醫(yī)學(xué)生單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析課程的教學(xué)探索

林長(zhǎng)松，邵嬌芳，武 劍

（南京醫(yī)科大學(xué) 江蘇 南京 211166）

在當(dāng)今醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨著高通量測(cè)序技術(shù)的迅猛發(fā)展，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序已成為研究復(fù)雜生物系統(tǒng)和個(gè)體差異的強(qiáng)大工具。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用不僅幫助我們理解疾病的發(fā)生機(jī)制和進(jìn)展過(guò)程，還有助于揭示個(gè)體細(xì)胞之間的異質(zhì)性和亞群表達(dá)特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)胞基因表達(dá)的高分辨率測(cè)量，為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的實(shí)現(xiàn)提供了新的可能性[1]。

了解和掌握單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)的原理和應(yīng)用，對(duì)于醫(yī)學(xué)生增強(qiáng)科研能力和臨床實(shí)踐具有重要意義。通過(guò)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析，我們可以深入了解疾病發(fā)生過(guò)程中細(xì)胞的表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄調(diào)控變化，從而發(fā)現(xiàn)新的生物標(biāo)志物和靶向治療策略。

然而，盡管單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)在醫(yī)學(xué)研究中具有廣闊的前景，但其復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理讓學(xué)習(xí)者望而生畏。對(duì)于醫(yī)學(xué)生而言，學(xué)習(xí)和應(yīng)用這一技術(shù)需要深入理解其原理、方法和數(shù)據(jù)分析流程，同時(shí)也需要解決實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果解讀等方面的問(wèn)題。因此，針對(duì)醫(yī)學(xué)生的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序教學(xué)的探索變得尤為重要。

1 醫(yī)學(xué)生在學(xué)習(xí)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序時(shí)面臨著一些特定的挑戰(zhàn)和需求

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序作為一門復(fù)雜的技術(shù)，涉及許多先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。因此醫(yī)學(xué)生需對(duì)這兩方面具有深入的理解和充分的認(rèn)識(shí)。

首先，醫(yī)學(xué)生需要了解和掌握單細(xì)胞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則和技術(shù)要點(diǎn)，包括合適的樣本采集方法、細(xì)胞分離技術(shù)和質(zhì)量控制等方面的知識(shí)。

其次，醫(yī)學(xué)生需要具備復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和分析的能力。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)通常是大規(guī)模的高維度數(shù)據(jù)，對(duì)于醫(yī)學(xué)生來(lái)說(shuō)，需要學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)清洗、標(biāo)準(zhǔn)化、降維和聚類等分析步驟，以從復(fù)雜的數(shù)據(jù)中提取有意義的信息[2]。除統(tǒng)計(jì)學(xué)之外，醫(yī)學(xué)生還需掌握機(jī)器學(xué)習(xí)和生物信息學(xué)等領(lǐng)域的基本概念和方法，增強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)的綜合運(yùn)用能力。

然而，傳統(tǒng)教學(xué)模式往往無(wú)法充分展示和解讀這些復(fù)雜性，學(xué)生可能僅僅停留在表面知識(shí)的掌握，而無(wú)法真正理解單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的核心概念和實(shí)際應(yīng)用。這導(dǎo)致了學(xué)生對(duì)該技術(shù)的感知能力不夠強(qiáng)，無(wú)法準(zhǔn)確把握其在生物學(xué)研究中的重要性和潛在的創(chuàng)新機(jī)會(huì)[3]。

因此，本文將探討通過(guò)選擇合適的教材，強(qiáng)化理論教學(xué)，引入實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)行 “多媒體教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)” 等教學(xué)方法，對(duì)課程進(jìn)行探索和改革，以滿足醫(yī)學(xué)生在學(xué)習(xí)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序時(shí)的需求并使其應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

2 緊扣臨床案例，精選教學(xué)內(nèi)容

2.1 教材選擇

目前單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序領(lǐng)域方面的教材數(shù)量很少，我們選擇科學(xué)出版社2021 年出版的《單細(xì)胞測(cè)序方法和應(yīng)用》作為授課材料。另外測(cè)序公司的資料，如杭州聯(lián)川生物技術(shù)股份有限公司推出的《單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄測(cè)序一本通》和廣州基迪奧生物科技有限公司推出《單細(xì)胞測(cè)序完全解析》，也將作為輔助學(xué)習(xí)材料。

2.2 理論課教學(xué)內(nèi)容

在選擇理論教學(xué)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)根據(jù)學(xué)生的背景和研究方向進(jìn)行調(diào)整，確保內(nèi)容的可理解性和實(shí)用性。通過(guò)系統(tǒng)而全面地介紹理論知識(shí)，學(xué)生能夠建立起對(duì)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)及其應(yīng)用的全面理解，并為他們的研究和實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

①基本原理和技術(shù)流程。首先，需要介紹單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的基本原理和技術(shù)流程。學(xué)生需要了解單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)獲取和分析單個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組信息的方法，包括細(xì)胞采集、RNA 提取、測(cè)序和數(shù)據(jù)處理等步驟。

