虛擬仿真技術在抗體工程實驗教學中的應用
——以PD-1人源化抗體制備為例

侯 景，柳海燕，劉青娥，葉選怡

（麗水學院生態(tài)學院,浙江 麗水 323000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能和區(qū)塊鏈等信息化技術的不斷發(fā)展，全球化信息傳遞和知識更迭速度加快，傳統(tǒng)課堂講授的教學方式已不能滿足現(xiàn)代教學需求，開放發(fā)展線上教學、混合式教學和虛擬仿真教學等教學新模式與日俱增[1]。教育部高等教育司司長吳巖在第十一屆“中國大學教學論壇”上強調，要大力打造有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”。國家虛擬仿真實驗教學課程是教育部提出的五大“金課”之一[2]。虛擬仿真實驗教學是“智能+教育”的先進教學模式和教學理念，它應用虛擬現(xiàn)實技術為學生提供一個生動、逼真、可視化和可互動的學習和實驗環(huán)境[3-4]，真正做到了將信息技術、智能技術與實驗教學的深度融合，破解了高等學校實驗實訓中的老大難問題，解決了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問題。

當今生物醫(yī)藥產業(yè)的發(fā)展日新月異，需要大量專業(yè)的生物醫(yī)藥技術人才進行匹配和支撐，而適合現(xiàn)代醫(yī)藥產業(yè)發(fā)展的人才培養(yǎng)離不開生物制藥專業(yè)實踐教學體系的改革和創(chuàng)新[5-6]。以抗體工程課程為例，為滿足市場對人源化單克隆抗體等新興生物技術藥物開發(fā)人才培養(yǎng)的新要求，抗體工程成為生物制藥專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的特色專業(yè)課程，而抗體工程實驗實訓是生物醫(yī)藥人才培養(yǎng)體系中的重要環(huán)節(jié)。該課程主要介紹單克隆抗體、納米抗體、人源化抗體等新型抗體藥物的制備和應用等方面的基礎知識及發(fā)展趨勢，涉及范圍廣泛。但在傳統(tǒng)抗體工程實驗教學中，由于人源化抗體存在開發(fā)周期長、成本高、操作難度大、實驗設備以及實驗環(huán)境要求高等難題，實驗實訓難以開展，導致學生的實驗技能訓練與生產實踐脫節(jié)，無法實現(xiàn)培養(yǎng)生物制藥學生生產實踐能力的目標。虛擬仿真技術很好地克服了抗體工程實驗教學無法開展的困難，成為應用在生物制藥實踐教學中的先進技術手段[7]。因此，本文以抗體工程課程作為研究對象，探索虛擬仿真技術在實驗教學中應用的新模式，實現(xiàn)實驗教學虛實有機結合，彌補傳統(tǒng)實驗教學的缺陷，推動抗體工程實驗實訓課程的教學改革，促進教學質量和水平的提高。

1 虛擬仿真技術在抗體工程實驗教學中應用的必要性

1.1 解決現(xiàn)有教學資源與生物制藥應用型人才需求間的矛盾

人源化抗體藥物是目前抗體藥物生產的主流產品[8]，但學生只能通過理論學習了解人源化抗體的生產工藝。目前傳統(tǒng)抗體工程實驗教學與實際生產相脫節(jié)，學生很難將所學的知識直接應用于實際生產，無法滿足市場對生物制藥專業(yè)人才的需求。因此，我們依照生物制藥專業(yè)人才培養(yǎng)目標，結合長三角區(qū)域抗體技術產業(yè)蓬勃發(fā)展趨勢[9]，將目前抗體藥物市場的明星產品——PD-1人源化單抗的制備作為抗體工程實驗的應用案例開展實踐教學，具有教學示范意義。利用虛擬仿真技術整合、優(yōu)化教學內容與實驗實訓，模擬PD-1抗體藥物制備工藝仿真的虛擬仿真教學平臺建設，實現(xiàn)更高水平的“教、學、做”一體化教學理念，培養(yǎng)具有生物藥物生產、質量控制等能力的應用技術人才[10-11]。

1.2 解決實驗開展過程中“易看難動手”的困難

首先，在人源化抗體的實際生產制備過程中，CHO細胞表達抗體成本高；涉及細胞培養(yǎng)、篩選、鑒定等多個步驟，培養(yǎng)周期長；CHO細胞重組和篩選困難；操作環(huán)境無菌要求嚴格，實驗室無法提供足夠的實驗操作場所。其次，抗體分離純化技術環(huán)節(jié)多，且需要操作快速蛋白液相色譜（Fast protein liquid chromatography，F(xiàn)PLC）等大型分離純化系統(tǒng)，操作復雜并具有一定的危險性，學生很難有實際操作的機會。最后，該項目實施需要數(shù)月的時間，受實驗學時和實驗操作難度的限制，學生無法清晰了解人源化抗體藥物制備的完整流程。通過虛擬仿真技術可將人源化抗體制備各部分內容有機整合在一起成為虛擬實驗教學系統(tǒng)，向學生提供模塊化、標準化教學資源，解決了學習中“易看難動手”的缺點，突破傳統(tǒng)實驗教學的限制，豐富教學內容，發(fā)揮時時能學、處處能做的優(yōu)勢，提供高效和可行的培養(yǎng)模式。

