药物化学实验综合性改革的设计与实践*

杨 洁，曾 嵘，袁 懿，欧阳勤

(陆军军医大学，重庆 400038)

药物化学(Medicinal chemistry)是一门发现与发明新药、合成化学药物、阐明药物化学性质、研究药物分子与机体细胞(生物大分子)之间相互作用规律的综合性学科，是药学领域中的重要学科[1]。近年来，生物学、计算机学、物理学、信息学等学科不断交叉融入传统的药物化学中，最新的药物化学研究早已不仅仅拘泥于单纯的药物合成，研究内容和形式都在不断扩充，使得药物化学又成为一个备受关注的朝阳学科[2]。并且随着祖国不断地繁荣昌盛，我国医药事业对药物研发人才的需求也越加巨大，培养综合性全面发展的药学人才也成为了当代药物化学教学的最终目标[3]。目前，全国高等学校本科生药物化学实验课程仍以传统的化学合成实验为主，单纯地重复验证经典药物的合成，不仅与有机化学实验课程内容较为重复，且缺少与生物学和计算机学等学科交叉融合，已经不能完全体现当代药物化学课程的特征。分析原因可能是：(1)我国药学的初步发展主要依赖于化学合成；(2)过去的研究条件较差，而药物分子水平相互作用实验，以及计算机模拟对接实验要求的实验条件和实验成本较高。因此，为使药物化学实验课程更加贴近现代药物化学的研究规律，以及满足药物化学人才培养的需求，进行了本次药物化学实验综合性改革。

1 药物化学实验综合性改革的方式

根据药物化学的学科特点和现代药物化学的最新科研思路，通过查阅文献资料并与相关教师充分讨论，作者尝试性地在传统合成实验的基础上将药物化学实验课程进行改革，具体如下。

1.1课程内容改革

1.1.1加入药物活性测定实验 本科生在传统的学生实验中几乎接触不到生物学相关的实验，但目前药物化学及其他方向的科学研究中，生物学实验却占据了极大的比重。因此，创新性地引入药物分子水平的相互作用的实验不仅能让学生更加直观地认识药物发挥的实际药理作用，加深药物化学理论知识的理解，还能掌握分子生物学实验相关的基本操作，为将来进行科学研究打下一定基础[4]。

1.1.2加入计算机辅助药物设计实验 在传统教学过程中，单靠文字描述和二维图片展示很难使学生理解化合物的立体结构、药物分子与受体的作用方式及药物的构效关系等[5]。随着计算机技术和现代教育的发展，多媒体辅助教学集成文字、声音、图片、影像、动画等各类信息，被广泛应用于课堂教学中，成为传播知识不可或缺的先进教育技术[6]。将Sybyl-X、PyMOL等计算机软件应用于药物化学教学，构建药物、蛋白的三维分子模型，不但可以帮助学生更加深刻地理解药物发挥作用的方式和原理，还能生动形象地向学生展现有趣的药物微观世界，期望可以起到激发学生学习兴趣的作用[7-8]。

1.2教学方法创新 加入讨论汇报环节。传统实验中，学生仅以实验报告的形式单向地向教师呈现实验结果，通过加入最后的讨论汇报部分，不仅可以提高学生的表达能力，还可以形成一个学生与教师之间、学生与学生之间双向讨论的局面，改变教师单方面输出知识的传统形式，让每一个学生都参与进来，学会主动地思考和解决问题。

1.3教学模式创新 采用虚拟与实际相结合的教学模式。虚拟与实际相结合，将传统实验强化和延伸，是目前实验教学改革的一个重要方向[9]。本次综合性实验改革通过生物实验测定药物的活性，直观形象地让本科生认识到药物所发挥的具体药效，还利用计算机软件模拟蛋白与药物的对接方式，显示药物与受体的结合原理，并以三维图形的形式展示分子相互作用的动态过程，使原本抽象的教学内容能够直观地呈现在学生面前。不仅能丰富药物化学实验教学内容和形式，还能充分调动本科生的学习能动性和求知欲。