②數(shù)據(jù)分析方法。學(xué)生需要學(xué)習(xí)并掌握常用的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析方法。這包括聚類分析、細(xì)胞亞群鑒定、差異表達(dá)基因分析、軌跡推斷和細(xì)胞互作網(wǎng)絡(luò)分析等。通過(guò)重點(diǎn)講解這些方法的原理和應(yīng)用，并教授相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法和軟件，提高學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力。

③細(xì)胞異質(zhì)性和表達(dá)動(dòng)態(tài)。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用是揭示細(xì)胞群體的異質(zhì)性和表達(dá)動(dòng)態(tài)。教學(xué)中應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)細(xì)胞群體的異質(zhì)性來(lái)源、細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換的機(jī)制以及它們?cè)谏砗筒±磉^(guò)程中的意義。

④單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組與疾病研究。講解單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組在疾病研究中的應(yīng)用，包括單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)在癌癥、免疫學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等研究領(lǐng)域的案例，以及通過(guò)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組揭示疾病發(fā)生和發(fā)展的分子機(jī)制[4]。

⑤數(shù)據(jù)可視化和結(jié)果解讀。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)通常是高維度和復(fù)雜的，因此學(xué)生需要學(xué)習(xí)如何將數(shù)據(jù)可視化，以便更好地理解和解讀結(jié)果。教學(xué)中應(yīng)該介紹數(shù)據(jù)可視化工具和方法，幫助學(xué)生有效地展示和解讀單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)。

⑥倫理和數(shù)據(jù)安全。學(xué)生需要了解在處理人類或動(dòng)物樣本時(shí)應(yīng)遵守的倫理準(zhǔn)則和隱私保護(hù)規(guī)定，以及妥善處理和存儲(chǔ)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)的方法。

2.3 實(shí)踐課內(nèi)容

實(shí)踐課程的內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析兩個(gè)部分。在實(shí)驗(yàn)操作部分，學(xué)生將進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行腫瘤組織的消化和分選操作。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將親自操作細(xì)胞解離實(shí)驗(yàn)，掌握解離細(xì)胞的方法和技巧，同時(shí)了解細(xì)胞狀態(tài)對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析的影響。

在數(shù)據(jù)分析部分，學(xué)生將面對(duì)前期實(shí)驗(yàn)得到的腫瘤組織單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)。他們將綜合運(yùn)用生物信息學(xué)工具和分析方法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，其中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注腫瘤免疫微環(huán)境的分析，探索其中潛在的規(guī)律和機(jī)制。通過(guò)分析細(xì)胞類型、表達(dá)模式、免疫相關(guān)基因等，學(xué)生將深入理解腫瘤發(fā)展過(guò)程中的免疫調(diào)節(jié)和相互作用。

該實(shí)踐課程旨在讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析，全面了解單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序在腫瘤研究中的應(yīng)用。學(xué)生將從實(shí)際操作中獲得寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析和解讀的能力。這將幫助他們更好地理解和應(yīng)用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)來(lái)探索腫瘤發(fā)展的規(guī)律和機(jī)制。

3 “多媒體教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)” 教學(xué)方法

3.1 靈活運(yùn)用多媒體教學(xué)方法

多媒體在單細(xì)胞教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用，可提供豐富的視聽(tīng)效果，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的互動(dòng)性和可視化效果。教師可通過(guò)使用幻燈片和演示文稿，展示單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的基本原理、技術(shù)流程和數(shù)據(jù)分析方法。這種方式通過(guò)圖表、圖像和文字的呈現(xiàn)，有助于學(xué)生更好地理解和記憶相關(guān)概念與步驟。此外，教師還可通過(guò)制作和播放教學(xué)視頻和動(dòng)畫(huà)來(lái)生動(dòng)展示單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序?qū)嶒?yàn)操作和數(shù)據(jù)分析過(guò)程，從而幫助學(xué)生更好地理解、模擬實(shí)驗(yàn)并正確解讀結(jié)果。為了讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)分析流程，教師還可使用虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件或在線模擬平臺(tái)，讓學(xué)生進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序?qū)嶒?yàn)的虛擬操作。這種模式可以讓學(xué)生提前掌握實(shí)驗(yàn)技巧和策略。同時(shí)，數(shù)據(jù)可視化工具也可被用于將單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化圖表和圖像。學(xué)生通過(guò)交互式的數(shù)據(jù)可視化界面，深入理解細(xì)胞群體的異質(zhì)性和表達(dá)特征，探索和解讀復(fù)雜的數(shù)據(jù)模式和差異。除了在線教學(xué)平臺(tái)和資源，如網(wǎng)頁(yè)、博客和論壇提供的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序教學(xué)材料、案例分析和學(xué)習(xí)資源外，學(xué)生還可以根據(jù)自己的進(jìn)度和興趣進(jìn)行學(xué)習(xí)，并與教師和同學(xué)進(jìn)行討論和交流。此外，可通過(guò)交互式學(xué)習(xí)工具，例如在線測(cè)驗(yàn)、練習(xí)題和模擬實(shí)驗(yàn)操作，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性并檢驗(yàn)知識(shí)掌握程度。多媒體教學(xué)可為學(xué)生提供直觀、生動(dòng)和互動(dòng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，這些多媒體應(yīng)用可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、提升對(duì)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的理解，并培養(yǎng)他們的數(shù)據(jù)分析和解讀能力。

