案例教學法在藥學專業儀器分析教學中的實踐

吳一諾,周勰,毛洋,曾優美,陳纘光

中山大學藥學院 (廣州 528478)

儀器分析是藥學專業本科生的一門專業必修課程,學生需學習掌握光譜、色譜、質譜、電化學相關的多種常用分析儀器的工作原理、組成、使用方法及應用等知識[1]。課程旨在培養學生具備在藥物研發、藥品質量分析、臨床藥學應用等工作環節中所需熟練運用儀器分析技術以解決工作問題的能力[2-3]。課程教學內容涵蓋了多種現代分析儀器基本原理、結構和分析方法,內容多且各部分相對獨立,知識點覆蓋面廣且繁雜,學生在學習過程中難以抓住重點,學習興趣不高,課堂教學效果不佳。

筆者為激發學生學習興趣,有針對性地對儀器分析課程教學情況進行分析,近年來在課程教學中引入案例教學法[4-5],在科研項目或時政熱點問題中選取契合課程內容的案例,將其融入于儀器分析課程教學,向學生介紹分析儀器分析在藥物研發、分析等方面的具體應用,令學生了解儀器使用及分析的重要性,進而提升學生對儀器分析課程學習的興趣,讓學生更加積極有效地掌握教學大綱所要求的教學內容,由被動學習變為主動學習,應用所學的理論知識發現問題、分析問題進而解決問題,為日后的學習和工作奠定牢固的基礎。

新冠病毒全球肆虐,截至2022年8月10日全球感染人數超過5.8億。在校大學生受疫情影響多次封校、停課或線上教學,筆者對由新冠疫情給生活和學習帶來的不便感觸至深。因此,在2021年度教學中,筆者通過引入與新冠藥物研發、病毒檢測等多個相關的科研案例,讓學生系統了解儀器分析在藥物研發流程中的作用,激發學生的學習興趣。筆者介紹藥物在抗擊新冠疫情過程中所發揮的作用時,將思政教育融入專業知識教育,幫助學生樹立藥學人敢于擔當勇于奉獻的信念,增強學生的專業自信心,培養學生的社會責任感、使命感和擔當感[6-7]。

1 典型案例一:X射線光譜儀在新冠候選藥物研發中的應用

X射線光譜分析法是藥物研發、分析過程中較為普遍的一種檢測技術,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。課程教學過程中,學生需學習掌握X射線產生等基礎理論、X射線光譜儀的操作使用方法以及各類光譜的應用。然而,X射線光譜儀屬于大型貴重儀器,多數儀器分析教學時無相關實驗設置或僅限于教師演示學生觀摩。學生無法通過上機操作近距離了解儀器內部構造,對該類儀器的了解僅局限于教師理論課上對基礎內容的講述,通過死記硬背的方法掌握其相關使用方法及注意事項,理論與實踐脫節,嚴重影響教學效果。

2021年度教學工作中,筆者在該部分教學中引入了X單晶衍射技術在新冠藥物研發中的應用實例,向學生介紹該類技術在藥物設計與發現中的重要應用。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鍵靶點。2019年新冠疫情暴發后,饒子和院士研究團隊迅速響應,僅一周就獲得了COVID-19主蛋白酶Mpro、Mpro與抑制劑N3復合物的晶體,并使用X單晶衍射技術對其結構進行解析,為研發抗新冠病毒藥物提供了關鍵的結構生物學基礎。隨后,在該蛋白結構的指導下,我國多位知名學者如上海藥物所柳紅研究員、許葉春研究員、中山大學羅海彬教授分別根據該晶體結構對老藥庫進行計算機輔助的藥物篩選,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,學生了解X單晶衍射技術已成為當今藥物研發理性化設計最為關鍵的技術之一,增強學生對該技術的興趣,進一步引導學生掌握與X射線光譜分析法相關的多個技術知識點。講述過程中,筆者引導學生認識藥學研究在人類生活健康的重要性,增強其專業自信心。通過對饒子和院士本次工作及既往研究的介紹,學生會明白優秀的科研成果來自對科研長久堅持不懈的努力和追求,培養學生對科研的向往和職業道德感。

此外,除理論課教學外,筆者為使學生直觀了解X-射線分析儀的使用方法,在實驗課中以小組形式向學生近距離演示X射線光譜儀的結構、操作難點以及數據處理方法;引入X射線光譜儀的虛擬仿真實驗[8],學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習效果。

2 典型案例二:高效液相色譜、核磁在新冠藥物合成路線優化中的作用

高效液相色譜儀是當前藥物分離、分析過程中最常見分析儀器之一,在藥物純度鑒定、雜質檢測等過程中發揮重要作用。學生在學習過程中,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構,學會如何選擇合適的檢測器以及調節固定相和流動相以實現最優的分離效果,掌握液相色譜定量和定性分析的常用方法。相比其他章節,高效液相色譜學習過程中需掌握和記憶的知識點較多且易混淆,教師更需要調動學生的主觀能動性,將理論知識轉化為實踐應用。