2 药物化学实验综合性改革的设计与实践

2.1合成药物的确定 作为药物化学实验改革项目，突出“药物”的特点是必要的，合成的化合物必须是药物或者药物的中间体[10]。合成过程中考虑所用原料、试剂、仪器的安全性也是非常重要的一点。此外，实验方法要求简单可靠，反应条件温和，耗时不宜过长，提纯方法不宜太复杂，操作难度适中。并且第二部分还将用第一部分合成的药物进行生物活性测定，这就要求药物具有比较明显的生物活性，且药物靶蛋白的活性易于测定，能给本科生一个直观的结果。为此作者首先从对酶活性具有明显抑制作用的药物着手，考虑了乙酰胆碱酯酶抑制剂溴新斯的明和他克林、血管紧张素转化酶抑制剂卡托普利、环氧合酶抑制剂对乙酰氨基酚和阿司匹林等多个预选方案(图1)。后期通过文献查阅和预实验，发现溴新斯的明的合成需要用到对神经系统及呼吸系统具有严重损害性的溴甲烷，卡托普利的合成存在步骤复杂、产率较低且手性不易控制的缺点，环氧合酶的活性测定方法较为复杂。而他克林具有合成方法简便快捷、原料毒性低、乙酰胆碱酯酶的活性测定方法成熟的优点，适合本科生药物化学实验，因此最后选用乙酰胆碱酯酶抑制剂他克林作为本次实验改革的药物。

图1 对酶活性具有明显抑制作用的药物

2.2生物试剂盒的选择 市面上有多种乙酰胆碱酯酶活性测定试剂盒，所用原理大都为：乙酰胆碱酯酶(AChE)催化乙酰胆碱(ACh)水解生成胆碱，胆碱与二硫对硝基苯甲酸(DTNB)作用生成 5-巯基-硝基苯甲酸(TNB)，TNB 在412 nm处有吸收峰，通过测定412 nm处吸光度的增加速率，来计算AChE活性。但作者在前期预实验中发现，不同试剂盒在操作方法、结果稳定性方面稍有区别，例如：Solarbio公司试剂盒的操作步骤要求加完样品和试剂后，在10、190 s时分别读取412 nm处的吸光度，而Sigma-Aldrich公司的试剂盒要求在2、10 min时读取412 nm处的吸光度，显然后者对实验者的熟练度要求更低，更适合第一次接触生物实验的本科生。因此通过预实验和讨论，作者最终选择了结果稳定、操作方法适合本科生的Sigma-Aldrich公司的乙酰胆碱酯酶活性测定试剂盒。

2.3分子对接方法的选择 作者所在教研室拥有理论浮点运算峰值可达11.34TFlops的高性能集群，学生可以通过X-shell直接登录服务器，并远程调用分子对接软件进行相关的课程训练。目前，常用的分子对接软件包括：薛定谔药物设计软件，Discovery Studio，Sybyl-X，Autodock等。对于薛定谔药物设计软件和Discovery Studio，目前本校没有教学使用的相关版权；Autodock为开源软件，但是其分子对接操作相对较复杂，对没有Linux系统使用经验的学生而言可能会具有一定的难度；而Sybyl-X是一款功能强大的药物设计模拟软件，是Tripos公司专门为药物小分子与生物大分子科研者设计的分子模拟软件，也是目前分子模拟常用的软件之一[11]。而且Sybyl-X使用较为方便，学生可以通过远程登录，调用服务器上的软件进行学习。因此，作者选择Sybyl-X作为课程学习的软件，学生将根据蛋白晶体结构的结合口袋，进行分子对接，软件会根据结合情况分别进行打分。但Sybyl-X在作图方面有一定的缺陷，较难绘出理想的图像。PyMOL是一款分子三维图像显示软件，由DELANO W L编写，能形象地表达分子动态过程，目前对教学免费试用。因此，作者选择PyMOL软件供学生学习，向学生演示小分子的三维结构，以及用球棍、飘带等多种方式显示蛋白三维结构的方法，并找到蛋白与药物相互作用的关键氨基酸，具有图像色彩鲜艳，结构形象的优点[8]。

