Toll样受体的科研成果引入课堂教学的改革探索①

赫 杰 魏力军 史 明 李 钰 马文君

(哈尔滨工业大学生命科学与技术学院，哈尔滨150080)

·教学园地·

Toll样受体的科研成果引入课堂教学的改革探索①

赫 杰 魏力军 史 明 李 钰 马文君

(哈尔滨工业大学生命科学与技术学院，哈尔滨150080)

本科细胞生物学、免疫学及生物化学与分子生物学综合实验课程是生命科学领域专业的基础课程和交叉课程，面向生物学等相关专业的学生开设。它们是兼理论性和实验性的课程，着重培养学生的分析问题能力、动手能力、科学研究能力等，这些能力的培养符合实践型和创新型人才的培养目标。为适应我国经济和国防建设的高速发展，作为新型人才，学生对知识的需求已远远超越课本教材，对科技发展的最新动态与趋势充满好奇，也对教师的科研成果产生浓厚的兴趣。如果将这些科研成果引入教学，不仅会使学生了解最前沿的科技发展，激发学生的好奇心和学习热情，而且会拓展学生的科研思维能力，在培养学生创新意识方面起到举足轻重的作用[1,2]。

Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)是生物的一种模式识别受体(Pattern recognition receptor，PRR)，它主要通过识别病原相关分子模式(Pathogen-associated molecular patterns，PAMPs)来启动免疫反应[3]。Toll样受体对细胞进程的调节作用，尤其是对肿瘤等疾病进程的功能研究已发展为生物学最热门的研究方向之一。如何实现Toll样受体的相关科研成果引入课堂与本科生免疫学相关课程教学内容的有机结合，在有限学时内更新知识，成为教师关注解决的问题之一。鉴于课程教学中缺少比较系统的典型案例，使得各知识点无法有机串联，理论抽象且复杂，可能导致学生学习起来较困难、影响学习兴趣的现状。我们尝试将教师的Toll样受体的研究成果作为案例引入免疫学相关课程的教学实践，将科研和教学有机地结合起来，既讲授了前沿热点知识，完善知识结构，又有助于激发学生学习的积极性。

1 Toll样受体的前沿理论知识

近来研究表明，Toll 样受体在肿瘤发生、发展中发挥重要的免疫监视和调控作用[4-6]。目前Toll 样受体在肿瘤免疫治疗中的研究已经成为热点，有望成为肿瘤生物治疗的新途径[7]。在本科细胞生物学、免疫学及生物化学与分子生物学综合实验课程教学中，学生有必要掌握Toll样受体与肿瘤发生的关系。

1.1 Toll样受体与肿瘤抑制 Toll样受体在机体对肿瘤细胞的免疫应答和免疫监视中发挥重要作用，部分Toll样受体介导肿瘤抑制功能。有研究表明，一些Toll样受体具有显著的免疫抑瘤作用，这些Toll样受体能够直接识别肿瘤，或间接地激活耐受的宿主免疫系统杀伤肿瘤细胞[8,9]。如Poly I∶C(Polyriboinosinic:polyribocytidylic acid)或Poly A∶U(Polyadenylic-polyuridylic acid)激活的TLR3信号。既可以直接抑制肿瘤组织的血管生成，诱导肿瘤细胞发生凋亡或自噬性细胞死亡，又可以通过旁观者效应(Bystander effect)破坏肿瘤微环境，从而有效地抑制肿瘤[10-13]。此类能够介导肿瘤抑制作用的Toll样受体的配体有望发展成为临床肿瘤免疫治疗药物。

1.2 Toll样受体与肿瘤免疫逃逸 Toll 样受体参与介导肿瘤细胞的免疫监视和肿瘤抑制作用已引起广泛关注，但也有研究表明部分Toll样受体成为某些肿瘤借以逃逸机体免疫系统的靶分子。肿瘤细胞的内源性物质和肿瘤抗原可以被Toll样受体特异地识别，并诱导肿瘤的炎性微环境，这可能是促进肿瘤免疫逃逸的关键因素。有报道称，肿瘤细胞释放的特定内源性分子热休克蛋白可以激活部分Toll样受体，并通过诱导炎症反应，促进炎性肿瘤微环境的形成与肿瘤发展[14]。尽管如此，目前肿瘤细胞发生免疫逃逸的机制还不是非常清楚。深入探讨炎症与肿瘤关系的发病机制，寻找Toll样受体信号通路中特异环节的阻断抑制剂，将为Toll 样受体相关的肿瘤免疫治疗提供新方向。

