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1.1“君臣佐使”和“相须”“君臣佐使”是中药方剂配伍组成的基本原则之一。中药成分复杂,整体的治疗策略和协同机制是构建中药配方中重要的基本概念。例如在不同的草药甚至同一个草药中,每个成分的结构和生物活性又有明显的不同,而只有少数活性成分具有治疗效果[39]。如此巨大的成分混合体,如何解读中药配伍规则是一个巨大的难题。在先前的工作中,以麻黄汤为例,作者利用系统药理学方法揭示了中药的配伍原则的科学内涵。麻黄汤由麻黄、桂枝、杏仁和甘草这四味中草药组成。借助我们开发的系统药理学模型,我们从药代动力学互作、药物-靶点网络、靶点-疾病网络,从分子和系统水平证实了这四个草药在处方中的不同角色地位,如图2所示。主要发现如下:1)通过ADME筛选共筛出麻黄汤中的45个活性物质,其中麻黄有14个,包括麻黄碱,伪麻黄碱,N甲基麻黄碱,槲皮素等;桂枝有10个,包括桂皮醛,桂皮酸,香豆素等;杏仁有9个,包括苦杏仁苷,豆甾醇等;甘草有12个活性分子,包括甘草酸,18β甘草次酸,甘草苷等。2)君药麻黄在配方中起主导作用,主要通过作用于主药靶肾上腺素受体来刺激机体发热平喘。3)臣药桂枝通过作用于与君药相同的靶点来增强君药的药理作用,例如,通过共同作用于β1肾上腺素受体和β2肾上腺素受体以减少君药所需剂量。4)佐、使草药杏仁和甘草可提高君、臣药的生物利用度,协调他们各成分的活性。四种草药通过增加生物利用度或促进不同药物的协同作用等来治疗疾病。综上,我们从系统水平阐明了君臣佐使丰富的科学内涵,对中药复方配伍机理的系统深入研究具有重要意义。借助同样的方法,我们以川芎、降香、延胡索为例,阐明了中药“相须”理论[38]。
1.2“补气补血”的物质基础[34]气血是构成人体维持生命活动的基本要素,又是脏腑经络等组织器官进行生命活动的物质基础,然而气血本质至今尚未被科学揭示。我们开发了一种新的模型系统,研发了相关气血分子识别公式(QBMR):基于ADME虚拟筛选,采用人工智能技术和数学建模,并结合网络药理学方法,揭示了气血的本质,阐明了人参等补气中药、当归等补血中药的分子基础和作用机制。研究思路如图3所示。研究结果主要有:1)发现了人参、甘草、黄芪、西洋参、党参、山药、太子参和白术等与补气有关的主要活性成分为异甘草素、党参苷I、罂粟碱、麦角固醇、白术内酯II等。同时,分析了与补血有关的当归,白芍,陈皮,地黄等,其主要有效成分为白芍苷、阿魏酸和地黄苷A。2)建立了补气补血分子预测模型,气血分子识别公式(QBMR)如下:D=0662×MlogP-0156×Mor27m+0982×VEA1-0046×H-046-0966×HATSOe-4644Ntr=908,Nte=302,Qcv=833%,Qex=822%,SEqi=825%,SPqi=157%,SEblood=843%,SPblood=175%其中,Ntr和Nte分别是内部训练集和外部测试集中化合物的数目;Qcv和Qex分别是内部训练集和外部测试集的分类精度,敏感性SE和精确性SP验证进一步验证了模型的合理性。式中,MlogP、VEA1与补气相关,Mor27m、H和HATSOe与补血相关,这个公式表明补气分子具有更强的亲脂性,而补血分子具有较强的化学反应活性。3)通过系统药理学分析,揭示了补气中药可用于炎症、心血管疾病、代谢类疾病、癌症、中枢神经系统疾病(CentralNervousSystem,CNS)等治疗中。而补血中药通过调控骨髓生长因子、骨髓基质细胞,从而发挥补血功能。基于网络的中药药理学从分子水平上揭示了补气补血中药的本质,同时对中药的补气补血理论研究提供了新的思路。
