進階式引導教學在基因工程制藥模塊中的應用

劉娟娟，方澤民，袁 璟，肖亞中

(安徽大學 生命科學學院，合肥 230601)

生物技術制藥課程是生物制藥相關專業(yè)的必修和核心課程，由基因工程制藥、動植物細胞工程制藥、抗體工程制藥和疫苗等知識模塊組成[1-4]，主要介紹基因工程、動植物細胞工程、抗體工程和酶工程等原理及其技術在生物技術藥物研制中的系統(tǒng)應用，兼具理論性、實踐性和實用性，不僅知識點多、內(nèi)容抽象，而且專業(yè)性強、技術發(fā)展更新迅速。

生物技術制藥各教學模塊間雖相互獨立但緊密聯(lián)系，系統(tǒng)學習本課程可幫助學生構建完整且系統(tǒng)的知識體系[5-6]。其中，基因工程制藥是生物技術藥物教學的基礎和核心模塊，相關原理和技術也是生物技術藥物研發(fā)和生產(chǎn)的核心[7]，其由上游和下游兩個基本流程構成。前者為基因工程菌(細胞)的構建，包括在體外將DNA片段與載體連接，形成重組DNA分子，并將其導入宿主菌或宿主細胞中復制、篩選、擴增；后者為基因工程菌(細胞)的大規(guī)模發(fā)酵、重組蛋白的表達和純化、以及制劑研制等[1,8]。本文以基因工程制藥為例，從課程的教學目標、教學內(nèi)容設計與應用等環(huán)節(jié)對該課程進行課程分析和教學思考，供一線教師在教學中參考與借鑒，以共同改進生物技術制藥課程的教學水平和效果。

1 課程培養(yǎng)目標

安徽大學作為非醫(yī)學類院校，生物制藥專業(yè)設置在生命科學學院，生物技術制藥理論課程由二年級本科生學習?；诎不沾髮W“文理交融、理工互通、寓教于研”的人才培養(yǎng)理念，我們針對其中的基因工程制藥模塊設置的培養(yǎng)目標：經(jīng)過本門課程的學習，要求學生熟練掌握基因工程制藥的基本概念和原理，真核和原核基因工程菌株的構建、改造、篩選及鑒定等基本知識，以及基因工程制藥的基本技能和實踐能力；具備分析和解決基因工程藥物生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)測中常見問題的能力；學會追蹤了解生物制藥學科的前沿和發(fā)展方向。同時，在品質(zhì)培養(yǎng)方面加強學生安全意識和規(guī)范標準素養(yǎng)，培養(yǎng)愛崗敬業(yè)、求真存實、實踐創(chuàng)新和精益求精的品格。

2 進階式引導教學的內(nèi)容設計及應用

為達到以上教學目標，教學過程分為基礎階段、進階階段和升階階段三步(圖1)。

圖1 進階式引導教學模式圖Figure 1 Model chart of stepwise guiding teaching

2.1 基礎階段夯實理論

要實現(xiàn)我國基因工程制藥的從跟跑，到并跑，最終實現(xiàn)領跑的目標，需要學生筑牢專業(yè)學術基礎，并培養(yǎng)他們緊跟國際學術研究前沿的意識[9-10]。因此，我們在二年級基礎階段的理論課教學中構建了雙語及案例教學課程內(nèi)容體系。

