基于虛擬仿真技術(shù)的藥代動力學(xué)實驗教學(xué)體系

繆明星，劉李

(中國藥科大學(xué)藥學(xué)院，江蘇 南京 210009)

《藥物代謝動力學(xué)》是我校藥物分析、藥理學(xué)和藥物化學(xué)等專業(yè)四年級本科生的一門必修課[1]。在創(chuàng)新藥物臨床前研發(fā)評價體系中，包括藥代動力學(xué)、藥效學(xué)及毒理學(xué)三位一體課程體系[2]。藥代動力學(xué)是應(yīng)用動力學(xué)原理與模型處理方法，定量描述藥物通過各種途徑(如口服、靜脈注射、靜脈滴注等給藥方式) 進入機體后吸收、分布、代謝和排泄的動態(tài)變化規(guī)律的科學(xué)，最終用數(shù)學(xué)表達式闡明藥物在機體不同部位濃度與時間之間變化規(guī)律[3]。藥代動力學(xué)實驗課程是基礎(chǔ)理論教學(xué)向?qū)嵺`技能訓(xùn)練過渡的重要環(huán)節(jié)，該課程更強調(diào)學(xué)生實踐操作、創(chuàng)新能力、主動學(xué)習(xí)等能力培養(yǎng)。

在轉(zhuǎn)變教育發(fā)展理念的背景下，虛擬仿真技術(shù)作為一種新興的教學(xué)手段，與常規(guī)實驗相結(jié)合，是培養(yǎng)綜合型藥學(xué)應(yīng)用型人才的重要方式[4]。虛擬仿真實驗教學(xué)是綜合運用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，基于可視化和可動態(tài)調(diào)整的實驗操作和實驗場景，構(gòu)建一個在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全、經(jīng)濟的實驗，進而呈現(xiàn)傳統(tǒng)實驗教學(xué)難以實現(xiàn)、風(fēng)險較大、成本昂貴的教學(xué)效果[5-6]。

因此，探索將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于藥代動力學(xué)實驗教學(xué)具有十分重要的意義，急需建立基于虛擬仿真技術(shù)的可動態(tài)演示和可動態(tài)調(diào)整的藥代動力學(xué)實驗教學(xué)模式，為候選藥物成藥性評價中藥代動力學(xué)評價提供人才培養(yǎng)的創(chuàng)新模式，并引領(lǐng)國內(nèi)藥代動力學(xué)實驗教學(xué)改革的方向，最終為我校培養(yǎng)綜合型的藥學(xué)專門人才提供藥代動力學(xué)知識方面的有力保障擬解決的關(guān)鍵問題。

1 目前我校藥代動力學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

由于實驗儀器昂貴，國內(nèi)很少有高校為本科生開設(shè)藥代動力學(xué)實驗課程。我校國家藥學(xué)實驗教學(xué)示范中心(以下簡稱藥學(xué)實驗中心)利用“十一五”期間的本科教學(xué)修購基金的支持，配備了全套進行藥代動力學(xué)實驗所需儀器設(shè)備，于2010年率先在國內(nèi)開展藥代動力學(xué)本科實驗教學(xué)。2012年始開藥學(xué)院藥代動力學(xué)教研室與藥學(xué)實驗中心聯(lián)合開展藥代動力學(xué)實驗教學(xué)改革探索，先后獲得中華醫(yī)學(xué)會教改課1項題，校級教學(xué)改革課題4項資助，總結(jié)經(jīng)驗并發(fā)表相關(guān)教學(xué)論文5篇以上。