2021年度教學工作中,筆者在液相教學中引入了“默沙東新冠口服藥Molnupiravir合成工藝路線的改進”這一典型案例。Molnupiravir原有合成路線需通過5步合成反應獲得最終產物,總產率約為17%。全民藥品研究所的科學家對該路線進行改進后,僅需2步反應即可以60%的總產率獲得最終化合物,高效液相色譜在選擇反應最優條件的過程中發揮了重要作用。如在制備關鍵中間體時需通過液相色譜來監測產率及轉化率等指標,以發現最優的實驗條件。一定條件下當液相色譜檢測器檢測波長為260nm時關鍵中間體純度為99.1%,但選取波長為210nm時產物純度卻僅為34%,筆者通過該現象引導學生加深掌握“物質在不同的波長具有不同的響應值”這一重要知識點,進而讓學生學習加入校正因子的各種定量和定性分析方法,復習色譜分析法通用的內標法、外標法等知識點。教師通過實驗條件分析,引導學生掌握液相、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,引導學生復習色譜分析法概論中有關保留時間、分離度、塔板理論等基本概念;進一步通過開放式課堂討論,引導學生思考如何優化反應條件,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,調動了學生的學習主動性。此外,筆者還通過思政教育,引導學生需精益求精追求藥物合成工藝的改進,使其更加符合原子經濟性原則,為人民健康謀福祉。

該案例中關鍵中間體亞胺可通過互變異構轉化為副產物烯胺,需使用核磁監測亞胺及副產物烯胺的特征峰,以尋求避免該互變異構發生的最優反應條件。教師通過這部分介紹,引領學生復習核磁學習中苯環、亞胺、烯胺等特征譜圖峰的判斷,突破了傳統核磁教學中核磁僅用于最終化合物結構判斷的應用,進一步引導學生在科研過程中需要積極調動主觀能動性,靈活使用多種儀器優化最終結果。

3 典型案例三:毛細管電泳法在新冠單克隆抗體藥物純度檢測中的應用

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

2021年度教學工作中,筆者引入了毛細管電泳法在單克隆抗體藥物中應用的介紹。當前已批準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,教師向學生科普介紹單克隆抗體藥物,使學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,具有分子質量大、結構復雜等特點。毛細管電泳技術由于其分離效率高、分析速度快、模式多和樣品用量少等優點,已成為全球多個制藥公司用于單克隆抗體藥物分析和質量控制的常規手段。在《中國藥典》中也明確了毛細管電泳技術對單克隆抗體藥物質量分析的標準。隨后,教師進一步引入單克隆抗體藥物質量分析中需進行的若干項測試及相應使用的毛細管電泳技術,如毛細管凝膠電泳是通過相對分子質量大小進行分離,適用于單克隆抗體藥物N-寡糖分析;毛細管等電聚焦是通過等電點進行分離,適用于單克隆抗體藥物等電點和電荷異質性分析;毛細管區帶電泳是通過質荷比進行分離,適用于單克隆抗體藥物的電荷異質性分析。通過該案例介紹,學生了解毛細管電泳在藥物分析應用中的獨特之處,進一步區分掌握毛細管電泳中各類電泳的特點和分離原理,拓展了藥物化學課堂教學中除小分子藥物之外單克隆抗體藥物的知識。此外,為使學生更好地掌握毛細管電泳技術,筆者在實驗課中通過虛擬實驗,讓學生了解毛細管電泳儀的構造和使用方法,加深學生對毛細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用

紅外吸收光譜與紫外吸收光譜、核磁、質譜等是化合物結構分析和鑒定的常用手段,也是中藥質量鑒定的重要方法。然而,在當前藥物合成過程中,紅外吸收光譜較少被應用于藥物結構判斷,這使學生認為該項技術已經“陳舊”。加之該部分內容學習時,學生需掌握記憶大量官能團紅外吸收的位置、強度、峰型等信息,易產生枯燥乏味感,學生學習興趣及重視度均不高。

2021年度教學工作中,筆者在紅外吸收光譜教學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用,讓學生在了解紅外光譜儀最新發展的同時,突出紅外吸收光譜在結構判斷中與核磁、質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、檢測靈敏度高等優點。隨著新冠病毒導致感染人數不斷攀升,全球各國均出現醫療人員不足的現象。如何對新冠病人進行快速篩查和診斷,以判斷需采取的治療方式非常重要。我國科學家使用衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜對病人血液進行檢測,發現病人血液與正常人血液中,多個生物標志物存在不同的紅外吸收峰,建立了新冠患者血清的“化學指紋”。該檢測方法僅需3μL左右樣品,在幾分鐘內即可完成對患者的診斷,并對患者病情進行分類,有助于實現分區治療。通過該案例的介紹,學生了解了紅外吸收光譜在判斷化學結構時的獨特之處。教師適時引導學生思考如何“獨辟蹊徑”,將現有儀器應用于國計民生相關的藥物研發及檢測中,讓學生對科研原創性和新穎性有更深層次的認識與了解。

5 結語

作為一種被普遍認可且行之有效的教學方式,案例教學法通過多個與儀器分析教學內容相關的生動具體科研案例的介紹,提升了學生的學習興趣,在將理論知識具體化的同時,幫助學生了解儀器分析技術最前沿的應用研究,達到“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,深入淺出地聯系儀器分析課程的理論知識進行剖析,是教學過程中需思考的重點。教師需結合學生專業特點和教學大綱,確保案例與教學大綱的緊密貼合,實時跟蹤學科的前沿領域,拓展教學內容的深度和廣度,以達到案例教學法在課程教學中的預期效果。2021年度教學工作中,筆者通過新冠相關科研案例的引入,調動了學生的學習積極性?？己私Y果中發現,學生對引入科研案例的章節掌握程度明顯優于未引入的章節,但后續教學過程中仍需進一步完善。如當前科研案例的引入仍以教師灌輸講解為主,可通過“翻轉課堂”等教學模式,引導學生自主進行文獻調研,尋找與儀器分析教學內容相關的科研案例并在課堂講述分享,激發學生學習的主動性和積極性,營造一個師生共同學習的良好范圍[9]。此外,亦可進一步將科研案例設計融入儀器分析實驗課程,為學生提供動手實踐的機會,提升學生的科研能力[10]。