(1)理論與實例結合，融入雙語教學。前期，我們已經(jīng)建立了成熟的基因工程原理課程的教學方法。以基因工程原理為基礎，進一步引入代表性的重組蛋白藥物生產(chǎn)實例，將原理、技術和應用進行有效整合，針對每一個研制和生產(chǎn)環(huán)節(jié)，詳細講解流程和技術，并闡述其基本理論，最終將這些單獨環(huán)節(jié)集成為一個完整的體系(圖2)。例如，以胰島素制備為典型案例，將其制備過程分為表達載體和細胞構建、發(fā)酵制備、分離純化、制劑制備及產(chǎn)品質(zhì)量檢驗等環(huán)節(jié)，通過“逐步分解滲透”，讓學生掌握完整的基因工程制藥原理與過程。同時，為克服學生對專業(yè)英語的心理障礙，幫助學生了解國際進展，在課堂教學過程中，通過中英文對照開展雙語教學，并結合生物技術詞典，解釋專業(yè)詞匯，讓學生逐步掌握相關術語的專業(yè)外語詞匯。(2)引入期刊論文，開展課堂討論。基因工程原理晦澀難懂，新技術層出不窮，加之本科生外語專業(yè)詞匯積累不足，會導致部分學生具有畏難情緒。為幫助學生克服外文期刊閱讀的抵觸心理，每兩次課引入一篇與教學內(nèi)容密切相關的研究性期刊論文。通過文獻的閱讀，學生們需要簡要解答如下問題：研究中涉及的科學問題是什么？針對此科學問題，如何設計實驗進行解答或驗證？研究結果是否回答了科學問題？研究的意義如何？例如，在講述蛋白質(zhì)藥物的表達系統(tǒng)選擇時，引入文獻“Balancing the expression and production of a heterodimeric protein:recombinant agkisacutacin as a novel antithrombotic drug candidate”，配合討論提綱提前發(fā)給學生。學生每兩人一組，課堂討論的主要問題有：為什么做，即文獻實驗目的是什么?怎么做，即作者如何完成上游構建，選擇何種表達系統(tǒng)及何種分離純化技術，如何測試目標蛋白的生物學活性?得到了什么，即文章的亮點是什么?等等。課后需要形成讀書報告，作為平時作業(yè)交給老師批閱。課堂上老師選擇優(yōu)秀的讀書報告與學生交流、分析，通過這些訓練進一步擴增學生的專業(yè)詞匯量，讓學生觸類旁通，掌握從期刊文獻中精準快速提取有用信息以及追蹤和綜合評價相關工作的能力，夯實理論基礎。

圖2 以胰島素為案例的基因工程制藥主要流程圖Figure 2 Main flow chart of genetic engineering pharmaceutics using insulin as an example

2.2 進階階段配套生產(chǎn)設計課程，實現(xiàn)原理與應用的無縫銜接，培養(yǎng)學生制藥工藝創(chuàng)新能力

在課堂教學環(huán)節(jié)，我們注重教授學生基本原理，引導學生克服外語閱讀心理障礙，正確閱讀理解文獻，追蹤國際前沿進展。但是在基因工程制藥實際的工作中，研發(fā)人員要學會及時將文獻中的有用信息與現(xiàn)有的技術方法有效融合，攻克現(xiàn)有研發(fā)過程中的技術障礙，并設計出符合不同指標的工藝流程，滿足不斷發(fā)展的藥物研發(fā)需求。因此，在理論教學基礎上，我們給三年級生物制藥學生開設9學時的基因工程藥物生產(chǎn)設計配套課程，根據(jù)學生能力進行合適組隊，學生每3～4人一組，通過給學生設定若干課題，如利用大腸桿菌重組表達細菌酪氨酸酶，促紅細胞生成素編碼基因在昆蟲細胞中的表達等，讓學生通過文獻的檢索，收集并總結相關信息，主要包括課題的研究進展、研究內(nèi)容、研究方法和手段、參考文獻等。在這一過程中，學生通過合作查閱資料，弄清原理，合作交流制定方案后提交作業(yè)。學生在遞交報告后，需要通過PPT形式在課堂上口頭報告交流。匯報的內(nèi)容即是現(xiàn)有工藝流程、前沿研究進展、如何引進和融合新型生產(chǎn)方法和技術、研究中的注意事項等。在報告的過程中，其他學生通過提問參與討論。匯報的同學課后需要根據(jù)老師和同學的意見修改自己的報告，最終遞交老師，作為課程學習成績的一部分。如果在課堂教學環(huán)節(jié)學生不能完成相關內(nèi)容的修改，課下老師會組織學生開展小規(guī)模討論，完成個別指導。在這一環(huán)節(jié)中，學生帶著目標和問題學習，不但充分調(diào)動了學習的主動性與積極性，而且給予他們自由發(fā)揮、集思廣益、開闊視野的空間，達到了良好的教學效果。這些信息和習慣雖然短期內(nèi)可能不被全部同學充分利用，但可以實現(xiàn)“關口前移”，盡早培養(yǎng)學生的科研思路和創(chuàng)新精神，激發(fā)大家獨立思考、嚴謹求實、互幫互助、精益求精的優(yōu)秀品質(zhì)。同時，不同學生在完成課題設計過程中，關注的知識點差異性大，在口頭報告環(huán)節(jié)，針對匯報人的提問非常自信，態(tài)度也非常積極，經(jīng)過熱烈的討論和辯論，大家都受益良多。

2.3 升階階段建立基因工程制藥創(chuàng)新實驗室，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