2013年，我校率先提出將綜合性設(shè)計型理念融入藥代動力學(xué)實驗教學(xué)，變單純知識型的人才培養(yǎng)模式為知識、能力、創(chuàng)新型的人才培養(yǎng)模式，著重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新精神和實踐能力[7]。目前針對藥學(xué)、藥物化學(xué)、藥學(xué)(藥理方向)專業(yè)中圍繞“靜脈注射蘭索拉唑在大鼠體內(nèi)的藥代動力學(xué)研究”這一選題進行34個學(xué)時的啟發(fā)性教學(xué)，該課程從實驗方案設(shè)計、實驗教學(xué)準(zhǔn)備、實驗內(nèi)容完成、實驗結(jié)果分析和實驗關(guān)鍵點點評等環(huán)節(jié)進行啟發(fā)式教學(xué)，旨在強化學(xué)生對藥代動力學(xué)基礎(chǔ)理論認(rèn)知和理解和提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。實驗教學(xué)效果良好，獲得學(xué)生、督導(dǎo)專家和同行的一致好評。安徽中醫(yī)藥大學(xué)、鄭州大學(xué)藥學(xué)院和大理大學(xué)均派相關(guān)教師前來進行。

2 開展藥代動力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)的必要性

目前國內(nèi)一些高校都積極開展藥學(xué)虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用探索，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，將彌補教學(xué)常規(guī)實驗教學(xué)資源、提高實驗教學(xué)安全性、降低實驗教學(xué)成本以及優(yōu)化資源配置等作用。有文獻報道遵義醫(yī)科大學(xué)利用 VBL-100 醫(yī)學(xué)機能虛擬實驗系統(tǒng)中“藥代動力學(xué)”模塊,開展“藥物半衰期特性曲線,藥物的體內(nèi)分布,給藥劑量、給藥途徑、多次給藥、肝腎功能狀態(tài)對藥物血濃度的影響”等內(nèi)容的藥動學(xué)虛擬實[8-9]。然而，VBL-100 醫(yī)學(xué)機能虛擬實驗系統(tǒng)是有成都泰盟軟件公司開發(fā)的。目前在全國范圍內(nèi)，尚未有院校自主研發(fā)本科生藥代動力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)的院校。

2016年開始，我校藥代動力教研室開展藥代動力學(xué)虛擬實驗教學(xué)軟件開發(fā)工作，作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有益補充。藥代動力教研室承擔(dān)的藥物分析專業(yè)(6個班級)本科實驗教學(xué)中，因其課程《體內(nèi)藥物分析》實驗教學(xué)內(nèi)容與以上藥代動力學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容部分重疊，目前開展的藥代動力學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容為基于計算機技術(shù)的藥代動力學(xué)模型的建立和相關(guān)參數(shù)的計算基于普通軟件(Office辦公軟件中的Excel)，而專業(yè)的藥代動力學(xué)軟件(如Winnolin)每套5年的版權(quán)費用就高達1萬美元，在藥代動力學(xué)實驗教學(xué)中無法實施專業(yè)軟件教學(xué)和演示，缺乏更加直觀和高效的藥代動力學(xué)實驗教學(xué)模式。

因此，急需建立基于虛擬仿真技術(shù)的可動態(tài)演示和可動態(tài)調(diào)整的藥代動力學(xué)實驗教學(xué)模式，為候選藥物成藥性評價中藥代動力學(xué)評價環(huán)節(jié)，提供人才培養(yǎng)的創(chuàng)新模式，并引領(lǐng)國內(nèi)藥代動力學(xué)實驗教學(xué)改革的方向，最終為我校培養(yǎng)綜合型的藥學(xué)專門人才提供藥代動力學(xué)知識方面的有力保障擬解決的關(guān)鍵問題。

3 藥代動力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)具體模塊

2019年開始，藥學(xué)實驗中心與藥代動力學(xué)教研室聯(lián)合，融合藥動學(xué)科和中心平臺優(yōu)勢，組織學(xué)科骨干教師在國內(nèi)率先自主開發(fā) “藥代動力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)軟件1.0”開發(fā)工作，并逐步用于本科生實驗教學(xué)。

“藥代動力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)軟件1.0”涵蓋多個模塊，包括基礎(chǔ)實驗理論、創(chuàng)新思維培養(yǎng)、課后思考評價，虛擬案例分析四大模塊。