2阐明中药作用机制
2.1饮片:甘草[40]甘草是一味古老的传统草药,被用作止咳、抗炎、抗溃疡、免疫调节、抗血小板凝结、抗病毒和解毒剂。我们从系统水平阐明甘草如何治疗呼吸系统疾病、心血管疾病、胃肠道疾病、恶性肿瘤和肾脏疾病,也阐明了其为什么被尊称为“国老”,如何“除百毒调和诸药”[40]。甘草中有22个靶标与呼吸系统疾病有关,其中ADRB1,ADRB2,CALM1,PDE4B,PDE4D,HSP90AA1,HSP90AB1,PPARG,THRB和哮喘有关;MMP12和PDE4D与慢性阻塞性肺病有关。甘草素、甘草查尔酮B、柚皮素、山奈酚等作用于靶标ESR1,MMP12和PPARG以抑制冠状动脉粥样硬化;异甘草素、甘草素和甘草苷等黄酮类通过调控HTR2A,PTGS2,F2,CHEK1和PTPN1治疗血栓;甘草查尔酮A和甘草异黄酮作用于靶标HTR1A,OPRD1,GSK3B,HRH1,MAPK10,F2,ADRA2A,AChE治疗心肌缺血,从网络水平揭示了甘草治疗心血管疾病的机制。甘草是一种重要解毒药物,其中的甘草次酸结构和肾上腺皮质激素类似,能够减少毒物吸收,增强机体对毒物的耐受性。PPARG,DPP4,GSK3等能够激活免疫系统,从而发挥抗炎,免疫功能;甘草苷和甘草查尔酮G作用于金属弹性蛋白酶,从而激活巨噬细胞抵抗外物侵袭。此外,甘草作用很多蛋白与其他疾病密切相关。如HTR2A和AKR1B1与糖尿病并发症有关,MAOB,DRD2,DRD3和MAPK10与神经系统疾病有关;CDK2,ESR2,PPARG,PTGS2和CHEK1具有抗肿瘤的作用,而AKR1B1,PDE4D,OPRD1,OPRK1,CHRM2,CHRM4,OPRM1和PTGS2与疼痛相关。这些发现无疑为进一步探究甘草的作用机制提供了重要依据。
2.2复方:复方丹参方[35]复方丹参方是一个治疗心血管疾病的典型方剂,由丹参、三七和冰片三味中药组成。我们采用系统药理学方法对复方丹参方进行了研究,方法如图5所示,结果发现:1)复方丹参方中101个活性化合物,其中56个来自君药丹参,丹酚酸B、丹参酮I、丹参素A是主要有效成分。臣药三七中有29个活性分子,有三七总皂苷、人参皂苷、三七素和槲皮素等。而佐药冰片中仅有9个活性化合物,包括D冰片、L冰片和异冰片。2)复方丹参方通过靶标eNOS,CYP2C9,HSP90s,PPARalpha,gamma和MIF抑制发炎并阻止炎症因子对血管和心肌的损伤。与血管收缩有关的靶标血浆肾素,ACE,胃促胰酶,VDR和VEGFR2的调节可以降低血压。Caspase3,MMP9,MR,TGFβ1R,Ang,AR,PDE4D和sPLA2IIA与血管平滑肌细胞的增殖和凋亡有一定的联系。因此,复方丹参方通过调节这些靶点从而对心血管疾病起到良好的治疗效果。3)化合物和通路的网络表明,糖皮质激素和炎症信号通路、L精氨酸/NO信号通路分别与58、56个化合物相互作用。其中35个化合物能扰乱肾素-血管紧张素-醛固酮通路,31个化合物作用于血小板聚集信号通路。由于这些信号通路与炎症、凝血功能等紧密相关,因此复方丹参方可能通过扰动这些信号通路治疗心血管疾病。4)靶点-疾病网络分析复方丹参方疗效的多样性。其中,复方丹参方通过调节与代谢相关的靶点,如醛糖还原酶,LXRs,PPARs等发挥药效。我们从分子水平上阐明了复方丹参方的治疗机理和“君臣佐使”理论[48],为复方研究提供了一种新方法。
