān)鍵中間體時需通過液相色譜來監(jiān)測產(chǎn)率及轉(zhuǎn)化率等指標(biāo),以發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的實驗條件。一定條件下當(dāng)液相色譜檢測器檢測波長為260nm時關(guān)鍵中間體純度為99.1%,但選取波長為210nm時產(chǎn)物純度卻僅為34%,筆者通過該現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生加深掌握“物質(zhì)在不同的波長具有不同的響應(yīng)值”這一重要知識點,進(jìn)而讓學(xué)生學(xué)習(xí)加入校正因子的各種定量和定性分析方法,復(fù)習(xí)色譜分析法通用的內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法等知識點。教師通過實驗條件分析,引導(dǎo)學(xué)生掌握液相、紫外、熒光等各類檢測器的使用范圍。通過對液相色譜圖的介紹,引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)色譜分析法概論中有關(guān)保留時間、分離度、塔板理論等基本概念;進(jìn)一步通過開放式課堂討論,引導(dǎo)學(xué)生思考如何優(yōu)化反應(yīng)條件,以獲得更好的分離度。通過該案例的介紹,將高效液相色譜中的多個知識點貫穿于科研案例中,調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。此外,筆者還通過思政教育,引導(dǎo)學(xué)生需精益求精追求藥物合成工藝的改進(jìn),使其更加符合原子經(jīng)濟(jì)性原則,為人民健康謀福祉。

該案例中關(guān)鍵中間體亞胺可通過互變異構(gòu)轉(zhuǎn)化為副產(chǎn)物烯胺,需使用核磁監(jiān)測亞胺及副產(chǎn)物烯胺的特征峰,以尋求避免該互變異構(gòu)發(fā)生的最優(yōu)反應(yīng)條件。教師通過這部分介紹,引領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)核磁學(xué)習(xí)中苯環(huán)、亞胺、烯胺等特征譜圖峰的判斷,突破了傳統(tǒng)核磁教學(xué)中核磁僅用于最終化合物結(jié)構(gòu)判斷的應(yīng)用,進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生在科研過程中需要積極調(diào)動主觀能動性,靈活使用多種儀器優(yōu)化最終結(jié)果。

3 典型案例三:毛細(xì)管電泳法在新冠單克隆抗體藥物純度檢測中的應(yīng)用

毛細(xì)管電泳技術(shù)是核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子檢測的常用工具,具有分離效率高、速度快等優(yōu)點。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中,需掌握電滲流等基本概念,了解毛細(xì)管電泳儀的原理及結(jié)構(gòu),學(xué)會區(qū)分毛細(xì)管的分離模式及該模式在藥物分析中的應(yīng)用。由于在儀器分析教學(xué)中毛細(xì)管電泳常被劃分于“色譜分析與分離”大類中講述,如何區(qū)分毛細(xì)管電泳與氣相色譜、液相色譜的差別以體現(xiàn)它在應(yīng)用上的獨特之處,是教師教學(xué)過程中需重點講解內(nèi)容之一。如何使學(xué)生靈活區(qū)分并掌握毛細(xì)管電泳分離模式及其應(yīng)用范圍,是教學(xué)過程中易混淆的難點。

2021年度教學(xué)工作中,筆者引入了毛細(xì)管電泳法在單克隆抗體藥物中應(yīng)用的介紹。當(dāng)前已批準(zhǔn)上市或在研的新冠藥物中,有不少是單克隆抗體藥物,如我國研發(fā)的抗新冠病毒特效藥物安巴韋單抗和羅米司韋單抗。通過該話題,教師向?qū)W生科普介紹單克隆抗體藥物,使學(xué)生了解到單克隆抗體藥物目前已成為與小分子藥物同等重要的一類藥物?？贵w類藥物與小分子藥物相比,具有分子質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點。毛細(xì)管電泳技術(shù)由于其分離效率高、分析速度快、模式多和樣品用量少等優(yōu)點,已成為全球多個制藥公司用于單克隆抗體藥物分析和質(zhì)量控制的常規(guī)手段。在《中國藥典》中也明確了毛細(xì)管電泳技術(shù)對單克隆抗體藥物質(zhì)量分析的標(biāo)準(zhǔn)。隨后,教師進(jìn)一步引入單克隆抗體藥物質(zhì)量分析中需進(jìn)行的若干項測試及相應(yīng)使用的毛細(xì)管電泳技術(shù),如毛細(xì)管凝膠電泳是通過相對分子質(zhì)量大小進(jìn)行分離,適用于單克隆抗體藥物N-寡糖分析;毛細(xì)管等電聚焦是通過等電點進(jìn)行分離,適用于單克隆抗體藥物等電點和電荷異質(zhì)性分析;毛細(xì)管區(qū)帶電泳是通過質(zhì)荷比進(jìn)行分離,適用于單克隆抗體藥物的電荷異質(zhì)性分析。通過該案例介紹,學(xué)生了解毛細(xì)管電泳在藥物分析應(yīng)用中的獨特之處,進(jìn)一步區(qū)分掌握毛細(xì)管電泳中各類電泳的特點和分離原理,拓展了藥物化學(xué)課堂教學(xué)中除小分子藥物之外單克隆抗體藥物的知識。此外,為使學(xué)生更好地掌握毛細(xì)管電泳技術(shù),筆者在實驗課中通過虛擬實驗,讓學(xué)生了解毛細(xì)管電泳儀的構(gòu)造和使用方法,加深學(xué)生對毛細(xì)管電泳的理解和掌握。

