展鵬，劉新泳

山東大學(xué)藥學(xué)院，濟(jì)南 250012

1 引言

在全面實施“健康中國”國家戰(zhàn)略的時代背景下，如何提高藥學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域人才的原創(chuàng)能力，如何培養(yǎng)藥學(xué)研發(fā)與應(yīng)用的創(chuàng)新人才，以服務(wù)“健康中國”戰(zhàn)略、實現(xiàn)科技自立自強(qiáng)是當(dāng)前我國藥學(xué)教育面臨的重大命題。

當(dāng)前我國藥學(xué)研究生培養(yǎng)中存在的問題主要有[1–5]：研究生發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題和創(chuàng)新能力不足；研究生缺乏切問近思、切記體察的意識，以及“打破沙鍋問到底”的精神和學(xué)以致用的能力。藥學(xué)本科生培養(yǎng)及課堂教學(xué)中存在的問題主要有：教學(xué)內(nèi)容相對陳舊，教材對學(xué)術(shù)前沿的跟進(jìn)不及時，基本原理與實際應(yīng)用之間缺乏聯(lián)系；部分教材的編者并非是該領(lǐng)域的研究者，導(dǎo)致教材質(zhì)量良莠不齊，教師的教學(xué)模式單一，教師照本宣科、學(xué)生被動接收。

創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展背景下，高校教師迫切需要革新教學(xué)理念，更新知識儲備，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，啟迪學(xué)生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)研究性學(xué)習(xí)方法，提升學(xué)生科研素養(yǎng)。正如中國近代教育家、科學(xué)家竺可楨先生所說：“大學(xué)所施的教育，本來不是供給傳授現(xiàn)成的知識，而重在開辟基本的途徑，揭示獲得知識的方法，并且培養(yǎng)學(xué)生研究批判和反省的精神，以期學(xué)者有自動求智和不斷研究的能力?！?/p>

現(xiàn)代本科教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以學(xué)生主動學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性學(xué)習(xí)為靈魂。在教學(xué)理論方面，研教融合理念已經(jīng)成為大學(xué)重要的辦學(xué)思想，即讓高質(zhì)量的教學(xué)立足于先進(jìn)的科研成果，將優(yōu)質(zhì)的科研資源轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，把“最前沿”的科研知識寫進(jìn)教案，在課堂上教授給學(xué)生，有助于學(xué)生獲取前沿科技，理解專業(yè)知識，提升創(chuàng)新能力，助力于培養(yǎng)優(yōu)秀的創(chuàng)新型、科技型、復(fù)合型人才[6–10]。在學(xué)習(xí)理論方面，“建構(gòu)主義”“關(guān)聯(lián)主義”(Connectivism)和學(xué)習(xí)遷移理論認(rèn)為，除了知識本身，有效知識體系的建構(gòu)、知識的節(jié)點及節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)(舉一反三、觸類旁通、聞一知十)對于問題導(dǎo)向的研究性學(xué)習(xí)更為重要[11–14]。

案例教學(xué)是實現(xiàn)研教融合與研究性學(xué)習(xí)的有效“抓手”[15–19]。研究型案例教學(xué)法契合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀，有助于培養(yǎng)本科生的求知欲、好奇心和學(xué)習(xí)興趣，以及培養(yǎng)問題意識與系統(tǒng)思維，逐步獲得探索世界、獨立解決問題的能力。

新型冠狀病毒感染(COVID-19)疫情已造成近七億人次感染和七百多萬人死亡。在過去的20年里，還爆發(fā)過其他兩次高致病性冠狀病毒感染疫情，即2002年的非典肺炎(SARS)疫情和2012年的中東呼吸綜合征(MRES)疫情。目前雖然有一些疫苗、抗體和小分子藥物已獲批緊急使用，但快速出現(xiàn)的變異毒株伴有明顯的抗藥性，使其效果大大減弱[20,21]。在此背景下，盡管新冠疫情已經(jīng)逐漸歸于平靜，研發(fā)廣譜、安全和高效的抗病毒候選藥物依然具有重要意義。例如，2023年5月30日，國家自然科學(xué)基金發(fā)布了“RNA病毒性傳染病廣譜治療藥物創(chuàng)新基礎(chǔ)研究”重大項目指南以及專項項目指南(新型冠狀病毒感染基礎(chǔ)研究重要科學(xué)問題、抗新型冠狀病毒藥物關(guān)鍵科學(xué)問題研究)[22,23]，這些基礎(chǔ)研究有望為新發(fā)、突發(fā)、再發(fā)RNA病毒性傳染病的防治提供科學(xué)支持。