2.3注射液:热毒宁注射液[11]热毒宁注射液处方源于名老中医经验方,由青蒿、金银花和栀子三味草药组成。目前注射液形式的ADME性质的研究陷入很大的困难,尤其对于中药复杂体系。因此,我们重点解决了如下问题:1)将代谢组学、基因组学以及蛋白组学数据耦合进计算模型中,建立基于组学技术的ADME评价;2)首次提出半衰期评价模型PreDHL,使ADME评价模型更加完整准确;3)开发适合中药特点的ADME评价技术,开展系统水平的药动学、药效学验证技术。最大限度的耦合了重要的ADME性质,包括logS,logP,PPB,Pgp,P450酶代谢产物(2C6,2D9,3A4)和药物半衰期Y(t1/2),筛选出热毒宁注射液中的活性成分,如图6所示。同时这也是首次耦合ADME性质应用于注射液物质基础的研究。本研究也揭示抗病毒的机制,即当感冒病毒入侵后,一方面,热毒宁活性分子通过刺激人体各种免疫通路(如Tolllike受体信号通路,NODlike受体信号通路,Tcell受体信号通路等)以增强人体的自主免疫力;另一方面,热毒宁活性分子通过调控免疫因子或促炎介质(像IL6,IL8,TNFα,COX2等)来治疗炎症。目前,已证实了免疫在病毒感染类疾病中的重要作用[41]以及抗炎在免疫应答中的重要作用[42],因此,利用草药的免疫应答作用和抗炎作用能为抗病毒药物的研发提供良好的思路和线索。
3新药开发
系统药理学为中药活性物质发现,新药组方提供了重要技术。
3.1活性物质发现[23]系统药理学方法利用计算机模拟结合实验验证的方法,发现中药中的活性分子,推进新药开发。首先,作者基于网络药理学,通过构建药物-靶点网络和靶点-靶点网络寻找多靶药物的潜在靶点。其次,作者重建了天然草药的化合物数据库,通过虚拟筛选多靶化合物。继而通过体外实验验证筛选出的化合物和靶点的可靠性,从而验证基于系统药理学方法的可靠性,为复杂疾病的多靶药物开发和活性物质发现提供了一个新的模型[23]。
3.2新方:红山丹[32]作者首先构建了和心血管疾病相关的药物-靶点网络,靶点-靶点网络和药物-药物网络,进而结合ADME筛选药物和反向药物靶点筛选,构建了与心血管相关的药物分子和药理学数据库。从中筛选出心血管疾病治疗中应用最广泛的一味中药丹参,根据丹参的相关通路,最终选择了红花、山楂作为辅药,形成新的药物组合-红山丹,最后通过实验验证模型的可靠性,为新药开发提供指导。具体研究思路如图7所示。新药组合红山丹中,红花和山楂对应了丹参的10条通路,表明他们有潜在的协同作用。网络药理分析表明,红山丹中有56个与心血管相关的靶点,大多数靶点高度相连,为了进一步证实靶点之间的关联性,我们选取A5L,B1AR,CDK2等10个蛋白进行研究。小鼠心肌梗死模型探究红山丹的药理作用,结果表明:与模型组相比,注射红山丹的小鼠,其左室射血分数和缩短率维持的更好。通过RtPCR测定蛋白的表达,发现与模型组相比,注射红山丹后A5L,B1AR,CDK2,MAPK14,NOSE,PPAR和PGS基因的mRNA水平显著增加。红山丹的信号通路中,PI3KAkt信号通路,VEGF信号通路,P53信号通路等被证实和心血管相关。此外,网络中多靶标共享相同的信号通路,揭示了红山丹治疗心血管疾病的协同作用。通过红山丹的研究,我们验证了基于药物-靶点相关通路的药物组合的协同机制[38],为新药开发提供新的研究思路。
4讨论
开展实验设计是实现知识、能力、素质三位一体教学模式的一种改革,也是实现培养创新、创造、创业三创”人才的重要手段之一。因此,采取小学期制实验设计的实践教学活动是非常有必要的,不仅能够打破传统教学方式的局限,激发学生主动学习的积极性,而且学生也能通过实验设计学到很多科研方法,培养和锻炼解决问题的能力。当学生的想法变成现实时,他们会很有成就感,从而乐于思考问题,提出新的想法,非常利于学生创造性思维及团结合作精神的培养。