3.2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)：從臨床案例中學(xué)習(xí)真實(shí)技能

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)在單細(xì)胞教學(xué)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，可以幫助學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)和技能應(yīng)用于實(shí)際的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序項(xiàng)目中。以下是項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)在單細(xì)胞教學(xué)中的應(yīng)用方式：

①設(shè)計(jì)真實(shí)案例項(xiàng)目。教師可以選擇具有重大臨床意義的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組項(xiàng)目，將學(xué)生分為小組，要求他們自行設(shè)計(jì)和實(shí)施相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。學(xué)生需要運(yùn)用所學(xué)的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)和方法，解決實(shí)際生物學(xué)問(wèn)題并得出結(jié)論。

②數(shù)據(jù)收集和處理：學(xué)生可以參與單細(xì)胞樣本的解離、細(xì)胞捕獲和測(cè)序等實(shí)驗(yàn)操作。在數(shù)據(jù)處理階段，他們需要運(yùn)用所學(xué)的生物信息學(xué)工具和編程技巧，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制處理，以進(jìn)行后續(xù)的分析步驟。

③數(shù)據(jù)分析和解讀。學(xué)生需要學(xué)習(xí)和應(yīng)用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析方法，從單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)中挖掘有意義的生物學(xué)信息，并探索細(xì)胞群體的異質(zhì)性和表達(dá)特征，尋找潛在的生物學(xué)意義和機(jī)制。

④結(jié)果呈現(xiàn)和討論。學(xué)生應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)備項(xiàng)目報(bào)告或展示，以呈現(xiàn)他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果解讀。在小組或整個(gè)班級(jí)的討論中，他們可以與同學(xué)和教師共同分享經(jīng)驗(yàn)和討論結(jié)果，從中獲得反饋和改進(jìn)。

學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)獲得實(shí)際的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并將課堂學(xué)習(xí)應(yīng)用于真實(shí)場(chǎng)景中。這種實(shí)踐性的學(xué)習(xí)模式可以激發(fā)學(xué)生的興趣和動(dòng)力，培養(yǎng)他們的問(wèn)題解決能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和科學(xué)思維[5]。

3.3 合作學(xué)習(xí)：培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)

在開(kāi)展項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)合作將提供一個(gè)相互支持和協(xié)作的環(huán)境，促進(jìn)學(xué)生之間的合作與交流，提升學(xué)習(xí)效果和綜合能力。以下是合作學(xué)習(xí)在單細(xì)胞教學(xué)中的應(yīng)用方式：

①小組項(xiàng)目。將學(xué)生分成小組，共同合作。每個(gè)小組成員承擔(dān)不同的任務(wù)和角色，例如實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、文獻(xiàn)調(diào)研等。小組成員之間需要緊密合作，共同解決實(shí)驗(yàn)和分析中的問(wèn)題，并分享經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果。

②合作學(xué)習(xí)和反饋機(jī)制。安排學(xué)生進(jìn)行定期的小組討論、研討會(huì)或輪流進(jìn)行項(xiàng)目進(jìn)展報(bào)告，就課堂學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等方面進(jìn)行交流和分享。學(xué)生通過(guò)與其他同學(xué)和教師進(jìn)行深入討論和交流，拓寬思路和視野，促進(jìn)彼此之間的學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)[6]。

學(xué)生通過(guò)合作學(xué)習(xí)能夠從不同角度和經(jīng)驗(yàn)中獲益，教師在合作學(xué)習(xí)中起到引導(dǎo)和促進(jìn)的角色，他們可以提供必要的支持和指導(dǎo)，確保學(xué)生能夠充分參與和獲得有意義的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

4 展望

隨著單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)的不斷積累和豐富，如何讓醫(yī)學(xué)生更好地應(yīng)對(duì)和利用大規(guī)模數(shù)據(jù)分析成為一個(gè)重要挑戰(zhàn)。未來(lái)的教學(xué)可以從多方面展開(kāi)。第一，整合多學(xué)科知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科的思維和綜合能力。第二，關(guān)注技術(shù)創(chuàng)新和方法發(fā)展，介紹最新的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)和方法。第三，聚焦細(xì)胞圖譜的構(gòu)建與應(yīng)用，教授細(xì)胞圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)的利用和分析。第四，培養(yǎng)數(shù)據(jù)共享與合作的意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生加入開(kāi)放科學(xué)的行列。通過(guò)不斷探索和創(chuàng)新，醫(yī)學(xué)生單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序教學(xué)將培養(yǎng)更多具備研究能力的學(xué)生，推動(dòng)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)在醫(yī)學(xué)研究和臨床實(shí)踐中的應(yīng)用。