“制備診療乳腺癌的抗p185單克隆抗體”項目式學習

摘 要：項目式學習有助于促進學生對概念的深層理解，培養(yǎng)學生的問題解決能力與創(chuàng)新意識。本文遵循項目式學習開發(fā)流程，從“乳腺癌”情境出發(fā)，提出藥物開發(fā)需求，進而以問題為驅動，讓學生模擬體驗藥物工程師的工作，逐步完成“抗p185單克隆抗體—藥物”偶聯(lián)物的設計方案，發(fā)展學生產(chǎn)品設計能力并使其認同生物技術發(fā)展對醫(yī)療產(chǎn)生的貢獻。

關鍵詞：診療乳腺癌；單克隆抗體；項目式學習

文章編號：1003-7586（2024）11-0075-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）提出，關注信息化環(huán)境下的教學改革，關注學生個性化、多樣化的學習和發(fā)展需求，促進人才培養(yǎng)模式的轉變，著力發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。項目式學習中所強調的“真實情境”“問題驅動”“合作探究”“產(chǎn)品導向”等要素與《課程標準》的理念貼合，是培養(yǎng)學生生物學學科核心素養(yǎng)的重要策略。本文以“乳腺癌的危害”這一真實情境引出“如何開發(fā)出能靶向診療乳腺癌的藥物？”的核心問題，進而讓學生模擬體驗藥物工程師的工作，在問題的驅動下自主完成“抗p185單克隆抗體—藥物”偶聯(lián)物（ADC）的設計方案，促進學生對“單克隆技術流程、原理與應用”的深入理解，提升學生的問題解決能力和創(chuàng)新意識。

1 項目式學習

項目式學習是一種學生圍繞真實、復雜的情境主題，在問題的驅動下完成一系列設計、計劃、問題解決、決策、作品創(chuàng)建等學習任務，自主開展探究活動，最終達到知識構建與能力提升的一種教學模式。^［1］項目式學習有助于促進學生對概念和原理的深層次理解，培養(yǎng)學生解決復雜問題的能力與創(chuàng)新意識，實現(xiàn)學生從“被動接受”到“主動探索”的有效轉變。^［2］項目式學習一般包括項目設計、項目實施、項目評價三個環(huán)節(jié)^［3］，三者構成一個閉環(huán)，推動項目設計的不斷完善（見圖1）。本文遵循該流程進行“制備診療乳腺癌的抗p185單克隆抗體（以下簡稱‘抗體’）”項目式學習的開發(fā)，以提升學生的問題解決能力與創(chuàng)新意識。

2 項目設計

2.1 項目主題確定

乳腺癌是目前女性惡性腫瘤發(fā)病率較高的癌癥，其診療是當下醫(yī)學研究的熱點，與全世界女性的身體健康密切相關。本文以“乳腺癌”這一真實情境引出“診療乳腺癌”主題，并讓學生嘗試模擬體驗藥物工程師的工作，設計出針對乳腺癌的靶向治療藥物，以提升學生的問題解決能力。

本文主要涉及人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修3·生物技術與工程》第2章第2節(jié)“動物細胞融合技術及單克隆抗體”的內容，對應《課程標準》中的次位概念“4.2.3 闡明動物細胞融合是通過物理、化學或生物學等手段，使兩個或多個細胞結合形成一個細胞的過程”與“4.2.4 概述細胞融合技術是單克隆抗體制備的重要技術”。該部分內容與免疫、細胞融合等技術聯(lián)系緊密，是現(xiàn)代生物技術在細胞研究、醫(yī)學等領域應用的重要體現(xiàn)。

2.2 項目教學目標

（1）能應用結構與功能觀，提出“選用能產(chǎn)生特定抗體的活化B淋巴細胞與能不斷分裂的骨髓瘤細胞相融合，以制備抗體”的方案基本思路。

（2）能參與“模擬細胞融合”“篩選水寶寶”等探究活動，并完成以“制備抗體”為核心的一系列藥物設計方案，提升問題解決能力與創(chuàng)新意識。

（3）能認識單克隆抗體的三大應用——治療疾病、疾病診斷及運載藥物，認同生物技術對人類健康問題的貢獻，樹立健康生活意識。

2.3 項目問題與活動設計

筆者在項目中以“診療乳腺癌”為主題，提出“如何開發(fā)出能靶向診療乳腺癌的藥物？”的核心問題，明確項目產(chǎn)品，進而設計一系列問題與活動，讓學生模擬體驗藥物工程師的工作，自主完成從“B淋巴細胞活化”到“抗體應用”的藥物方案設計，具體項目內容如表1所示。

3 項目實施

3.1 創(chuàng)設情境，明確項目主題

教師播放“乳腺癌的危害”視頻，創(chuàng)設情境，引出本項目的核心問題：假如你是某醫(yī)藥公司的工程師，如何設計出一種能夠靶向診療乳腺癌的藥物產(chǎn)品？

教師通過“乳腺癌是女性發(fā)病率最高的惡性腫瘤”這一真實問題情境，讓學生感受到“診療乳腺癌”的社會需求，激發(fā)學生開發(fā)藥物的學習熱情，從而讓學生模擬體驗藥物工程師的工作，開展藥物方案設計。