2药学本科小学期制药理学实验设计实施环节
小学期制的实验设计不同于其他学科实验教学中的设计性实验,它属于探索性实验。在药学本科生学完重要的主干课程和一些方法学课程后,已经初步具备了进行实验设计的基本知识和技能,这为开展小学期制药理学实验设计提供了有利条件。笔者承担了小学期制药理学实验设计带教任务,在实际工作中,将小学期制实验设计分为基本知识介绍、实验设计、实验实施和实验考核4个环节进行,具体步骤如下。
2.1基本知识介绍
在正式实验前5天,笔者召集实验班级学生,对其讲解实验设计基本内容,详细介绍药理学实验设计的目的和基本原则,包括科学研究中实验设计的三要素(即研究因素、研究对象、研究效应)以及应遵循的统计学的三大原则(即重复、随机、对照原则)。根据药理学学科特点,具体讲解实验动物的特性、药理学实验动物的选择、动物模型的复制、给药剂量、给药途径和观察药效学指标的确定方法以及在实验分组中如何体现随机性和对照性原则。此外,还讲解了如何利用教材和网上资源查阅文献资料以及数据统计方法的选择及应用等。
2.2实验设计
在介绍完实验设计基本知识后,紧接着将本实验室所有的仪器、设备、动物情况告诉学生,让学生自由组合,每5~6人一组,并让其围绕要求根据自己的兴趣选题。为避免个别学生存在依赖心理,要求每一位学生独立完成实验设计。给学生5天时间查阅文献资料,制订实验设计方案。为使学生对实验设计的基本步骤和内容有较完整的认识,给出实验设计报告内容,包括研究题目、理论依据及研究现状、研究内容、仪器与药品、研究方法、实验对象、性别、规格、数量、实验组与对照组的处理、观察指标、实验步骤、统计方法选择、预期实验结果、设计人、设计日期等。开始实验的前一天收集实验报告,教师仔细阅读批改,做到心中有数。实验第一天,首先让每一位学生上台讲解实验设计的目的和思路,汇报设计方案,预期实验结果,提出存在的问题及解决措施,并回答其他学生提出的问题,然后由教师就实验设计中方法的科学性、合理性和可行性及思维的创新性及步骤的严谨性等做出评价。讨论实验设计并进一步修改完善后,由小组成员共同选择一个可行性较好的实验设计并实施。共同讨论形式有助于拓宽学生的知识面,有助于学生由一种实验方法认识到一类实验方法,从单个药物的研究方法引申出一类药物的研究方法。在实验设计中,锻炼了学生分析问题的能力和语言表达能力,并对文献检索和统计方法的运用也有了进一步的认识和体会。
2.3实验实施
通过设计实验和讨论实验,学生基本掌握了实验目的、方法、步骤。为了培养学生严谨的科学态度和实事求是的实验记录习惯,在实验进行前,首先要求学生严格按照实验记录报告的内容格式记录结果,包括实验组、实验日期、室温、实验题目、实验材料、药品和试剂的配置、实验步骤、实验结果(观察指标、动物号、时间)、初步结论、实验失败或出现意外结果的原因、实验改进的建议、实验人、记录人、日期。然后安排学生以小组为单位,独立完成药物配制、动物分组、编号、动物给药、实验操作、观察药效指标及记录结果的全过程。教师从旁指导实施,及时提醒学生注意事项,以免出现误差或实验失败,要求学生认真科学地记录和分析实验结果,使学生对实验设计的可行性有进一步的认识。
2.4实验考核