1.3 Toll样受体与细胞自噬 近年来，肿瘤细胞Toll样受体信号与细胞自噬的关系引起广泛关注。通常认为，肿瘤细胞的自噬作用可以为肿瘤细胞提供养分，促进肿瘤生长；但也有研究表明一些抑癌蛋白可以激活肿瘤细胞的自噬作用，促进肿瘤细胞发生自噬性细胞死亡(Autophagic cell death)，也称Ⅱ型程序性细胞死亡[15-18]。

我们的最新研究发现，新的自噬相关因子MAP1S可以参与Toll样受体信号的激活，并能够有效地调控Toll样受体信号诱导细胞自噬和炎症反应的发生，最终促使肿瘤细胞发生自噬性细胞死亡[19,20]。此研究成果可能对临床肿瘤治疗方法的开发提供重要参考和线索。此课题研究过程中，涉及一系列细胞生物学、免疫学、生物化学和分子生物学的重要技术及细胞自噬、信号通路等重要授课内容。如果能将Toll样受体研究中涉及的一些具体实验操作、研究思路及相关研究内容作为具体案例引入教学，将有利于启发式教学的开展，培养学生独立思考和创新精神，有利于将各个知识点以我们的研究成果为载体有机地串联起来，形成合理的知识网络，培养学生的学习兴趣及从事科学研究的实际动手能力，对创新型人才培养将具有极大的裨益。

2 实现Toll样受体科研成果进课堂的教学模式

科研成果是指科学研究者运用科学研究方法，利用已有的知识，经过探索研究而产生出来的具有一定学术价值、社会价值或经济效益并且被同行专家认定的创造性成果[21]，是信息前沿的最直接体现。科研成果具有较强的前瞻性，而本科教学有其固有的基础性，如何处理好二者的关系，把握好原则，以适当方式将科研成果融入课堂教学，从而取得良好的教学效果。以下是近几年我院教师将Toll样受体的研究成果引入免疫学相关课程教学的一些探索和实践，与同行切磋。

2.1 以案例方式充实教学内容 要使科研成果合理较快地引入本科生课堂，案例介绍是最直接的手段[22,23]。教师应该遵循教学的内在规律，以教学内容的系统完整性和授课过程的逻辑连贯性为依据，注重以新的观点重新理解、审视、组织和阐述传统内容，将科研理念、科研突破和科研资源以及科研成果产生的新理论、新方法和新应用，经过选择加工，逻辑连贯地引入课堂教学、实验教学，并与教材内容有机结合，这是丰富教学内容和提高教学质量的一个极好的途径。

2.1.1 Toll样受体案例引入细胞生物学教学 在本院本科生细胞生物学课程的第三章细胞生物学研究方法的理论教学中，涉及转染、实时定量PCR、免疫荧光、蛋白质免疫印迹等重要技术的讲授。在传统的教学中，教师根据教材将这几项实验技术割裂开来，分别作为独立技术就其概念、原理及应用进行讲解。教学方法单一，课堂教学中学生参与度较低，启发式教学手段难以开展。学生常常学完之后，背会了概念，但仍然不会应用，不会分析与上述技术相关的实验结果，教学效果较差。