新型冠狀病毒檢測及藥物研發(fā)中涉及到豐富的藥學(xué)基礎(chǔ)知識，是藥學(xué)領(lǐng)域新策略與新技術(shù)的集中體現(xiàn)，代表藥學(xué)研究者的高水平智慧[24–27]。在這次新冠疫情的應(yīng)對中，前藥、聯(lián)用P450抑制劑以及脂質(zhì)納米粒遞送mRNA等遞送技術(shù)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，為我們快速提供了多種治療藥物和預(yù)防疫苗?！扒笆虏煌笫轮畮煛?，深入分析抗新型冠狀病毒(Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2，SARS-CoV-2)藥物研發(fā)的經(jīng)驗教訓(xùn)，基于此構(gòu)建研教融合型藥學(xué)專業(yè)教學(xué)案例庫，豐富教學(xué)素材，架構(gòu)起學(xué)術(shù)前沿與課程學(xué)習(xí)之間的橋梁，對于創(chuàng)新性藥學(xué)人才的培養(yǎng)具有重要意義。

2 藥學(xué)專業(yè)教學(xué)案例庫的構(gòu)建

本文按照強(qiáng)化基礎(chǔ)、拓寬專業(yè)、聯(lián)系實際、啟發(fā)思維、引導(dǎo)創(chuàng)新、便于自學(xué)的原則梳理了新型冠狀病毒檢測以及藥物研發(fā)中涉及的藥學(xué)知識點(表1)，為不同課程的教學(xué)提供了新的素材。

表1 新型冠狀病毒檢測以及藥物研發(fā)中涉及的藥學(xué)知識點

案例的素材來源主要包括：(1)抗SARS-CoV-2藥物研發(fā)的成功實例，例如奈瑪特韋、瑞德西韋、阿茲夫定、奈瑪特韋、恩司特韋等，反映出其發(fā)現(xiàn)及優(yōu)化過程中使用的共價結(jié)合、前藥、擬肽、虛擬篩選、老藥新用等策略[28,29]；(2)SARS-CoV-2的檢測方法，例如逆轉(zhuǎn)錄實時熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)(Polymerase Chain Reaction，PCR)反應(yīng)(RT-qPCR)、抗原檢測技術(shù)、抗體檢測技術(shù)、抗原抗體快速檢測技術(shù)等，反映出背后的分子生物學(xué)及免疫學(xué)基礎(chǔ)知識點[25]；(3)基礎(chǔ)前沿研究(包括筆者課題組的科研實踐)，例如具有抗SARS-CoV-2活性的錸配合物、鋅配合物、鉍配合物、金配合物，以及靶向SARSCoV-2 RNA的超分子配位化合物等[30,31]，這些研究盡管目前沒有轉(zhuǎn)化為用于臨床的藥物，但是反映出科學(xué)家在各自領(lǐng)域的先端成果。此外，筆者課題組結(jié)合抗SARS-CoV-2藥物研發(fā)實踐，在權(quán)威期刊發(fā)表的科研文章[32,33]，也是構(gòu)建教學(xué)案例的重要素材。

下文根據(jù)不同的課程，依次介紹典型的教學(xué)案例。

2.1 無機(jī)化學(xué)(含元素化學(xué)、生物無機(jī)化學(xué)、配位化學(xué))

當(dāng)前，現(xiàn)代無機(jī)化學(xué)正在向前沿學(xué)科、交叉學(xué)科迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出很多新理論、新概念和新方法。不同學(xué)科之間的交叉滲透使配位化學(xué)與生物無機(jī)化學(xué)成為具有活力的領(lǐng)域。在抗病毒藥物研究領(lǐng)域，生物無機(jī)化學(xué)發(fā)揮重要作用，例如目前已上市了多類以金屬酶為靶標(biāo)的抗病毒藥物，而金屬配合物和無機(jī)納米材料也成為抗病毒藥物的重要基礎(chǔ)[34,35]。