2.4改革实践 在具体的实验教学实践中，将实验改革课程分为4个部分，包括药物他克林的合成、他克林的生物活性测定、他克林与蛋白的模拟对接、结果汇报(图2)。在结果汇报方面，在传统书面实验报告的基础上，加入讨论汇报环节。每组学生制作幻灯片，以报告的形式分析实验数据、汇报实验结果，并讨论实验中发现的问题及自己的思考，同时教师和其他学生也可以向他们提出问题。通过这种形式，不仅可以锻炼学生的独立思考能力和表达能力，还能促进师生之间的交流，加深学生对知识点的记忆。同时有4名指导教师根据学生的综合表现给出实验分数。作者期望通过这样一个较为系统的实验改革，让学生了解药物化学的研究思路和方法，培养学生对药物化学学科及药物化学课程的兴趣。

图2 综合性药物化学实验课程流程

3 药物化学实验综合性改革的效果和总结

将药物化学实验进行综合性改革，创新性地引入生物活性测定和计算机模拟药物设计实验，经过1年的实践证明取得了良好的效果。

3.1实验项目设置更加合理 药物化学是连接化学和药学的桥梁，主要涉及设计、发现、开发创新药物[5]。现代药物化学除了传统的化学合成外，已经融合了生物学和计算机学等内容。而在本次综合性实验改革中，学生熟练地掌握了药物合成的实验技能；通过乙酰胆碱酯酶活性测定试剂盒测定合成的他克林的抑酶活性，并绘制半数抑制浓度(IC50)曲线(图3 A、B)，直观认识药物发挥的药理活性；通过计算机模拟对接乙酰胆碱酯酶与他克林，让学生更形象地认识到药物的空间结构，并对药物与靶点作用的微观世界也有了深刻的认识，使枯燥、抽象的药物结构和药物化学知识变得直观、易懂(图3 C、D)；最后通过对自己的实验结果进行分析总结，提高了学生的独立思考和表达的能力，既能活跃课堂气氛、加强学生和教师间的交流，也加深了学生对知识点的记忆。

A、B：乙酰胆碱酯酶-他克林IC50曲线；C、D：乙酰胆碱酯酶与他克林模拟对接结果。

3.2学生综合素质得以提高 在本次实验改革中，学生对新的教学模式均展现出了极高的兴趣，不仅课前认真预习，独立思考反应机理，查找之前没有接触过的生物实验和计算机模拟对接的相关介绍，在实验过程中也勇于向教师提出问题，胆大心细。最后的展示讨论部分，学生虽然是第1次上台汇报自己的实验结果，但是大家认真准备PPT，记录实验现象，分析实验操作的目的，激烈地讨论实验中遇到的问题，查阅文献讨论新方法(图4)。大多数学生还在汇报中提到他们在药物IC50概念，酶活性的测定原理及方法，移液枪的使用，以及利用计算软件模拟药物与靶蛋白之间的相互作用等方面有所收获。此综合实验不仅锻炼了学生解决问题的能力，加强了科学严谨的态度，还激发了学生对科研的积极性和兴趣。

图4 代表性学生汇报PPT

3.3加深学生对药物化学课程的理解 本次综合性实验改革在传统药物合成的基础上，加入了药物的生物活性测定和药物与靶蛋白的计算机模拟对接实验内容，通过实践操作，向本科生呈现了现代药物化学研究的完整思路，也让他们对于药物化学和生命科学、计算机学、信息学的相互交叉有了更加深刻的体会，提高学生对本专业的使命感和自豪感，为以后进入药学科研行业奠定了一定基础。

4 总 结

本次药物化学实验综合性改革，打破传统实验单纯地重复验证经典药物合成的模式，创新性地引入药效实验及计算机模拟对接的实验内容，将实验的内容、形式都进行了丰富。实验过程中课堂气氛活跃，学生对于未接触过的生物实验和计算机模拟对接实验均展现出了极高的求知欲和积极性。通过本次实验改革不仅让学生全面扎实地掌握药物化学知识，还让本科生对当代药物化学的研究思路更加清晰，确实培养学生的科技创新能力，对于高素质药物化学人才的培养的模式和体系起到一定的实践和探索作用。