3.2 問題驅動，提出初步設想

教師提供資料：HER2是一種原癌基因，約有20％～30％的乳腺癌細胞中的HER2及其蛋白產(chǎn)物p185蛋白會高表達^［4］；骨髓瘤細胞具有易融合及無限增殖等特點。之后教師設置問題串：①如何識別乳腺癌細胞，實現(xiàn)藥物的靶向治療？②傳統(tǒng)方法如何獲取抗體？③單個活化的B淋巴細胞能產(chǎn)生幾種抗體？能否無限增殖？④如何獲得既能分泌單一抗體又能大量增殖的細胞？

學生結合資料和問題①，意識到可用“抗體”識別乳腺癌細胞。隨后，學生通過對問題②和③進行探討，認識到傳統(tǒng)方法成本高，B淋巴細胞易死亡，難以獲得充足的抗體，并在資料啟發(fā)下提出“應用動物細胞融合技術將活化后的B淋巴細胞與骨髓瘤細胞融合，獲得既能分泌抗體，又能無限增殖的細胞來獲取大量抗體”的初步設想。

3.3 逐步探究，形成產(chǎn)品方案

教師在學生設想的基礎上設置問題串，從而幫助學生將想法轉化為具體可行的方案：①如何獲取能產(chǎn)生抗體的B淋巴細胞？②如何將B淋巴細胞與骨髓瘤細胞融合？誘導細胞融合后，培養(yǎng)液中將會出現(xiàn)哪些類型的細胞？③如何篩選出能產(chǎn)生抗體的骨髓瘤雜交細胞？

3.3.1 淋巴B細胞的活化

針對問題①，學生根據(jù)已有的免疫學相關知識，結合“B淋巴細胞主要存儲于脾等免疫器官”資料，提出“向實驗鼠注射p185蛋白，一段時間后從小鼠的脾中抽取活化的B淋巴細胞”的想法。教師進一步提問：“此時抽取的B淋巴細胞是否都能產(chǎn)生抗體？”從而讓學生理解抽取到的B淋巴細胞并非只有一種。

3.3.2 細胞的融合

針對問題②，學生遷移應用植物體細胞雜交技術，提出PEG融合法、電融合法和滅活病毒誘導法等多種不同的細胞融合方法，并思考“與植物體細胞雜交相比，動物細胞雜交缺少哪個環(huán)節(jié)？”的問題。

3.3.3 雜交瘤細胞的篩選

針對問題③，教師提供物理模型模擬演示：以黃色球代表骨髓瘤細胞，以藍色球代表B淋巴細胞，并在其上分別標注“抗p185、1、2、3”表示四種不同活化狀態(tài)的B淋巴細胞。教師向開口大紙盒放入黃球、四種籃球若干，球內均裝有磁鐵，搖動紙盒以模擬動物細胞融合的過程，最后展示融合結果。

學生據(jù)模擬實驗認識到可能出現(xiàn)“B細胞、B細胞—B細胞、瘤細胞、瘤細胞—瘤細胞、B細胞（抗p185）—瘤細胞、B細胞（1）—瘤細胞”等多種融合結果，因此需要對融合結果進行篩選。

教師提供資料：B細胞、B細胞—B細胞會隨著培養(yǎng)時間的延長而逐步死亡；DNA復制所需的核苷酸有全合成途徑和補救合成途徑兩種。^［5］

學生分析、討論上述資料，提出利用延長培養(yǎng)時間的方法殺死B細胞、B細胞—B細胞；向培養(yǎng)基中加入氨基喋呤（抑制全合成途徑）、次黃嘌呤與胸腺嘧啶核苷（保證雜交瘤細胞能進行補救途徑），從而去除瘤細胞、瘤細胞—瘤細胞，即設計并嘗試闡述HAT培養(yǎng)基篩選雜交瘤細胞的原理與應用。

3.3.4 抗p185雜交瘤細胞的篩選

教師提問：HAT培養(yǎng)基上生長的雜交瘤細胞是否能產(chǎn)抗p185的抗體？學生結合模擬實驗結果認識到雜交瘤細胞還有B細胞（抗p185）—瘤細胞、B細胞（1）—瘤細胞等多種組合，教師進而提出疑問：如何進一步篩選？

針對上述疑問，教師準備如下物理模型：紅色“水寶寶”代表產(chǎn)抗體的雜交瘤細胞（數(shù)目相對較少），其他顏色“水寶寶”代表能產(chǎn)其他抗體的雜交瘤細胞，足量自來水代表細胞培養(yǎng)液，以及不同體積的透明燒杯若干。教師利用上述材料模擬“有限稀釋法”的操作流程，把微觀問題宏觀化展示。

教師提出問題：聯(lián)系稀釋涂布平板法的原理，如何從種類繁多的“水寶寶”中篩選出數(shù)量相對較少的紅色“水寶寶”？學生分組討論并由代表嘗試操作，逐步進行梯度稀釋，直到某一塑料杯中全為紅色“水寶寶”，模擬稀釋雜交瘤細胞并進行克隆化培養(yǎng)的過程。