案例背景：隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)的快速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了許多抗SARS-CoV-2藥物設(shè)計的新靶標(biāo)。某些金屬蛋白在病毒的核酸復(fù)制、蛋白質(zhì)水解等生命周期中發(fā)揮著重要的作用，因此金屬蛋白是抗病毒感染的有效靶標(biāo)。

問題設(shè)計：多數(shù)病毒都含有聚合酶，聚合酶的催化位點非常保守，均含有必需的鎂離子，可否通過螯合鎂離子來發(fā)揮抗廣譜抗病毒活性？

2.2 有機(jī)化學(xué)(含生物有機(jī)化學(xué))

案例背景：阿茲夫定片和氫溴酸氘瑞米德韋片(商品名：民得維，VV116)均是我國自主研發(fā)的口服小分子新冠病毒感染治療藥物，它們屬于核苷類SARS-CoV-2 RNA聚合酶(RdRp)抑制劑，可以通過抑制病毒核酸合成達(dá)到抗病毒效果。

問題設(shè)計：阿茲夫定和氘瑞米德韋在結(jié)構(gòu)上有哪些差別？核苷類藥物的結(jié)構(gòu)有哪些特點，其作用機(jī)制是什么？

2.3 生物化學(xué)

案例背景：主蛋白酶(main protease，Mpro)作為冠狀病毒種間相似性極高的共有蛋白酶，且高度保守，是SARS-CoV-2復(fù)制過程中不可或缺的蛋白水解酶，成為抗病毒藥物設(shè)計的重要靶標(biāo)。

問題設(shè)計：酶抑制劑按照作用機(jī)制可分為哪些類型？目前上市的SARS-CoV-2主蛋白酶抑制劑有哪些？分別屬于什么類型？

問題設(shè)計：馬西替尼(Masitinib)是一種口服有效的c-Kit抑制劑。2020年，Science報道了Masitinib是一種廣譜的冠狀病毒3CL抑制劑，可阻斷SARS-CoV-2的復(fù)制。請閱讀相關(guān)文獻(xiàn)[36]，分析Masitinib屬于什么類型的3CL抑制劑。

2.4 分子生物學(xué)

【案例一】

案例背景：SARS-CoV-2感染的準(zhǔn)確診斷對新型冠狀病毒肺炎的臨床管理和流行遏制至關(guān)重要。SARS-CoV-2的檢測主要包括分子生物學(xué)方法和免疫學(xué)方法[37,38]。分子生物學(xué)方法是基于SARS-CoV-2 RNA的檢測方法，包括逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)(RT-PCR)和基因測序等技術(shù)，靈敏度和特異度較高，其中RT-PCR技術(shù)是檢測SARS-CoV-2感染的金標(biāo)準(zhǔn)。特別是，逆轉(zhuǎn)錄實時熒光定量PCR反應(yīng)(RT-qPCR)是使用最廣泛的檢測SARS-CoV-2 RNA的方法。

問題設(shè)計：試闡釋PCR技術(shù)的基本原理。

【案例二】

案例背景：傳統(tǒng)的藥物開發(fā)往往較為緩慢，成本昂貴，無法滿足這種全球大流行病的公共衛(wèi)生需求。較常用的發(fā)現(xiàn)藥物的方法被稱為高通量篩選(High Throughput Screening)，在單個試管中最多篩選100萬個化合物。在一項新研究中，作者使用了一種叫做DNA編碼化學(xué)技術(shù)(DNA-Encoded Chemistry Technology，DEC-Tec)的方法[39]，這使他們能夠在一個試管中針對一種關(guān)鍵的SARS-CoV-2蛋白篩選出40億個DNA編碼分子，以找到一種可能影響蛋白功能的分子。DEC中涉及PCR技術(shù)。

問題設(shè)計：試闡釋PCR技術(shù)的基本原理。

【案例三】

案例背景：人類傳染性疾病防治歷史中，接種疫苗是預(yù)防病毒性疾病最有效的方法。核酸疫苗主要分為DNA型和RNA型疫苗。mRNA疫苗屬于RNA型核酸疫苗。新冠疫情期間緊急授權(quán)獲批的新冠核酸疫苗都是mRNA疫苗[40–42]。2023年10月2日，科學(xué)家卡塔林·卡里科(Katalin Karikó)和德魯·魏斯曼(Drew Weissman)獲得2023年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，以表彰他們在核苷堿基修飾方面的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)使針對新冠感染的mRNA疫苗的開發(fā)成為可能。

