抗脑卒中药物设计与合成虚拟实验建设与应用

许贯虹，胡 琴，韩 峰，李 飞，罗春霞

(南京医科大学药学院，江苏 南京 211166)

药物设计与合成是药学专业学生知识体系中的重要环节。《药物设计学》围绕药物设计的基础理论、基本原理、设计思路与研究策略，通过对于药物靶点解析，基于结构的设计、先导化合物的筛选与优化等环节展开教学，同时结合计算机辅助药物设计技术，帮助学生初步了解药物设计的一般过程和基本规律[1-2]。而借助《药物合成反应》，通过对常用药物制备中的基本有机合成反应和合成设计原理的介绍，帮助学生熟悉和掌握药物合成反应的基本设计思路和合成手段[3]。

但是在实际教学过程中，不难发现，相对于博大精深的药物设计学与药物合成反应的教学内容而言，药学专业人才培养方案所给予的教学学时相对有限，很难在有限的时间内把相关知识点讲透，更无法进行必要的实践训练，教学效果受到了极大的制约。

近年来，虚拟仿真技术被广泛应用于医学及药学的理论与实践教学之中[4-8]。虚拟仿真实验由于兼具教学内容开放，学习方式灵活，实验安全可控等特点，在从基础到临床的多种教学场景下发挥了巨大的作用，为医学及相关专业的教学模式和教学方法的改革提供了新思路。

因此，我们以发表于NatureMedicine的高水平科研成果为出发点，以药物设计和药物合成的基础理论为支撑，依托江苏省药学实验示范教学中心和药理学国家重点学科，开发了适合药学及相关专业实验课程教学的《新型化学小分子抗脑卒中药物的设计与合成》虚拟仿真实验。实验中，学生将综合运用相关学科的基础知识和基本技能，在两课时内，完成化学小分子抗脑卒中药物设计，虚拟活性筛选和典型先导化合物制备与表征的完整过程。

1 课程的建设

1.1 课程基本设计

本实验通过内置算法模拟药物设计和筛选的过程，在极短时间内让学生初步感受复杂的药物设计流程，以虚拟仿真技术将复杂抽象的小分子空间结构，以及小分子与蛋白质的相对关系做了形象生动的阐述展示。本实验利用先进的虚拟现实技术全方位情景化模拟实验场景、实验过程和实验仪器，有效地将教师先进的高水平科研成果引入到了本科药学实验课程的教学中，有效解决了传统药物化学实验课程综合性和前沿性不足的问题，也消除了实体实验过程中存在的各种安全隐患，同时降低实验成本，解决了大型仪器设备数量不足，个性化教学欠缺的问题。虚拟仿真实验不仅可以丰富有机化学合成与结构表征的相关知识，拓宽本科生药学实验教学内容的深度与广度，而且能够增强学生解决复杂科学问题的综合能力和创新能力，极大提升学生的国际化学术视野。

通过对本虚拟实验的学习，要求学生能够:①掌握基于构效关系的先导化合物设计与优化的原理与方法。②掌握席夫碱反应与还原反应的原理及反应方法。③掌握有机合成基本技能与操作。④熟悉小分子的结构表征与解析方法。本虚拟仿真实验所需知识点及核心要素仿真度见图1。实验课程网址：http://njmu.dlvrtec.com/login?flag=false

图1 本项目所需知识点及核心要素仿真度

1.2 实验教学实施过程

整个教学实施过程参见图2。

图2 教学实施过程示意图

1.2.1 课前

要求学生在课前登录虚拟仿真项目的翻转课堂板块，完成预习。主要包括阅读实验简介，了解脑卒中发病及治疗靶点的背景知识，明确实验目标，并通过查阅辅助资源及其他资料了解实验原理的相关内容，特别是席夫碱反应和常用的各种还原反应的试剂，条件及方法，并就教师提出的预习问题分组展开在线讨论。

1.2.2 第一课时：先导化合物设计

进入实验系统，首先熟悉靶点蛋白特征并进行关键位点结构解析。其次，了解黄芩素结构对于分子骨架设计的意义。然后在系统的提示下明确设计方向，并先后进行三轮化合物自主设计。每轮设计所得的化合物都会被内置算法进行评分和预测活性，并给出化合物结构优化方向，最终引导学生设计出最优化合物结构方案。系统将引导学生对化合物进行类药性评价，进一步深入了解有机化合物结构与药物活性直接的联系。