2 虛擬仿真實驗教學模塊設計及操作平臺建設

抗體工程虛擬仿真實驗教學可實現(xiàn)真實實驗難以完成的教學功能，解決高成本、高消耗、長周期等實驗問題，提供了可靠、低成本和高真實性的實驗教學方案。根據(jù)抗體工程實驗教學應用性強的特點，結合現(xiàn)代抗體藥物生產企業(yè)的生產需求，構建了“PD-1人源化單抗的篩選、制備及鑒定虛擬仿真實驗教學”體系。

2.1 虛擬仿真實驗教學模塊設計

該體系構建了理論學習、虛擬仿真情境實訓、實訓能力考核及實訓后的總結分析等完整教學體系（圖1），涵蓋人源化抗體生產的全過程。虛擬仿真情境實訓場景主要包括抗體高表達細胞株開發(fā)和篩選、細胞放大培養(yǎng)以及人源化抗體的分離純化3個模塊（圖2）。模塊一，抗體高表達細胞株開發(fā)：需完成電轉化構建重組CHO細胞、CHO細胞加壓篩選、單克隆細胞篩選、細胞庫構建等操作；模塊二，細胞放大培養(yǎng)：需完成細胞微載體培養(yǎng)、CHO細胞馴化和發(fā)酵罐放大培養(yǎng)等操作；模塊三，抗體的分離純化工藝：需完成發(fā)酵液的離心收集、過濾、層析分離純化和鑒定等操作。學生通過虛擬仿真實驗探究式學習和游戲闖關式的實驗技能訓練，深刻領會人源化單抗藥物開發(fā)的基本流程，對抗體藥物生產行業(yè)形成具象化認識。

圖1 PD-1人源化單抗制備虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)設計架構

圖2 PD-1人源化抗體制備虛擬仿真平臺

2.2 虛擬仿真實驗教學操作平臺建設

抗體工程虛擬仿真實驗教學平臺的每一模塊都包含理論學習板塊，教學平臺可為學生推送本實訓模塊相關的理論學習知識點，可滿足學生的實驗預習、問題咨詢，并進行相應知識的習題訓練。完成理論學習之后學生可進入虛擬仿真實驗教學實訓平臺，進行PD-1人源化單抗的篩選、制備及鑒定的虛擬仿真實驗的操作視頻觀摩和操作實訓（圖2），通過本環(huán)節(jié)學生可清晰了解人源化單抗制備的全流程操作。情境實訓結束后，學生可進行抗體工程虛擬實驗操作考核，完成實驗報告，并由系統(tǒng)自動評定考核成績。最后，學生可以根據(jù)虛擬仿真實驗操作情況在線提問交流、教師安排答疑，實現(xiàn)生生間、師生間零距離互動，并對學生的學習效果進行評價。

3 虛擬仿真實驗教學平臺的應用案例

PD-1人源化單抗的篩選、制備及鑒定的虛擬仿真實驗目前已應用到麗水學院生物制藥專業(yè)抗體工程實驗課程中，構建了更完善的抗體工程實驗教學體系。該實驗教學將虛擬仿真實驗教學和學生實體實驗操作有機結合在一起，采用“課堂講授、實體實驗、虛擬實驗、考核評價、分析討論”全過程的“虛實結合”的混合式教學過程（圖3所示），將情景再現(xiàn)式教學、探究式教學和游戲闖關式的實驗技能訓練貫穿在虛擬仿真實驗教學過程中，在培養(yǎng)學生實踐能力的同時，充分調動學生的興趣和積極性。

圖3 虛擬仿真實驗教學模式實際應用案例

3.1 課堂講授

在學生學習抗體工程理論課程相應知識的基礎上，教師首先通過文字、圖片形式對PD-1人源化抗體基因的構建原理、方法及意義進行講解，再介紹本項目的實驗目的、原理和步驟，并在多媒體實驗室演示虛擬仿真實驗操作，讓學生充分熟悉PD-1人源化抗體生產制備的基本流程。

3.2 實體實驗

在教師的引導下，學生進行抗體工程實體實驗操作，在實驗室學習細胞培養(yǎng)基的配置、試劑耗材的滅菌、哺乳動物細胞CHO的培養(yǎng)、細胞復蘇、凍存和細胞計數(shù)等基本實驗操作，掌握細胞培養(yǎng)技能。