問題設(shè)計：DNA型疫苗和RNA型疫苗各有什么特點？什么是mRNA？mRNA疫苗的原理是什么？mRNA疫苗存在的問題及解決措施有哪些？

2.5 藥物化學(xué)

抗SARS-CoV-2藥物研發(fā)中涉及的知識點或基本概念非常豐富，例如：共價藥物、擬肽、虛擬篩選、分子動力學(xué)模擬技術(shù)、老藥新用、前藥(瑞德西韋)、藥物代謝等，下面以藥物代謝知識點、共價結(jié)合作為代表試舉幾例。此外，抗SARS-CoV-2藥物研發(fā)中蘊(yùn)含豐富的思政育人元素，也是有助于學(xué)生立信仰、樹情懷、陶冶真善美的優(yōu)質(zhì)素材。

【案例一】

案例背景：主蛋白酶(main protease，3CLpro，Mpro)是冠狀病毒家族中一種特殊的半胱氨酸蛋白酶，在冠狀病毒生命周期中起重要作用，且高度保守，是一個重要的藥物靶點。在已經(jīng)批準(zhǔn)上市的主蛋白酶抑制劑中，肽類共價抑制劑奈瑪特韋必須與P450酶抑制劑利托那韋協(xié)同用藥。

問題設(shè)計：奈瑪特韋為什么必須與P450酶抑制劑利托那韋協(xié)同用藥？請用藥物化學(xué)原理加以解釋。P450酶的代謝機(jī)理主要有哪些？

【案例二】

案例背景：筆者團(tuán)隊與德國波恩大學(xué)研究者合作，通過基于靶標(biāo)的合理設(shè)計發(fā)現(xiàn)了具有開發(fā)前景的1,2,4-三取代哌嗪類非共價主蛋白酶抑制劑GC-14及共價抑制劑GD-9[32,33]。

問題設(shè)計：共價抑制劑具有哪些優(yōu)勢？通過哪些實驗來確定化合物與靶標(biāo)的結(jié)合是共價還是非共價作用？

問題設(shè)計：2023年，ACSCent.Sci.報道了蔡健峰和姜世勃/陸路團(tuán)隊利用γ-AA擬肽模擬HR2研發(fā)泛冠狀病毒融合抑制劑[43]。試調(diào)研兩個團(tuán)隊的研究背景和工作基礎(chǔ)，分析如何通過合作產(chǎn)生高水平的學(xué)術(shù)成果？

問題提示：復(fù)旦大學(xué)姜世勃/陸路團(tuán)隊長期致力于病毒融合抑制劑，美國南佛羅里達(dá)大學(xué)蔡健峰教授團(tuán)隊一直致力于基于磺基-γ-AA的螺旋擬肽的研究和應(yīng)用，科研合作應(yīng)該針對共同科學(xué)問題，通過強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、發(fā)揮各自的互補(bǔ)性優(yōu)勢。

問題設(shè)計：2022年，加州大學(xué)舊金山分校的Lei Wang課題組通過“臨近觸發(fā)反應(yīng)”(Proximityenabled reactivity)機(jī)理和擴(kuò)展密碼子技術(shù)(Genetic code expansion)發(fā)展了一種針對新冠病毒的共價蛋白藥物。請閱讀相關(guān)文獻(xiàn)[44,45]，試分析該課題思路形成的過程以及對科研的啟發(fā)。

問題提示：Lei Wang課題組多年來運用“臨近觸發(fā)反應(yīng)”和擴(kuò)展密碼子技術(shù)(Genetic code expansion)發(fā)展了多種共價蛋白藥物，有深厚的技術(shù)積淀。創(chuàng)新需要“十年磨一劍”地在某一領(lǐng)域深耕細(xì)作。