1.2.3 第二课时：典型化合物合成

本模块将虚拟完成上一节课设计的最优结构化合物合成。实验将模拟一个真实的实验室场景，完成两步典型的化合物合成反应。本项内容是一个开放式的设计。学生可以自主设计反应路线(有五种还原方法可以尝试)；自主摸索实验条件(反应温度，流动相比例等)；学生还可以自主进行化合物结构确证(核磁波谱解析，红外及质谱关键峰识别)，通过上述实验学生深刻理解相关反应路线设计的思路，熟练掌握化合物的制备方法和操作流程，完整地进行了一次化合物制备与表征过程。

1.2.4 评价与反馈

实验结束后系统将根据操作按步骤给分，并自动生成评价表。学生还将再次进行翻转课堂系统，就评价表给出的扣分环节以及实验中存在的问题进行总结反馈。

1.2.5 知识拓展与项目延伸

本项目同时提供了知识拓展部分，以视频演示的方式展示了利用脑卒中模型大鼠进行药效学评价的全过程，帮助学生初步了解小分子药物活性测量的方法。

作为本项目的延伸，我们还针对高年级学生开始了“药物设计与制备综合实训课程”，将在真实环境下再现本项目的核心内容，使学生充分理解新药设计与合成的核心要素，培养学生的创新药物研发能力。

1.3 实验教学评价

本项目由系统自动记录每一步操作，在实验结束后自动生成实验报告，即时反馈给学生。报告包括先导化合物的设计，典型化合物制备以及拓展模块(神经保护剂的药效评价)三部分。教师端可查看整体学生的实验掌握情况，可选择各模块进行查看，分别以数据汇总表、数据透表、折线图和柱状图等形式反馈成绩和完成度。也可以查看学生操作错误次数统计。学生在学生端入口可以通过学习路径图直观了解自己对有机合成操作程序的熟练程度，在每个路径的节点上的掌握情况。本项目通过系统多角度(按个人、按班级、按项目、按考点)的统计分析，以及多方式、直观地呈现方式，学生和教师可以及时、全面地了解教学效果，为教学改革提供真实可靠的依据，有利于提高教学效率和质量。

实验考核涵盖了小分子药物设计，有机合成基本理论和操作技能，以及翻转课堂讨论这三部分，最后由这三部分评分加权给出综合成绩。

①小分子药物设计：采用线上考核方式。学生进入模块一：先导化合物设计，选择“考核模式”，完成在线考核。系统自动给出结果报告和考核成绩。本模块主要考查学生能否灵活运用有机化学知识在系统引导下完成小分子药物设计。在设计中，学生敢不敢想？会不会想？——这是我们考察的重点。希望通过本模块的学习提高学生创新思维能力。最终将根据学生设计的化合物数量及活性分子所占比例进行评分，只要完成设计量在80%以上即可满分。

②典型化合物合成：采用线上考核方式。学生进入本模块，选择“考核模式”，完成在线考核。本模块主要考查学生对实验流程和操作的熟悉程度，采用扣分制。其中漏做小步扣0.1，借助提示扣0.9，关键步骤做错(比如装置搭错或操作错误扣除1～10分)。在波谱解析和结构确证部分做了单独评分系统，每错一次扣除10分，扣完为止。实验报告中对于错误的环节，既有文字部分的详细说明，也有树状图直观表示，让学生充分了解自己的学习情况。

③翻转课堂部分：本部分主要考察学生的自主学习情况，包括预习是否充分，能否及时完成在线学习，是否积极参与在线讨论等。最终的成绩计算方式为：实验成绩=分子设计成绩(30%)+合成操作成绩(50%)+翻转课堂成绩(20%)

2 建设成效与反思

2.1 实验方案设计思路探讨

“能实不虚，虚实结合”是虚拟仿真实验项目的选题原则，简单地重复平日的实验教学内容是没有意义的。将前沿的科研项目内容转化为生动的实施案例，通过虚拟仿真模拟高端且危险的实验，以探索性实验代替重复性实验，从不断试错中掌握知识精髓。在项目设计时，力求以学生为中心，努力做到内容精彩，构思巧妙，技术先进，做法灵活，结果可靠，评价客观，素材丰富，技术合适，确保教学内容的基础性、先进性及实用性，使其符合学生的专业培养方案[9]，进一步激发学生的学习兴趣，引导学生自主学习。