小学期制实验设计考核既不同于理论教学考核,也不同于专业实验教学考核,它是对学生实验基本技能、学习主动性、思考分析问题能力、创新能力、表达能力、团队合作精神、知识整合能力、写作能力的全面评价,是开展实验设计中不容忽视的环节。教师不能只看实验的成功与否,而应从实验的全过程全面评价学生的能力,依据学生的实验设计、实际动手能力和对实验结果的客观分析能力、论文撰写水平进行综合评定。
3药学本科小学期制药理学实验设计的效果与不足
小学期制药理学实验设计的效果有以下几点:(1)通过引导学生参与实验设计,使学生对科学研究有了进一步的了解,并极大地激发了学生对科学研究的兴趣。(2)培养和锻炼了学生的能力,使学生的综合能力有了很大提高,并为本科实习和研究生课题研究奠定了基础。药理学设计性实验是学生自己进行实验设计并实施的,是学生知识和信息的处理能力、创新能力、观察能力、动手能力、协调能力、分析问题和解决问题能力得以全面展现的舞台。(3)培养和锻炼了学生相互协作的团队精神。
关键词:药理学现代化传媒工具教学质量
药理学是高等医学院校学生的重要基础课之一,是基础医学向临床医学过渡的一门主干桥梁课程。多少年来,基础医学教学基本上沿袭了传统的教育模式,即以教师为中心,以教材为中心,以教师讲、学生听为主的教学形式。学生的学习始终处于被动状态,学习的主动性得不到发挥,讲授内容主要以教材为主,脱离实际。这种教学模式培养出来的学生往往在实际工作中缺乏独立分析和解决问题的能力。如何加强药理学课程建设,改革传统的教学模式和教学方法,积极进行知识、能力、素质三位一体的新型医学人才的培养以适应药理学的发展和培养高素质人才的需要,成为高等医学院校教育工作者必须思考和亟待解决的问题。
在近几年的药理学教学中,我们体会到教学存在教学时数相对少、教学内容多、教材中有些内容比较陈旧等问题。药理学涉及内容广泛、理论性强、需要掌握的内容较多,学生常常对药理学学习产生畏难情绪,缺乏主动探索和学习的积极性。针对药理学课程的特点及21世纪药学专业人才培养的需要,药理学教学应力求通过合理运用现代化传媒工具如图书馆、期刊网、多媒体、课件等,教会学生阅读、查阅文献,在课堂教学中运用多媒体课件,可以使教学形象生动,达到化难为易的效果。充分调动学生的学习积极性,开拓学生的学习潜力,激发学生的求知、求新欲望,培养学生的创新意识,把药理学某些研究领域中的最新研究动态、所面临的难题、最新研制的新药及被社会广泛关注的医药方面的问题引入到教学中去,取得了初步成果。
一、运用现代化教学手段,便于理解和记忆
由于电教多媒体提供了生动直观的形象,使学生产生良好的兴趣和情绪,在课堂上使用现代化教学手段,帮助他们认识事物,理解知识,使他们轻松愉快地学习,掌握和运用知识。例如,在讲解有机磷酸酯类中毒及解救药物时,先给学生看一个有机磷酸酯类中毒的临床病例,都有哪些症状,接下来提问,“有机磷中毒的病人为什么会出现上述症状?”并结合图像向学生提问,哪些是M症状,哪些是N症状和中枢症状,然后向学生提示,有机磷酸酯类是一类持久性胆碱酯酶抑制药,启发学生结合图像从作用机制上进行分析;接下来再应用药物解救,一组病例应用阿托品后,哪些症状迅速得到缓解。另一组病例同时应用阿托品和解磷定,使M症状、N症状和中枢症状都得到缓解,并用分光光度法测定体内酶浓度和活性,既形象直观,学生又记忆深刻。在期末考试中,相关内容答题的正确率达97%。
二、运用现代化教学手段,减少教学难度
在药理学教学中,有些教学内容,涉及的问题抽象,内容复杂,教学难度大,不易被学生接受。运用多媒体课件,可以使教学形象生动,学生感知鲜明印象深刻,可使教学内容具体化,达到化难为易的效果。例如,在讲解作用于中枢神经系统的苯二氮卓类药物的作用机制时,如果通过简单的抽象讲解,学生很难理解和掌握,通过做成形象的课件,计算机多媒体技术的三维演示,融文本、动画、图像为一体,可将这一重点、难点内容的讲解变得生动、形象。同时,教师可以节省大量的板书时间进行讲解和讨论。利用多媒体课件对感官的直接刺激,使知识的接受更为轻松、记忆更为深刻。在期末考试中,相关内容答题的正确率几乎100%。