我们在细胞生物学课程本章节的教学中，首先给学生提供我们发表的文章题目，同时介绍文献检索方法，然后让学生课下自行下载并阅读。在随后的课堂教学中，将我们的“Toll样受体在乳腺癌发生发展中的作用”的科研成果编制合适的案例引入教学。简要介绍Toll样受体在肿瘤免疫中的重要作用及调控机制后，启发学生思考“检测Toll样受体关键调节因子调控作用”的研究思路，从而将上述关键技术逻辑连贯性地引入教学。同时，教师提出“如何实现Toll样受体关键调节因子过表达”的问题，巧妙地引入转染技术的原理、方法及注意事项，进一步启发学生思考哪些技术可以用来检测关键调节因子的过表达效果，为引入实时定量PCR技术及蛋白免疫印迹技术埋下“伏笔”。为了启发学生将所学技术应用到研究思路的设计中，我们提出“关键调节因子功能检测”的教学案例，启发学生思考应该采用何种技术来从RNA水平和蛋白质水平检测关键细胞因子的表达情况，从而十分合理地将实时定量PCR、蛋白质免疫印迹和免疫荧光技术引入到当前的教学内容。另外，在教学中结合科研成果案例，侧重于讲授与上述技术相关的实验结果的表述方式、分析及讨论，并提出实验结果存在不足之处的假设，启发学生应用所学技术来进一步完善，这些方法将有助于实践型创新型人才的培养。因此，根据成果的研究过程与应用情况编制合适的案例，带领学生进入到对成果的兴趣中去，是教学成功的关键。对于不易本科生理解和掌握的教学内容，侧重案例的启发性和鼓励性作用。对于本科阶段已经具备专业知识的前提下，所选案例可偏重于综合性，提出所要解决的问题，并引导学生根据实验结果进行合理的分析讨论，注重培养本科学生分析问题和解决问题的能力。通过启发式教学，鼓励学生思考，提高学生学习的参与度，提高教学质量。

另外，本科生细胞生物学课程讲到细胞凋亡通路的章节时，知识结构有多个节点，既相对独立又相互联系。我们将“Toll样受体参与肿瘤细胞自噬”这一科研成果，进行提炼，再与教材中相关的知识点相结合，提出“Toll样受体激活后引起细胞自噬，应采取哪些实验方法进行检测及深入研究”等问题，启发学生将所学的理论知识应用于对具体的科研案例的分析中，将细胞凋亡、细胞坏死与细胞自噬的原理、区别及研究方法等多个知识点联系起来，进而将透射电镜、激光共聚焦显微镜、蛋白免疫印迹等技术合理的引入教学，形成思维网络，更容易开展启发式教学模式，组织课堂讨论，使本科学生的学习不再盲目，引导他们创新思维，促进学生有效地掌握知识。

2.1.2 Toll样受体案例引入免疫学教学 “兴趣是最好的老师”。免疫学课程第一章绪论是相对枯燥的，主要介绍免疫学的研究内容、发展简史及免疫学的学习方法。如何在第一节课就激发起学生浓厚的学习兴趣，为后续知识的学习打下良好的基础，是教师在免疫学教学中值得关注的问题。

我们在免疫学第一章绪论教学中，做了如下尝试。如介绍果蝇是世界上公认的用于生物学研究的经典模式生物后，讲授其在科学研究中的重要作用，并将Toll样受体的相关研究成果引入教学。我们首先向学生提出问题：果蝇的主食为腐烂的水果，其经常与大量病原体“亲密”接触，但并不易被感染，是何原因？在启发学生思考的同时，引入Toll受体的下述相关知识。由于果蝇体内具有Toll受体，其可以调动免疫系统，从而抵御病原体的感染。果蝇体内Toll受体对真菌感染具有较强的免疫作用，是Lemaitre[24]于1996年首次发现，进而提出“在哺乳动物细胞中是否存在与果蝇Toll受体同源受体”的问题。然后进一步介绍Poltorak[25]实验室于1998年发现了与果蝇Toll 蛋白同源的小鼠Toll样受体4(TLR4)的特异性配体LPS，是激活适应性免疫的基础。正是由于Lemaitre和Poltorak在天然免疫模式识别受体领域做出的突出贡献，他们于2011年获得了诺贝尔生理学或医学奖。目前Toll 样受体在免疫遗传中的作用已引起广泛关注，并向学生引入我们在Toll样受体与肿瘤发展关系的研究成果，积极地把新科学思想、科学精神和科研方向传授给学生，并鼓励学生参与我们的课题研究。通过将免疫学研究与诺贝尔奖联系起来，将前人和我们的科研成果引入教学，使学生了解学科中的问题和争论、前沿和热点，不仅激发学生学好这门课的兴趣与愿望，而且培养了他们的创新素质。