3.3 虛擬仿真實驗

學生登錄進入該虛擬仿真實驗項目，通過點擊“項目簡介”欄目了解該項目的主要目的和原理；點擊“虛擬實驗”欄目，進入抗體高表達細胞株的篩選、細胞放大培養(yǎng)、抗體分子的純化三個模塊，完成人源化抗體制備實驗，通過學生的交互式操作和系統(tǒng)自動打分，考核學生對每一模塊中的操作要點的掌握情況。

3.4 考核評價

學生通過虛擬仿真實驗平臺進行預習、觀摩、仿真實訓，并完成虛擬仿真實驗考核，增加了實驗趣味性和學習效果。實驗結束后，學生在線提交實驗報告，教師根據(jù)實驗報告的成績和學習記錄可以評價學生的學習情況和實驗重難點掌握情況。

3.5 分析討論

軟件具備自動操作步驟評分和思考題測驗的功能，用于檢驗學生對該實驗的掌握情況。實驗完成后學生可在線討論專區(qū)交流提問，教師答疑和評價，及時反饋和解決實驗中存在的問題。

4 虛擬仿真技術在抗體工程實驗教學中應用的成效

4.1 豐富實驗教學內容

抗體工程實驗課程由于課時、經(jīng)費、場地等因素限制，人源化抗體、小分子抗體制備等實驗都無法讓學生親自動手操作，只能通過傳統(tǒng)課堂講授和文字、圖片獲得理論上的認識。虛擬仿真實驗以人源化抗體藥物的明星產品PD-1單抗為代表，把先進的生產技術和生產流程展示給學生，既豐富了抗體工程實驗的內容，開闊了學生的視野，又把科學問題和生產實踐相結合，具有前沿性和先進性。同時，學生可以第一視角的體驗和交互模式對人源化單抗制備實驗進行操作，實現(xiàn)了實際生產的再現(xiàn)還原，將實驗室不可能開展的實驗變成了可能，學生如同親臨實境，實驗操作也更加真實、生動。

4.2 創(chuàng)新實驗教學方法

抗體工程實驗課程采用了“虛實結合，以虛補實”的混合式教學方法開展實驗教學。學生通過實體實驗練習CHO細胞實驗的準備工作，細胞的培養(yǎng)、復蘇和凍存等基本實驗操作，之后進入軟件操作模塊模擬操作PD-1重組細胞的構建、篩選和鑒定、抗體分離純化的過程，實現(xiàn)從“做中學”，讓學生真正掌握人源化抗體制備的完整流程?？贵w工程虛擬仿真實驗教學借鑒游戲“闖關式”設計思路將實驗流程設計成3個模塊，學生必須領會、掌握每一個知識點設計，完成第一模塊實驗才能依次進入下一模塊。通過戲挑戰(zhàn)式環(huán)節(jié)的設計，吸引學生注意力，增加學生操作的樂趣，培養(yǎng)學生勇于挑戰(zhàn)的精神。同時，采用探究式教學方法鼓勵學生根據(jù)抗體純度的不同要求自主設計實驗方案，將自主學習、互助學習、研究性學習有機結合，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的實踐能力，同時激發(fā)學生學習興趣、開拓創(chuàng)新思維。

4.3 提升實驗教學效果

虛擬仿真實驗教學具有交互性、開放性和易操作的特點，改變了傳統(tǒng)理論授課和實驗教學方式，學生可以借助于便利網(wǎng)絡環(huán)境，打破時間、空間的限制，隨時隨地地開展實驗，提高了實驗操作的自由度[12]。因此，抗體工程利用虛擬仿真實驗，通過虛實結合的混合式教學模式開展實驗教學，節(jié)省了實驗操作的時間和成本，實現(xiàn)了師生間無障礙互動，增加了學生實驗操作的主觀能動性，顯著提高了教學質量和效率。通過開放式的實驗模塊的訓練，加深學生對人源化單抗制備相關理論知識和技術流程的理解，培養(yǎng)了學生團隊協(xié)作精神和自主設計實驗方案的能力，提高學生的綜合素質，達到掌握相應知識點和培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力的教學效果。目前本項目的虛擬仿真實驗教學平臺已開展4輪以上的實驗教學，并向兄弟院校免費開放使用，受到了廣大師生的一致好評。

5 結語

利用虛擬仿真技術可將PD-1人源化抗體制備的實際生產案例引入到抗體工程實驗教學中，是對傳統(tǒng)教學模式的補充和延伸，同時也提高了學生對專業(yè)知識的學習熱情，更加符合生物制藥產業(yè)應用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求[13-14]。在新冠疫情期間，虛擬仿真實驗教學實現(xiàn)了實踐類課程的停課不停學以及教學資源的開放共享[15-16]，展現(xiàn)了明顯的教學優(yōu)勢。總的來說，虛擬仿真實驗教學是教育信息化的重要手段，是未來生物類、制藥類實驗教學改革發(fā)展的必然趨勢[17]。