案例教学法在药学专业仪器分析教学中的实践

吴一诺,周勰,毛洋,曾优美,陈缵光

中山大学药学院 (广州 528478)

仪器分析是药学专业本科生的一门专业必修课程,学生需学习掌握光谱、色谱、质谱、电化学相关的多种常用分析仪器的工作原理、组成、使用方法及应用等知识[1]。课程旨在培养学生具备在药物研发、药品质量分析、临床药学应用等工作环节中所需熟练运用仪器分析技术以解决工作问题的能力[2-3]。课程教学内容涵盖了多种现代分析仪器基本原理、结构和分析方法,内容多且各部分相对独立,知识点覆盖面广且繁杂,学生在学习过程中难以抓住重点,学习兴趣不高,课堂教学效果不佳。

笔者为激发学生学习兴趣,有针对性地对仪器分析课程教学情况进行分析,近年来在课程教学中引入案例教学法[4-5],在科研项目或时政热点问题中选取契合课程内容的案例,将其融入于仪器分析课程教学,向学生介绍分析仪器分析在药物研发、分析等方面的具体应用,令学生了解仪器使用及分析的重要性,进而提升学生对仪器分析课程学习的兴趣,让学生更加积极有效地掌握教学大纲所要求的教学内容,由被动学习变为主动学习,应用所学的理论知识发现问题、分析问题进而解决问题,为日后的学习和工作奠定牢固的基础。

新冠病毒全球肆虐,截至2022年8月10日全球感染人数超过5.8亿。在校大学生受疫情影响多次封校、停课或线上教学,笔者对由新冠疫情给生活和学习带来的不便感触至深。因此,在2021年度教学中,笔者通过引入与新冠药物研发、病毒检测等多个相关的科研案例,让学生系统了解仪器分析在药物研发流程中的作用,激发学生的学习兴趣。笔者介绍药物在抗击新冠疫情过程中所发挥的作用时,将思政教育融入专业知识教育,帮助学生树立药学人敢于担当勇于奉献的信念,增强学生的专业自信心,培养学生的社会责任感、使命感和担当感[6-7]。

1 典型案例一:X射线光谱仪在新冠候选药物研发中的应用

X射线光谱分析法是药物研发、分析过程中较为普遍的一种检测技术,包括X射线吸收光谱分析法、X射线荧光光谱分析法、X射线衍射分析法和X射线光电子能谱分析法。课程教学过程中,学生需学习掌握X射线产生等基础理论、X射线光谱仪的操作使用方法以及各类光谱的应用。然而,X射线光谱仪属于大型贵重仪器,多数仪器分析教学时无相关实验设置或仅限于教师演示学生观摩。学生无法通过上机操作近距离了解仪器内部构造,对该类仪器的了解仅局限于教师理论课上对基础内容的讲述,通过死记硬背的方法掌握其相关使用方法及注意事项,理论与实践脱节,严重影响教学效果。

2021年度教学工作中,笔者在该部分教学中引入了X单晶衍射技术在新冠药物研发中的应用实例,向学生介绍该类技术在药物设计与发现中的重要应用。新冠病毒作为一类正链RNA病毒,主蛋白酶Mpro、木瓜蛋白酶PLpro等是该类冠状病毒的关键靶点。2019年新冠疫情暴发后,饶子和院士研究团队迅速响应,仅一周就获得了COVID-19主蛋白酶Mpro、Mpro与抑制剂N3复合物的晶体,并使用X单晶衍射技术对其结构进行解析,为研发抗新冠病毒药物提供了关键的结构生物学基础。随后,在该蛋白结构的指导下,我国多位知名学者如上海药物所柳红研究员、许叶春研究员、中山大学罗海彬教授分别根据该晶体结构对老药库进行计算机辅助的药物筛选,获得了多个具有潜在抗新冠病毒作用的老药用于临床实验中。通过该案例的介绍,学生了解X单晶衍射技术已成为当今药物研发理性化设计最为关键的技术之一,增强学生对该技术的兴趣,进一步引导学生掌握与X射线光谱分析法相关的多个技术知识点。讲述过程中,笔者引导学生认识药学研究在人类生活健康的重要性,增强其专业自信心。通过对饶子和院士本次工作及既往研究的介绍,学生会明白优秀的科研成果来自对科研长久坚持不懈的努力和追求,培养学生对科研的向往和职业道德感。

