改善与哈佛医学院SimBiology定量药理学课程

现代方法评价药物作用不仅药理学背景,还需要详细了解细胞通路和药物结合模式。分析模型可以满足简单的途径和模式等的研究,但研究涉及多个层次的药物作用需要更复杂的计算模型。

我们哈佛医学院教授,研究生和博士后学生学习如何用MATLAB构造复杂的药理模型^®和SimBiology™。大多数学生把课程都熟悉酶生物化学的基本知识和使用简单的分为若干部分的模型药物动力学(PK)和药效学(PD)。这门课让他们亲身体验将这些概念应用于药理问题在定量计算框架。

课程评价一致积极。许多学生说,他们获得的技能和概念学习过程中都被立即适用于自己的研究项目。我们也收到了其他教师的反馈,他们高兴的是,学生们回到实验室在学习这门课程是适应应用计算药理学原则。

哈佛医学院的治疗项目主任最近指定课程作为程序完成定量要求。

规划和设计

在之前的核心药物作用和药理学课程,学生跑模拟使用预制计算模型。课程评价显示,学生们没有看到模型的相关性;有些人甚至发现建模作业浪费时间。(同事在制药公司在波士顿目瞪口呆听到学生们很少对一个主题的核心产业的热情。)

为了解决这个问题,哈佛医学院教师决定提供一个课程,专注于计算药理学和强调动手作业而不是罐头的例子。当地的研究人员将被邀请到类谈论的价值量化模型在理解药物作用的原则。

课程基于SimBiology成为可能提供课程无需编程的专业知识的先决条件。哈佛大学医学院的一个实验室使用Python^®编码框架来构建模型,甚至博士后学生有困难,框架应用到自己的实验工作。SimBiology,学生可以构建图形化模型和运行分析,如参数估计、几次点击。这方面减轻编程的挑战,帮助学生集中在建模方面。

充分利用有限的课堂时间

为期12周的课程每周遇见了两个小时。在课堂上充分利用每一分钟,我们决定使用一个翻转课堂的方法中,学生学会了背景材料事先与SimBiology实践工作了上课时间。

我们要求学生下载并安装MATLAB和SimBiology笔记本电脑在课程开始之前。哈佛医学院学术总人数(发)许可这一过程无缝。发是一个更大的计划的一部分学校鼓励学生使用MATLAB进行数据分析,模拟生物实验中,图像处理,和其他应用程序。发意味着我们不必担心被所有的学生为他们的操作系统运行的软件。

结合当前研究和SimBiology网络研讨会

翻转课堂最高效地运行,我们在上课前给学生们提供了材料审查。第一作业,上课前学生通读文章由于过量对乙酰氨基酚肝损伤。在课堂上,他们综合动态模型对乙酰氨基酚的代谢和毒性,我们提供,在SimBiology单舱PK模型(图1)。采用该模型从发表的一篇论文肝脏病学¹。运行模拟使用模型,学生比较不同初始口服剂量的对乙酰氨基酚和回答这样的问题发生了什么对乙酰氨基酚血浆浓度如果病人有肝脏疾病和剂量是致命的。

许多研究论文发表相关SimBiology模型。一些后续的课程,我们要求学生学习一些文件,然后使用补充模型。只要有可能,我们使用与SimBiology模型和现有的文件在线视频确保学生学习相关的来源。在一起,这些资源减少了所需的材料,教学教师生产和为学生提供了模型基础上的功课。

举个例子,在一个任务我们要求学生与药物分布的PK / PD模型肿瘤治疗。底层模型基于发表的一篇论文《药物动力学和药效学²。MathWorks提供了一个网络研讨会上使用SimBiology创建一个模型,使用纸作为参考。学生课前阅读纸,看着网络研讨会,以便他们准备开始工作在SimBiology当他们到达。学生肿瘤子模型插入一个基于生理药代动力学(PBPK)模型与多个隔间,我们提供(图2)。他们跑模拟看到不同的参数值是如何影响药物进入肿瘤的数量。

在此模型的基础上,学生们跑其他场景,包括改变PD读出,转移肿瘤,和修改药物剂量计划找到一个有效的治疗(图3)。

最后,我们指定一个扩展的学期根据学生自己的研究项目。学生工作在整个课程中所学的建模和分析方法在自己的研究问题。这学期快结束的时候,他们提供了模型的单页描述他们在使用一个覆盖背景信息的标题,为什么需要模型,建模的假设是什么做的吗,和模型的基本结构本身。在过去两个交易日的课程,学生们展示了他们的模型来班上的其他同学,为同行提供SimBiology文件,还建立了一个单页的练习课探索他们的模型。

扩大与客座演讲从工业和学术界

激励学生,帮助他们欣赏他们将学习的相关性,我们邀请了来自行业的科学家谈论使用SimBiology, PK / PD和定量系统药理学(QSP)模型在实际研究。科学家从基因泰克、辉瑞和罗莎& co guest-lectured课程。他们谈到了利用SimBiology和定量模型在实际的研究中,提出了案例研究,并提供其SimBiology模式为学生探索和测试假设某些方面。的一个案例研究利用的集成自动化QSP SimBiology和MATLAB使学生分析通过使用SimBiology通过MATLAB编程脚本。例如,在一个锻炼学生被要求模拟,然后比较虚拟病人场景使用QSP模型,其中每一个虚拟病人表示另一组模型参数的值代表一个特定的假设模型。自动化分析,他们反复模拟SimBiology模型三个虚拟病人场景和12种不同剂量使用MATLAB脚本时间表。

我们还包括一个教训强调使用建模在病理生理的发现,说明SimBiology模型描述HIV运输和延迟的隔间,也是由一年级学生在此实现健康科学和技术(HST)医学博士项目。讲座是由约翰·希金斯,系统生物学副教授哈佛医学院和马萨诸塞州总医院副病理学家。

学习的重要性计算药理学方法,这些学生将变得更清楚他们在自己职业生涯的进步。它已经清楚我们的教员,他一直排名计算方法中最重要的话题供学生学习。

引用

¹Remine, CH,阿德勒FR, Waddoups L,盒子TD,苏斯曼问。“数学建模对乙酰氨基酚过量后肝损伤和功能障碍:早期生存和死亡之间的歧视。”肝脏病学。2012年8月;56 (2):727 - 34。

²科赫,G。一个"魁地奇"大赛。拉祜族,G。Schropp, j .(2009),“建模联合治疗肿瘤的生长和抗癌效果的。”《药物动力学和药效学。36:179 - 197。