3.1 基礎(chǔ)實驗理論模塊 基礎(chǔ)實驗理論模塊，全面覆蓋藥物吸收、分布、代謝和排泄的動態(tài)全過程，應(yīng)用多媒體技術(shù)，把圖片、視頻與文字結(jié)合，直觀形象地介紹實驗教學(xué)內(nèi)容和實驗動態(tài)過程，指導(dǎo)學(xué)生正確規(guī)范操作，流暢地解析實驗過程。

3.2 創(chuàng)新思維培養(yǎng)模塊 創(chuàng)新思維培養(yǎng)模塊，旨在培對學(xué)生科研創(chuàng)新思維能力，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以對虛擬仿真系統(tǒng)提出問題或合理化建議，以促進虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化。學(xué)生通過記錄和提問的方式與教師線上交流互動，教師通過學(xué)生的實驗完成情況，改進學(xué)習(xí)過程中的不足之處，從而提高學(xué)習(xí)效果。

3.3 課后思考評價模塊 課后思考評價模塊，目的是通過思考題和測驗成績評價來對實驗教學(xué)效果進行驗證和反饋。思考題可以作為檢驗學(xué)習(xí)成績的最有效方式。通過測試，學(xué)生不但鞏固所學(xué)實驗理論知識，還能進一步反饋軟件不足之處，最終實現(xiàn)理論與實踐教學(xué)一體化。

3.4 虛擬案例分析模塊 虛擬案例分析模塊，以已上市的藥代動力學(xué)特性清晰的藥物為模型(如二甲雙胍和普伐他汀)為例，通過虛擬仿真技術(shù)建立該藥物口服后隨時間動態(tài)變化過程，如吸收過程(是否存在首過效應(yīng)，腸道代謝)、分布過程(血漿蛋白結(jié)合率和組織分布)、代謝過程(肝臟代謝，轉(zhuǎn)化為何種代謝產(chǎn)物)、排泄過程(物料平衡、腎臟排泄、膽汁排泄和糞排泄)。其血藥濃度和相關(guān)藥代動力學(xué)參數(shù)隨著給藥劑量變化而變化的規(guī)律，以及生理病理的因素對藥代動力學(xué)的影響均可通過虛擬仿真技術(shù)加以實現(xiàn)，提供更加直觀和高效的藥代動力學(xué)實驗教學(xué)模式。

4 藥代動力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)成果

藥學(xué)實驗中心與藥代動力學(xué)教研室聯(lián)合，融合藥動學(xué)科和中心平臺優(yōu)勢，已成功開發(fā)了“藥代動力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)軟件1.0”開發(fā)工作，建立基于虛擬仿真技術(shù)的可動態(tài)演示和可動態(tài)調(diào)整的藥代動力學(xué)實驗教學(xué)系統(tǒng)并應(yīng)用于2018級大三藥物分析專業(yè)(6個班級)本科生實驗教學(xué)。在藥代動力學(xué)實驗教學(xué)中應(yīng)用“藥代動力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)軟件1.0”,不僅緩解了實驗儀器更新壓力、提高實驗效率,而且激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生接受更多、更完整的實驗只是,從而更加深刻地理解可動態(tài)演示和可動態(tài)調(diào)整實驗動態(tài)過程。

基于我校自主研發(fā)的“藥代動力學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)軟件1.0”，以已上市的藥代動力學(xué)特性清晰的藥物為模型(如二甲雙胍和普伐他汀)為例，作為藥代動力學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容的有益補充，是更加直觀和高效的藥代動力學(xué)實驗教學(xué)模式。符合藥代動力學(xué)專業(yè)特點的實驗教學(xué)方法，促進學(xué)生形成較為完整的創(chuàng)新藥物成藥性研究的專業(yè)知識體系。

綜上，我校建立了基于虛擬仿真技術(shù)的可動態(tài)演示和可動態(tài)調(diào)整的藥代動力學(xué)實驗教學(xué)體系，為候選藥物成藥性評價中藥代動力學(xué)評價提供人才培養(yǎng)的創(chuàng)新模式。最終為我校培養(yǎng)綜合型的藥學(xué)專門人才提供有力保障，引領(lǐng)國內(nèi)藥代動力學(xué)虛擬實驗教學(xué)改革的方向。