此外,除理论课教学外,笔者为使学生直观了解X-射线分析仪的使用方法,在实验课中以小组形式向学生近距离演示X射线光谱仪的结构、操作难点以及数据处理方法;引入X射线光谱仪的虚拟仿真实验[8],学生通过虚拟实验操作了解并掌握X-射线分析仪的操作方法,两者叠加以获得更好的学习效果。

2 典型案例二:高效液相色谱、核磁在新冠药物合成路线优化中的作用

高效液相色谱仪是当前药物分离、分析过程中最常见分析仪器之一,在药物纯度鉴定、杂质检测等过程中发挥重要作用。学生在学习过程中,需要掌握高效液相色谱的原理、色谱分类,掌握高效液相色谱仪的结构,学会如何选择合适的检测器以及调节固定相和流动相以实现最优的分离效果,掌握液相色谱定量和定性分析的常用方法。相比其他章节,高效液相色谱学习过程中需掌握和记忆的知识点较多且易混淆,教师更需要调动学生的主观能动性,将理论知识转化为实践应用。

2021年度教学工作中,笔者在液相教学中引入了“默沙东新冠口服药Molnupiravir合成工艺路线的改进”这一典型案例。Molnupiravir原有合成路线需通过5步合成反应获得最终产物,总产率约为17%。全民药品研究所的科学家对该路线进行改进后,仅需2步反应即可以60%的总产率获得最终化合物,高效液相色谱在选择反应最优条件的过程中发挥了重要作用。如在制备关键中间体时需通过液相色谱来监测产率及转化率等指标,以发现最优的实验条件。一定条件下当液相色谱检测器检测波长为260nm时关键中间体纯度为99.1%,但选取波长为210nm时产物纯度却仅为34%,笔者通过该现象引导学生加深掌握“物质在不同的波长具有不同的响应值”这一重要知识点,进而让学生学习加入校正因子的各种定量和定性分析方法,复习色谱分析法通用的内标法、外标法等知识点。教师通过实验条件分析,引导学生掌握液相、紫外、荧光等各类检测器的使用范围。通过对液相色谱图的介绍,引导学生复习色谱分析法概论中有关保留时间、分离度、塔板理论等基本概念;进一步通过开放式课堂讨论,引导学生思考如何优化反应条件,以获得更好的分离度。通过该案例的介绍,将高效液相色谱中的多个知识点贯穿于科研案例中,调动了学生的学习主动性。此外,笔者还通过思政教育,引导学生需精益求精追求药物合成工艺的改进,使其更加符合原子经济性原则,为人民健康谋福祉。

该案例中关键中间体亚胺可通过互变异构转化为副产物烯胺,需使用核磁监测亚胺及副产物烯胺的特征峰,以寻求避免该互变异构发生的最优反应条件。教师通过这部分介绍,引领学生复习核磁学习中苯环、亚胺、烯胺等特征谱图峰的判断,突破了传统核磁教学中核磁仅用于最终化合物结构判断的应用,进一步引导学生在科研过程中需要积极调动主观能动性,灵活使用多种仪器优化最终结果。

3 典型案例三:毛细管电泳法在新冠单克隆抗体药物纯度检测中的应用

毛细管电泳技术是核酸、蛋白质等生物大分子检测的常用工具,具有分离效率高、速度快等优点。学生在学习过程中,需掌握电渗流等基本概念,了解毛细管电泳仪的原理及结构,学会区分毛细管的分离模式及该模式在药物分析中的应用。由于在仪器分析教学中毛细管电泳常被划分于“色谱分析与分离”大类中讲述,如何区分毛细管电泳与气相色谱、液相色谱的差别以体现它在应用上的独特之处,是教师教学过程中需重点讲解内容之一。如何使学生灵活区分并掌握毛细管电泳分离模式及其应用范围,是教学过程中易混淆的难点。