①在内容选择上，我们按照药学专业的人才培养要求，严格遵循教学大纲要求，尝试将药学基础理论教学与小分子药物设计紧密结合，将科研成果与基础实验有机融合，以高水平科研成果为出发点，以药物化学的基础理论为支撑，进行虚拟实验项目的开发。②在实验构思中，我们选择既能反映科研成果的核心要素，又能密切联系药物化学教学的基本规律的重要知识点设计实验，将有机化合物结构与功能关系与药物设计相联系，将有机反应的训练与活性化合物的制备相结合，设计了一系列具有一定挑战性，同时又具有实用意义的实验项目。③在实验技术上，我们从科研成果中凝练了最新的药物设计理念，糅合有机化学、分析化学、药理学等多门学科，让学生全程体验从药物设计到药物合成的完整过程，使学生充分理解新药设计与合成的核心要素，培养学生的创新药物研发能力。④实验做法灵活多样。本项目可以做到“四个自主”：自主设计化合物，自主制定反应路线，自主设定实验条件，自主完成化合物结构确证。在药物设计模块，我们仅仅提供设计思路，而设计结果是完全开放的，学生自主设计化合物，不同学生可以做出完全不同的结果。在合成部分，我们同样要求学生自主设计反应，比如还原反应，有五种不同的还原方式，任何一种都有进行，当然结果会有所差异。实验的反应条件，诸如反应温度，流动相选择也都是由学生自己完成。最后所得的化合物由学生自主进行结构确证并判读数据。因此，本实验具有一定的挑战性，不是一种简单的程序的训练或者是某个真实实验的虚拟化操作。⑤从实验结果来看，我们软件内置的药物设计活性评价系统是以高水平的研究成果为支撑进行设计，其实验数据和结论都经过了反复锤炼，完成真实可靠。化合物的合成部分亦是采用了科研实验反复优化的方案，简单易行真实可靠。这样有利于最终评价的统一性和推广应用。⑥在评价过程中，我们对学生的每一步操作都能及时客观地在线进行评价，并记录在案，我们提供了多种形式的评价方式，学生通过查阅在线评价表对于自己知识点的把握情况和操作规范程度一目了然。这些结果将可以作为虚拟仿真项目持续改进的重要依据。⑦在教学素材方面，我们提供了详实的教学引导视频，任何人按照教学引导视频都可以顺利地完成实验。我们同时提供了丰富的教学辅助资源，帮助学生正确把握实验目的，理解实验背景，掌握核心知识点。⑧在实现技术方面，我们委托相关公司采用主流的虚拟实验设计技术，真实还原实验场景和实验操作，准确生动地将基础知识，前沿知识以多种形态呈现在学生面前。

2.2 评价体系创新

项目考核也将结合模拟实训和在线学习的表现与结果来综合评判。考核涵盖了小分子药物设计，有机合成基本理论和操作技能，以及翻转课堂讨论这三部分，最后由这三部分评分加权给出综合成绩。本项目由系统自动记录每一步操作，在实验结束后自动生成实验报告，即时反馈给学生。我们提供了多种形式的评价方式，学生通过查阅在线评价表，可以对自己在知识点的把握和操作规范程度方面的情况一目了然。这些结果将可以作为虚拟仿真项目持续改进的重要依据。

2.3 课程体系建设创新

在课程建设中，将虚拟实验与真实实验相结合，建立了一套以基础训练实验为基础、综合设计实验为主体、创新突破实验为提高的三层次“渐进性”实践课程模式[10](图3)。本虚拟仿真实验项目作为该体系的重要一环，贯彻学生的整个培养过程，目前本实验在药学基础实验和综合实训课程“药物研发链全过程”开放实验中得到充分应用[11]。本实验来源于真实科研案例，经过训练后又可以反哺日常的教学和科研。将本实验引入低年级的有机化学教学，同时又在高年级的科研实训综合实验中使用了本实验的高阶版本。使学生充分理解新药设计与合成的核心要素，培养学生的创新药物研发能力。

图3 药学专业药物设计与合成教学进阶模式图

经过本实验的学习，让学生全程体验从药物设计到药物合成的完整过程，以虚促实，理实结合，使学生充分掌握药学核心知识内涵，深刻理解新药设计与合成的核心要素，培养学生的创新能力，为今后在药物研发领域开展工作奠定基础。学生通过使用虚拟仿真实验系统可以激发学习兴趣，显著增强学习效果，明显提高基础知识和基本技能的掌握水平。调查表明，经过虚拟实训的学生，其相关知识的掌握程度远远优于未接受培训的学生(图4)。

图4 教学实施效果对比图

4 结语

本实验尝试将药学核心课程理论教学与小分子药物设计紧密结合，将科研成果与基础实验有机融合，让学生能够初步全程体验从药物设计到药物合成的完整过程，使学生充分理解新药设计与合成的核心要素，培养学生的创新药物研发能力，为探索药学实验教学新模式做了有益的尝试。本实验课程被认定为首批国家级一流本科课程(虚拟仿真实验教学一流课程)。