3 總結(jié)與展望

如何提升教學(xué)內(nèi)容的專業(yè)性、創(chuàng)新性、高階性和挑戰(zhàn)度，以適應(yīng)高素質(zhì)藥學(xué)人才培養(yǎng)的需求，是亟待解決的問題，同時也是構(gòu)建研教融合型藥學(xué)專業(yè)教學(xué)案例庫的初衷。筆者認(rèn)為，在選擇素材和構(gòu)建案例庫時應(yīng)該遵從以下原則：契合課程特點、立足時代前沿、傳授方法鑰匙與挖掘育人元素，將價值塑造、知識傳授、能力培養(yǎng)有機(jī)地融為一體。過去幾年中，筆者通過多種渠道(時政、新聞、文獻(xiàn)、新媒體資訊等)、山東大學(xué)相關(guān)科研成果以及自己課題的科研實踐挖掘素材，并從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)等多個維度整理這些素材，構(gòu)建了研教融合型教學(xué)案例。這些案例已成功運用于無機(jī)化學(xué)、元素化學(xué)等本科生課程(圖1、圖2)及研究生暑期學(xué)校、醫(yī)學(xué)前沿等研究生課程(圖3、圖4)，還在疫情期間的線上教學(xué)得到應(yīng)用[46]，并利用最新的科研成果豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)質(zhì)量。此外，在山東大學(xué)藥學(xué)院修身課堂“我與博導(dǎo)面對面”講座中以抗新冠藥物研究案例為主線展開(圖5)，取得了積極效果。

圖1 筆者在2022年本科生無機(jī)化學(xué)課堂教學(xué)中多次使用抗新冠藥物研究案例教學(xué)(課件截圖)

圖2 筆者在2022年本科生元素化學(xué)課堂教學(xué)中多次使用抗新冠藥物研究案例教學(xué)(課件截圖)

圖3 筆者在2023年山東大學(xué)藥學(xué)院研究生暑期學(xué)?！八幬锘瘜W(xué)進(jìn)展：新策略、新技術(shù)與新范式”講座中多次使用抗新冠藥物研究案例教學(xué)(課件截圖)

圖4 筆者在齊魯醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)前沿通識選修課“藥物發(fā)現(xiàn)中的新范式與新方法”中多次使用抗新冠藥物研究案例教學(xué)(課件截圖)

圖5 筆者在山東大學(xué)藥學(xué)院修身課堂“我與博導(dǎo)面對面”講座中以抗新冠藥物研究案例為主線(課件截圖)

研教融合型案例的使用方式至關(guān)重要，正如葉圣陶所說：“教師之為教，不在全盤授與，而在相機(jī)誘導(dǎo)。必令學(xué)生運其才智，勤其聯(lián)系，領(lǐng)悟之源廣開，純熟之功彌深，乃為善教也?！币虼耍瑧?yīng)避免案例“灌輸”，應(yīng)結(jié)合“啟發(fā)式”(蘇格拉底式提問法)和“參與式”教學(xué)方法、問題驅(qū)動教學(xué)法(problem-based learning，PBL)、BOPPPS教學(xué)法、混合式教學(xué)、探究式教學(xué)、小組合作學(xué)習(xí)(cooperative learning)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)等多元化教學(xué)方法[47–51]，并與多媒體、雨課堂等教學(xué)方式相結(jié)合，將案例教學(xué)融入以學(xué)生為中心的課堂教學(xué)實踐。著重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維(分類與比較、分析與綜合、歸納與演繹、抽象與概括)與辯證思維。

案例庫的使用方式多種多樣，案例可以合理設(shè)置在課前、課中、課后各個環(huán)節(jié)；案例可以作為知識點的導(dǎo)入，使學(xué)生對某個知識點產(chǎn)生“心求通而未得，口欲言而不能”的“憤悱”狀態(tài)，為啟發(fā)式教學(xué)做好鋪墊；也可以作為“知識拓展模塊”，還可以巧妙地與全過程學(xué)業(yè)培養(yǎng)與非標(biāo)準(zhǔn)答案考試(如撰寫小論文、讀書報告)相結(jié)合。

目前筆者通過案例教學(xué)的實施，培養(yǎng)本科生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，已有多篇學(xué)術(shù)論文及科普論文發(fā)表[25,52–55]。需要指出的是，案例教學(xué)是一項系統(tǒng)工程，難以立竿見影，必須堅持長期主義、精心謀劃、久久為功[56]。此外，如何依據(jù)教學(xué)目標(biāo)對案例教學(xué)(教學(xué)設(shè)計、組織、實施等)進(jìn)行評價，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果(考試與測驗)進(jìn)行定量評估是目前實施案例教學(xué)的難點，也是筆者下一步著重推進(jìn)的工作。