4 典型案例四:紅外吸收光譜在新冠患者診斷及分類中的應(yīng)用

紅外吸收光譜與紫外吸收光譜、核磁、質(zhì)譜等是化合物結(jié)構(gòu)分析和鑒定的常用手段,也是中藥質(zhì)量鑒定的重要方法。然而,在當(dāng)前藥物合成過程中,紅外吸收光譜較少被應(yīng)用于藥物結(jié)構(gòu)判斷,這使學(xué)生認(rèn)為該項技術(shù)已經(jīng)“陳舊”。加之該部分內(nèi)容學(xué)習(xí)時,學(xué)生需掌握記憶大量官能團(tuán)紅外吸收的位置、強(qiáng)度、峰型等信息,易產(chǎn)生枯燥乏味感,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及重視度均不高。

2021年度教學(xué)工作中,筆者在紅外吸收光譜教學(xué)中引入了傅里葉變換衰減全反射紅外光譜在新冠患者診斷及分類中的應(yīng)用,讓學(xué)生在了解紅外光譜儀最新發(fā)展的同時,突出紅外吸收光譜在結(jié)構(gòu)判斷中與核磁、質(zhì)譜等儀器的獨特之處。傅里葉變換衰減全反射光譜儀作為紅外光譜儀發(fā)展的最新類型,僅需在紅外色譜儀上加裝衰減全反射附件,具有制樣簡單、無破壞性、檢測靈敏度高等優(yōu)點。隨著新冠病毒導(dǎo)致感染人數(shù)不斷攀升,全球各國均出現(xiàn)醫(yī)療人員不足的現(xiàn)象。如何對新冠病人進(jìn)行快速篩查和診斷,以判斷需采取的治療方式非常重要。我國科學(xué)家使用衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜對病人血液進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)病人血液與正常人血液中,多個生物標(biāo)志物存在不同的紅外吸收峰,建立了新冠患者血清的“化學(xué)指紋”。該檢測方法僅需3μL左右樣品,在幾分鐘內(nèi)即可完成對患者的診斷,并對患者病情進(jìn)行分類,有助于實現(xiàn)分區(qū)治療。通過該案例的介紹,學(xué)生了解了紅外吸收光譜在判斷化學(xué)結(jié)構(gòu)時的獨特之處。教師適時引導(dǎo)學(xué)生思考如何“獨辟蹊徑”,將現(xiàn)有儀器應(yīng)用于國計民生相關(guān)的藥物研發(fā)及檢測中,讓學(xué)生對科研原創(chuàng)性和新穎性有更深層次的認(rèn)識與了解。

5 結(jié)語

作為一種被普遍認(rèn)可且行之有效的教學(xué)方式,案例教學(xué)法通過多個與儀器分析教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的生動具體科研案例的介紹,提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,在將理論知識具體化的同時,幫助學(xué)生了解儀器分析技術(shù)最前沿的應(yīng)用研究,達(dá)到“一舉三得”的成效。如何精選科研案例并將其有效融入課堂教學(xué),深入淺出地聯(lián)系儀器分析課程的理論知識進(jìn)行剖析,是教學(xué)過程中需思考的重點。教師需結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點和教學(xué)大綱,確保案例與教學(xué)大綱的緊密貼合,實時跟蹤學(xué)科的前沿領(lǐng)域,拓展教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度,以達(dá)到案例教學(xué)法在課程教學(xué)中的預(yù)期效果。2021年度教學(xué)工作中,筆者通過新冠相關(guān)科研案例的引入,調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性?？己私Y(jié)果中發(fā)現(xiàn),學(xué)生對引入科研案例的章節(jié)掌握程度明顯優(yōu)于未引入的章節(jié),但后續(xù)教學(xué)過程中仍需進(jìn)一步完善。如當(dāng)前科研案例的引入仍以教師灌輸講解為主,可通過“翻轉(zhuǎn)課堂”等教學(xué)模式,引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研,尋找與儀器分析教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的科研案例并在課堂講述分享,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性,營造一個師生共同學(xué)習(xí)的良好范圍[9]。此外,亦可進(jìn)一步將科研案例設(shè)計融入儀器分析實驗課程,為學(xué)生提供動手實踐的機(jī)會,提升學(xué)生的科研能力[10]。