教師進一步提出問題：以上操作是根據(jù)顏色將紅色“水寶寶”篩選出來，實際上產(chǎn)生抗體的雜交瘤細胞沒有特殊顏色，又該如何篩選？學生聯(lián)想到抗體與抗原特異性結合的原理，可選用熒光標記的p185蛋白作為抗原，進而篩選出抗體檢測呈陽性的雜交瘤細胞。

教師展示96孔細胞培養(yǎng)板，簡要介紹“有限稀釋法”，并總結：進行雜交瘤細胞的克隆化培養(yǎng)和抗體檢測，重復多次后即可篩選出產(chǎn)生抗體的雜交瘤細胞。

3.3.5 單克隆抗體的制備

教師提出問題：如何讓雜交瘤細胞大量增殖并提取單克隆抗體？學生聯(lián)系動物細胞體外培養(yǎng)的相關知識，提出“在細胞培養(yǎng)液中獲取單克隆抗體”的方法。教師進一步提問：該抗體能否重新注射回動物體內？注射回動物體內會遇到什么問題？

教師進一步補充資料：異十八烷能有效抑制小鼠腹腔巨噬細胞及淋巴細胞的免疫功能，使小鼠組織易于接納雜交瘤細胞，并促進腹水產(chǎn)生，大多單克隆抗體都是通過這種方法獲取的。教師引導學生進一步思考：為何大多數(shù)單克隆抗體往往采用動物體內培養(yǎng)？與體外培養(yǎng)相比，動物體內培養(yǎng)有何優(yōu)點？學生通過探討認識到動物體內培養(yǎng)具有“不用配制特定培養(yǎng)基”“不用考慮外界嚴格條件”等優(yōu)勢。

3.3.6 形成產(chǎn)品方案

學生總結并繪制抗體制備流程圖（見圖2），并進行交流評價。

3.4 回歸情境，探討實踐應用

教師播放視頻，介紹我國自主研發(fā)的第一種治療乳腺癌的抗體—藥物偶聯(lián)物“RC48”，提出問題：怎樣利用抗體設計類似RC48的ADC藥物或其他與乳腺癌相關的產(chǎn)品？隨后，教師展示以下資料：①單克隆抗體可以通過接頭與放射性核素、細胞毒素、熒光素以及藥物結合使用；②乳腺癌可用放射性核素放療，但同時會殺死正常細胞；③紫杉醇常用于乳腺癌的治療，研究表明該藥物在靶向治療條件下效果更好。

各組學生通過閱讀和分析資料，并利用各色彩出設計組裝出類似RC48的偶聯(lián)物模型，展示產(chǎn)品設計，并模擬產(chǎn)品推廣活動，介紹其組成及抗癌原理、優(yōu)勢等。例如，同位素或熒光標記的單克隆抗體可區(qū)分正常細胞和癌細胞以診斷腫瘤位置；大分子抗體直接用于乳腺癌的化療；抗體—紫杉醇偶聯(lián)物用于化療；抗體—放射性核素偶聯(lián)物用于放療等。教師通過開展該活動，將抽象的理論知識轉化為形象、直觀的物理模型，發(fā)展了學生的動手操作能力和對所學知識的遷移與應用能力。

4 項目評價

評價一：結合資料，嘗試寫出有效殺傷癌細胞的雙特異性抗體的作用原理并簡要介紹生產(chǎn)流程。

教師通過該評價方式，推動學生將所學知識進行串聯(lián)，形成完整知識體系，并能靈活運用于解決較為復雜的問題，有效培養(yǎng)學生的知識整合與應用能力。

評價二：各小組以單克隆抗體在臨床上的應用為主題，寫一篇應用單克隆抗體診療癌癥的研究報告，形式不限，紙質論文、電子板報均可。

教師通過該評價方式，推動學生課下團隊合作，進一步培養(yǎng)學生的團隊意識和自主學習能力，激發(fā)學生的創(chuàng)造力和想象力。

5 總結與反思

項目式學習是促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展的重要途徑，能夠賦予學生更多學習自主權。本項目將“制備抗p185蛋白的單克隆抗體以開發(fā)診療乳腺癌的藥物”作為真實情境貫穿始終，為學生創(chuàng)造沉浸式的學習體驗，促進學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。教師在教學中以學生為主體，將陳述性的知識轉化為學生要探究和思考的內容，通過任務驅動式學習，提高了學生的主動性和參與度，也促進了學生由低階思維向高階思維發(fā)展。該項目式學習從情境的選擇、半開放式的活動設計、多層次問題串的引領和引導性資料的輔助四個方面，使生物學學科核心素養(yǎng)在課堂教學中得以充分滲透。

參考文獻

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［3］李志河，張麗梅.近十年我國項目式學習研究綜述［J］.中國教育信息化，2017（16）：52-55.

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［5］劉怡昀.關于“制備單克隆抗體”一節(jié)的設問式教學設計［J］. 中學生物學， 2007（4）：23-24.