三、运用现代化教学手段,增加实践机会
在整个教学过程中,除了教师,学生也是教学主体,如何调动学生学习的积极性、充分发挥学生的主观能动性,扩大课堂活动面,减少教师对学生的控制和束缚,使学生摆脱被动局面,积极地投入到整个课堂活动中,成为课堂教学的主体,是教学的成功因素。药理学中呼吸系统药、消化系统药是临床常用药,内容较多、作用机制相对简单,把这部分内容分成几个部分,学生分成小组,鼓励学生去图书馆、期刊网查阅参考资料,请小组同学讨论、归纳出讲稿,各组同学派代表在课堂上发言,通过这种方式的学习,可以把自学的方式引入教学中去,让学生担任课堂的“主角”,充分展现他们的才华,并使学生在学习讨论中发挥团队精神,培养学生查阅文献的能力,这样既锻炼了学生的能力,提高了学生学习的兴趣,又调动了学生学习的积极性。
四、运用现代化教学手段,提高学生的主体参与意识
药理学开设在第三学期或第四学期,学生已具备了一定的专业基础知识,我们在学期的后阶段给每个学生一个题目,鼓励学生去图书馆、校园期刊网、实验室多媒体课件查阅资料,写成2000~3000字的论文,从中挑选出立题新颖、内容丰富、不乏学科前沿理论进行交流讨论,提高学生的主体参与意识,发挥他们的主观能动性,实现教与学的互动。针对临床上抗菌药物应用最广,滥用现象比较普遍的问题,让学生通过收集资料找出问题所在,并提出解决方案。
4.1抗菌药物的滥用表现由细菌、病毒等多种病原微生物所致的感染性疾病遍布临床各科,其中细菌感染最为常见,因此抗菌药物成为临床最广泛应用的药物之一。在抗菌药物治愈并挽救重多患者生命的同时,也出现了由于抗菌药物不合理应用导致的不良后果,如不良反应的增多,细菌耐药性增长,以及治疗的失败等,给患者健康及生命造成重大影响。抗菌药物的滥用表现在诸多方面:无指征的预防用药,无指征的治疗用药,抗菌药物的品种、剂量的选择错误,给药途径、给药次数及疗程不合理等。
4.2抗菌药物的合理应用①尽早确立病原学诊断;确立正确的病原是合理选用抗菌药物的先决条件。②熟悉抗菌药物的抗菌谱、适应证和不良反应,根据临床用药效果调整用药方案进行治疗。③按照患者的生理、病理、免疫等状态合理用药。④预防或局部应用抗菌药物要严加控制或尽量避免。⑤选用适当的给药方案、剂量和疗程。⑥要考虑病原菌的耐药性。⑦掌握联合用药指征,以期达到协同抗菌,减少不良反应,减少细菌耐药性的产生。
通过此种教学形式,使学生拓展了视野,了解了该领域的最新研究动态,而且对国家面临的棘手问题有种紧迫感,培养他们献身科学、解决实际问题的意识。
经过我们的教学实践,学生们反映他们不仅掌握了教材中最基本的药理学内容,而且开阔了视野,了解了药理学某些领域的最新研究进展,还可以把药理学知识与一些临床所面临的问题如抗菌药物的不合理应用、常见药物中毒等联系起来,有利于培养他们学以致用、树立科研工作为解决实际问题服务的意识。运用现代化传媒工具,图书馆的利用、文献的查阅,对培养他们科学研究素质、增强创新意识和提高参与意识大有裨益。总之,培养具有创新精神的高素质人才是一项复杂的系统工程,需要我们进行不断的改革与探索。我们将认认真真、持之以恒地做好每一项教学工作,为培养适应时代需要的合格实用型人才而努力。
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