為了讓學生更好地理解基因工程在制藥行業(yè)的應用，教學團隊在開設基因工程藥物生產(chǎn)設計課程基礎上，進一步設計了36學時的基因工程制藥綜合實驗課[11-13]，授課的內(nèi)容主要包括目的基因的獲取和純化(小量提取、PCR足量擴增、DNA片段純化回收)、基因工程菌的制備(DNA片段和載體的酶切和連接、細菌轉化、重組質(zhì)粒的篩選和鑒定)、重組蛋白的表達和純化(表達條件的優(yōu)化、重組蛋白的純化和鑒定、重組蛋白的活性檢測)、蛋白藥物制劑的研制等，從而讓學生熟悉一套系統(tǒng)完整的基因工程制藥實驗體系。與常規(guī)教學配套實驗中每個實驗項目相對獨立不同，我們設計的每個實驗過程均是建立在前一個實驗成功的基礎之上。例如：如果學生基因組DNA提取失敗，學生即無法開展后續(xù)PCR擴增實驗，或者PCR未見目標大小條帶，他們就需要盡快分析原因，重新操作；如果重組表達載體構建或轉化失敗，大腸桿菌轉化后未見菌落，學生需要合理安排時間，盡快分析原因后重新實驗，以獲得正確的重組轉化子，進而開展下一項實驗科目。

在實驗項目開展過程中，對設備占用少的項目，我們基本做到每位同學獨立實驗；而對實驗耗時長，對設備依賴程度高的項目，我們會將學生適當分組，合作開展實驗。在目的基因的小量獲取和PCR足量擴增、基因工程菌的制備、DNA片段和載體的酶切和連接、細菌轉化等環(huán)節(jié)，我們確保每位同學都能夠操作實驗；而對大腸桿菌感受態(tài)細胞制備等實驗，因實驗過程中需要不定期測定細胞密度，對分光光度計的依賴程度較高，我們將5位同學分成一組，共享一臺設備，在不同的時間點由不同學生取樣檢測細胞密度，完成感受態(tài)細胞的制備過程；對重組蛋白的活性檢測實驗，針對選擇的重組蛋白可被多種底物檢測的特性，學生會被分成若干組，每組學生選擇同一種底物，視為平行實驗，在最優(yōu)條件下包括緩沖液種類、濃度和pH等進行檢測。這一設計也可以讓同學們之間彼此交流，互相協(xié)作借鑒，同時節(jié)約實驗成本。在實驗課過程中，實驗室對學生完全開放，學生自主安排時間。對有興趣進一步提升創(chuàng)新能力的學生，可提供實驗場所進行著重培養(yǎng)。通過對上述實驗內(nèi)容的改進和優(yōu)化，讓學生能夠系統(tǒng)、全面掌握基因工程藥物的研制過程。

2.4 進階式引導教學的效果評價

為了追蹤教學效果，基于各階段的教學目標，我們在每個階段均設置了相應的評價體系(表1)。對基礎階段的教學實施過程性評價，每章內(nèi)容設置一次隨堂中英文測試題，測試內(nèi)容不僅包括講授的基本原理和技術，也包括文獻中的重點內(nèi)容，測試時間控制在20 min。另外，學期末設置一次課程總評，全面評價學生對所有內(nèi)容和知識點的掌握和靈活運用情況。通過過程性評價，學生對基因工程制藥各章節(jié)的知識點掌握均較好，最低分70～80分，最高分100分，平均分均在90分以上。期末總評顯示，所有同學成績均為合格以上，達到基礎階段的目標要求，其中40%以上為優(yōu)秀水平，不僅能全面了解基因工程藥物的發(fā)展歷程和前沿進展，還能熟練掌握基因工程藥物研發(fā)和生產(chǎn)中的基本單元操作、藥物的質(zhì)量控制和質(zhì)量管理等基本原理和理論知識；56%為良好水平，能較好掌握相關原理和理論；4%同學為合格水平。

表1 基因工程制藥進階式引導教學各階段評分標準Table 1 Scoring standards for each stage of stepwise guiding teaching in genetic engineeringpharmaceutics

進階階段主要對生產(chǎn)設計的完整性和可行性開展評價，具體包括背景綜述、方法的系統(tǒng)性和可行性、課題的預期結果及出現(xiàn)問題的解決方案，以及對撰寫材料的規(guī)范性，包括表述的規(guī)范性和寫作格式的規(guī)范性等。通過調(diào)研，100%的同學對選題的現(xiàn)有蛋白質(zhì)藥物的生產(chǎn)流程和最新進展均能較好掌握；73%以上的同學能夠根據(jù)基因工程藥物的工藝特點，在現(xiàn)有生產(chǎn)流程的基礎上融合入最新的技術，具備很好的藥物設計和制備能力，以及分析和解決藥物研發(fā)和生產(chǎn)中常見問題的能力，而且出具的生產(chǎn)設計報告科學完整，撰寫規(guī)范，達到優(yōu)秀水平；剩余27%的同學則均為良好水平。因此，進階階段的學習進一步鞏固了理論基礎，實現(xiàn)了理論與生產(chǎn)的銜接，提升了制藥工藝的創(chuàng)新能力。