免疫学课程的第二章第一节天然免疫，需要学生掌握机体应对入侵病原微生物的方法以及免疫系统实现快速反应的途径等相关知识。巨噬细胞、NK细胞和中性粒天然免疫细胞表面的模式识别受体在识别病原微生物中的作用是本章节的重点，该理论知识比较抽象。为了便于学生理解掌握以及培养学生免疫学研究的科研思路，我们将“Toll样受体信号在细胞吞噬过程中的作用”这一科研成果引入教学。由于授课对象是大三本科生，他们已经掌握了生物学基本实验技术，因此我们提出“如何设计实验可以鉴定Toll样受体信号通路激活”的问题，将我们的科研成果“MAP1S促进了Toll样受体信号的激活和巨噬细胞的吞噬作用”作为案例引入课堂，引导学生分析“MAP1S缺陷型和野生型的巨噬细胞中Toll样受体的活化状态及其对吞噬作用的影响”等实验结果的过程中，启发学生思考与讨论，不仅使他们掌握了Toll样受体和巨噬细胞吞噬功能的关系，而且拓展了他们的科研思路。

免疫学是一门前沿学科，知识更新十分迅速，为了培养学生主动学习、会学习的能力，以我们的Toll样受体相关研究成果为载体，巧妙地引入Pubmed、Google等查阅文献的常用网址及应用Endnote软件搜索和插入文献的方法，然后让学生查阅几篇Toll样受体相关的参考文献，撰写综述性课程论文，并计入平时成绩的考核内容。这样可以让学生通过查阅资料，了解研究热点，找到自己的兴趣点，对科研素质的提高有很大的益处。

2.2 以实验教学方式充实教学内容 生命科学领域的专业课程理论性较强，且涉及了很多实践性内容，很多内容仅仅通过单纯的课堂讲解难以接受，能在课堂上讲深讲透，并让本科学生易于掌握更是困难。因此，我院面向生物技术与生物工程专业大四本科生开设了生物化学与分子生物学综合实验课程。

本门课程包括3周的连续性实验，要求他们熟练掌握重组质粒的构建、转染、蛋白免疫印迹、免疫荧光等技术。我们通过与科研成果相结合，在实践教学环节中安排了设计性实验项目，如以Toll样受体参与肿瘤免疫治疗的科研成果为背景，安排了“Toll样受体关键调节因子MAP1S基因在细胞中过表达”的实验。要求学生将MAP1S基因的编码区构建到真核表达载体pcDNA3.1上，在测序验证重组体后，将重组体pcDNA3.1/MAP1S瞬时转染HEK293细胞中，转染48 h后，通过Western blot验证MAP1S在细胞中过表达，并采用间接免疫荧光技术通过激光共聚焦显微镜观察MAP1S蛋白在细胞中的表达和定位。从而将重组质粒的构建、转染、Western blot、免疫荧光、激光共聚焦显微镜观察等基本实验操作，以Toll样受体相关的研究思路及科研成果为载体将它们连贯起来，实行系统综合设计，与实验技术的理论知识融会贯通，灵活应用，使这些实验教学环节的过程与内容具有更强的结果期盼性、实践性和可操作性。激发本科学生的求知欲和创新意识，具有技术涉及面广、综合性强等特点。由于实验过程环环相扣，为了避免后续实验失败，实验中每个环节都需要认真严谨，既要求学生有扎实的理论基础和广泛的知识面，又要有灵活的应对能力、动手实践能力及良好的协作精神，比起单纯几个独立实验灌输式讲授，具有事半功倍的效果，使本科教学质量得到提高。

我们有了科研成果之源，在本科生的理论和实验教学中可以向学生进行启发式教学(见表1)，传授个人在科研实践中的经验所得、科研思路与创新，会比较自然地用科研的实践精神和创造精神感染学生，突破课本内容的局限，生动地灵活地教学，更注重理论与实际的有机结合。这样既体现了教师的专业知识水平和研究能力，又彰显了教师的课堂特色和魅力，从而增加学生对课堂的关注度和参与度，激发本科学生从事科研的兴趣，更快地步入学术研究的征途。只有有意识地把科研成果渗透和融入教学，才能在实践中真正促进教学和人才培养。

表1 Toll样受体科研成果引入教学的课堂问题设置

Tab.1 Set of course questions in process of scientific research achievement of toll-like receptors into teaching