2021年度教学工作中,笔者引入了毛细管电泳法在单克隆抗体药物中应用的介绍。当前已批准上市或在研的新冠药物中,有不少是单克隆抗体药物,如我国研发的抗新冠病毒特效药物安巴韦单抗和罗米司韦单抗。通过该话题,教师向学生科普介绍单克隆抗体药物,使学生了解到单克隆抗体药物目前已成为与小分子药物同等重要的一类药物。抗体类药物与小分子药物相比,具有分子质量大、结构复杂等特点。毛细管电泳技术由于其分离效率高、分析速度快、模式多和样品用量少等优点,已成为全球多个制药公司用于单克隆抗体药物分析和质量控制的常规手段。在《中国药典》中也明确了毛细管电泳技术对单克隆抗体药物质量分析的标准。随后,教师进一步引入单克隆抗体药物质量分析中需进行的若干项测试及相应使用的毛细管电泳技术,如毛细管凝胶电泳是通过相对分子质量大小进行分离,适用于单克隆抗体药物N-寡糖分析;毛细管等电聚焦是通过等电点进行分离,适用于单克隆抗体药物等电点和电荷异质性分析;毛细管区带电泳是通过质荷比进行分离,适用于单克隆抗体药物的电荷异质性分析。通过该案例介绍,学生了解毛细管电泳在药物分析应用中的独特之处,进一步区分掌握毛细管电泳中各类电泳的特点和分离原理,拓展了药物化学课堂教学中除小分子药物之外单克隆抗体药物的知识。此外,为使学生更好地掌握毛细管电泳技术,笔者在实验课中通过虚拟实验,让学生了解毛细管电泳仪的构造和使用方法,加深学生对毛细管电泳的理解和掌握。

4 典型案例四:红外吸收光谱在新冠患者诊断及分类中的应用

红外吸收光谱与紫外吸收光谱、核磁、质谱等是化合物结构分析和鉴定的常用手段,也是中药质量鉴定的重要方法。然而,在当前药物合成过程中,红外吸收光谱较少被应用于药物结构判断,这使学生认为该项技术已经“陈旧”。加之该部分内容学习时,学生需掌握记忆大量官能团红外吸收的位置、强度、峰型等信息,易产生枯燥乏味感,学生学习兴趣及重视度均不高。

2021年度教学工作中,笔者在红外吸收光谱教学中引入了傅里叶变换衰减全反射红外光谱在新冠患者诊断及分类中的应用,让学生在了解红外光谱仪最新发展的同时,突出红外吸收光谱在结构判断中与核磁、质谱等仪器的独特之处。傅里叶变换衰减全反射光谱仪作为红外光谱仪发展的最新类型,仅需在红外色谱仪上加装衰减全反射附件,具有制样简单、无破坏性、检测灵敏度高等优点。随着新冠病毒导致感染人数不断攀升,全球各国均出现医疗人员不足的现象。如何对新冠病人进行快速筛查和诊断,以判断需采取的治疗方式非常重要。我国科学家使用衰减全反射-傅里叶变换红外光谱对病人血液进行检测,发现病人血液与正常人血液中,多个生物标志物存在不同的红外吸收峰,建立了新冠患者血清的“化学指纹”。该检测方法仅需3μL左右样品,在几分钟内即可完成对患者的诊断,并对患者病情进行分类,有助于实现分区治疗。通过该案例的介绍,学生了解了红外吸收光谱在判断化学结构时的独特之处。教师适时引导学生思考如何“独辟蹊径”,将现有仪器应用于国计民生相关的药物研发及检测中,让学生对科研原创性和新颖性有更深层次的认识与了解。

5 结语

作为一种被普遍认可且行之有效的教学方式,案例教学法通过多个与仪器分析教学内容相关的生动具体科研案例的介绍,提升了学生的学习兴趣,在将理论知识具体化的同时,帮助学生了解仪器分析技术最前沿的应用研究,达到“一举三得”的成效。如何精选科研案例并将其有效融入课堂教学,深入浅出地联系仪器分析课程的理论知识进行剖析,是教学过程中需思考的重点。教师需结合学生专业特点和教学大纲,确保案例与教学大纲的紧密贴合,实时跟踪学科的前沿领域,拓展教学内容的深度和广度,以达到案例教学法在课程教学中的预期效果。2021年度教学工作中,笔者通过新冠相关科研案例的引入,调动了学生的学习积极性。考核结果中发现,学生对引入科研案例的章节掌握程度明显优于未引入的章节,但后续教学过程中仍需进一步完善。如当前科研案例的引入仍以教师灌输讲解为主,可通过“翻转课堂”等教学模式,引导学生自主进行文献调研,寻找与仪器分析教学内容相关的科研案例并在课堂讲述分享,激发学生学习的主动性和积极性,营造一个师生共同学习的良好范围[9]。此外,亦可进一步将科研案例设计融入仪器分析实验课程,为学生提供动手实践的机会,提升学生的科研能力[10]。