升階階段的教學則主要施行實踐能力和結果評價，具體從實驗流程和儀器操作的熟練程度、實驗設計的合理性、實驗結果的準確性和分析能力、實驗報告的撰寫規(guī)范性、繪圖的準確和精確性，以及實驗室紀律的遵守程度等方面進行。重組蛋白的表達和純化實驗，若學生能熟練掌握重組表達菌的起始誘導OD600值的測定、加樣準確、熟練使用菌體破碎和蛋白純化設備，實驗結果顯示蛋白被表達、純化后變性膠電泳顯示蛋白條帶單一，實驗報告中對實驗原理、流程、結果和分析記錄詳實，則評價為優(yōu)秀；若基本掌握實驗流程和儀器操作，得到基本正確的實驗結果，實驗報告記錄詳實，則評價為良好；若基本掌握實驗方法，得到部分正確的實驗結果，實驗報告記錄詳實，則評價為合格。經(jīng)過此階段的學習，約45%同學熟練掌握了基因工程制藥所涉及的各個環(huán)節(jié)的實驗流程和儀器操作，實驗結果完全正確，達到優(yōu)秀水平；50%同學達到良好水平；5%同學為合格水平。所有同學的制藥實踐能力均得到較好鍛煉。

依托學校的調(diào)查問卷平臺，從近3年的探索和實踐來看，本進階式引導教學在各階段的教學資源豐富，有效地克服了學生的專業(yè)外語閱讀障礙，有利于學生學習，課程也能較好的激發(fā)學生的學習興趣，課堂氣氛活躍，教學效果較好。然而，初次實施時部分同學反映教學安排上難度偏大，因此，我們不斷調(diào)整教學內(nèi)容，盡量做到重難點更突出。經(jīng)過改進后，學生的互動性明顯提高，能汲取更多的知識，學習效果也顯著提升(表2)。但因為本課程涉及的理論和技術難度都偏大，趣味性不足，后期需要進一步使教學內(nèi)容更生動，穩(wěn)步提高學生的學習興趣和自主性。另外，從近兩年生物制藥專業(yè)學生獲批的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目來看，經(jīng)過本進階式課程的學習，學生的創(chuàng)新能力也得到穩(wěn)步提升。例如，2020年學院共獲得13項國家級和25項省級項目，學習過本課程的學生的參與度為64%，分別各有4項主持項目與本課程相關；2021年學院共獲得15項國家級和30項省級項目，學習過本課程的學生的參與度為77.5%，分別有4項和9項主持項目與本課程相關。

表2 2019—2021年度基因工程制藥進階式引導教學效果調(diào)查統(tǒng)計表Table 2 Statistical investigation of the effect of stepwise guiding teaching in genetic engineering pharmaceutics in 2019-2021

3 結語

順應時代需要，培養(yǎng)具備生物技術制藥創(chuàng)新能力的高素質(zhì)專業(yè)人才是高校生物制藥專業(yè)教學的重點[11]。本教學團隊從基因工程的基本理論和技術出發(fā)，不斷改革教學模式，適時結合藥物研發(fā)的各個流程環(huán)節(jié)，不斷引入先進的理論和方法，集理論性與應用性為一體，通過進階式引導教學，從夯實理論的基礎階段到理論聯(lián)系生產(chǎn)設計的進階階段、再到實踐創(chuàng)新的升階階段，讓學生在積極、互動的氛圍中逐步掌握基因工程藥物的研發(fā)和生產(chǎn)，并提高學生的創(chuàng)新能力和對外交流技能。然而，基因工程制藥課程模塊的進階式引導教學是一個系統(tǒng)工程，但因實踐時間限制，我們還處于不斷地摸索總結當中，雖然取得了較好的教學效果，但基因工程制藥的發(fā)展和應用均異常迅速，比如CRISPR/Cas9技術的應用等。我們將通過不斷更新和整合，進一步提高教學質(zhì)量，培育出順應時代發(fā)展新需求的醫(yī)藥人才。