课程名称启发学生思考的问题需掌握的知识点细胞生物学如何查阅指定的文献Pubmed、Google等查阅文献的常用网址及应用Endnote软件搜索和插入文献的方法如何实现Toll样受体关键调节因子的过表达？转染技术的原理、方法及注意事项关键调节因子过表达效果的检测方法？实时定量PCR技术及蛋白免疫印迹技术如何检测关键调节因子的功能？如何检测关键细胞因子的表达情况？实时定量PCR、蛋白质免疫印迹和免疫荧光技术实验结果存在的不足之处？应用所学技术完善实验结果Toll样受体激活后引起细胞自噬，应采取哪些实验方法进行检测及深入研究？细胞凋亡、细胞坏死与细胞自噬的原理、区别及研究方法细胞自噬的鉴定方法？透射电镜、激光共聚焦显微镜、蛋白免疫印迹技术免疫学果蝇经常与大量病原体“亲密”接触，但并不易被感染的原因？果蝇Toll受体可以调动免疫系统抵御病原体的感染在哺乳动物细胞中是否存在与果蝇Toll受体同源的受体？天然免疫模式识别受体领域的突出贡献与诺贝尔生理学或医学奖Toll样受体与肿瘤发展关系？新科学思想和科研方向如何设计实验来鉴定Toll样受体信号通路的激活？Toll样受体和巨噬细胞吞噬功能的关系以及科研思路的拓展如何查阅多篇Toll样受体相关的参考文献，撰写综述性课程论文？Pubmed、Google等查阅文献的常用网址及应用Endnote软件搜索和插入文献的方法生化与分子生物学综合实验Toll样受体关键调节因子MAP1S基因在细胞中过表达的实验思路？重组载体的构建、瞬时转染技术、蛋白免疫印迹技术、激光共聚焦显微镜的使用以及间接免疫荧光技术的原理、实验操作与注意事项

3 Toll样受体科研成果教学转化取得成效

在本科免疫学相关课程(包括细胞生物学、免疫学及生物化学与分子生物学综合实验课程)的教学中实施科研成果教学转化模式后，我们对教学效果满意度进行了问卷调查。

我们分别对改革前与改革后的生物技术、生物工程专业共67名本科生进行了细胞生物学课程第三章细胞生物学研究方法教学的满意度问卷调查；对生物技术、生物工程和生物信息技术专业共98名本科生进行了免疫学课程第一章和第二章教学的满意度问卷调查；对生物技术、生物工程和生物信息技术专业共78名本科生进行了生物化学与分子生物学综合实验课程教学的满意度问卷调查，回收率100%，均为有效问卷。应用SPSS 13.0统计软件进行数据分析，结果表明(见表2)：①改革后对教学安排合理性的问卷调查，评价为“好”和“较好”的学生人数较改革前明显增多，应用卡方检验，发现P<0.01，具有显著性差异;②对是否利于获取前沿知识的评价，改革后评价为“好”和“较好”的学生人数显著高于改革前的学生人数，统计分析具有显著性差异(P<0.01);③课程改革后，认为“科研成果引入教学利于激发科研兴趣和拓展科研思维能力”的学生人数显著高于改革前的学生人数(P<0.01);④关于教学效果及作用的评价结果，课程改革后，学生对教学效果评价为“好”和“较好”的学生比例，显著高于改革前的学生比例(P<0.01)。

细胞生物学、免疫学及生物化学与分子生物学综合实验课程采用科研成果教学转化的教学模式，所取得的最优效果体现在：丰富了授课内涵，激发学生的好奇心和学习兴趣，加强了学生实践能力的培养。在这种模式下培养出来的学生具有创新精神、创新意识，是具有发展潜质的复合现代社会要求的人才。

4 结语

在当今大学，科研和教学是相互统一、相互促进的。科研与教学的关系经常是“源”和“流”的关系，教学是科研的基础，科研是教学的发展和提高，科研促进教学。教师将新的科研成果引入教学，不仅激发学生的好奇心和学习兴趣，增加了学生与教师之间的互动，有利于教学相长，同时会使本科学生了解科技发展的最前沿，拓展本科学生的科研思维能力，培养本科学生创新意识。因此，科研成果向教学转化是提高人才培养质量的必然要求。

表2 本科生对科研成果教学转化的教学模式反馈意见调查结果

Tab.2 Survey results of undergraduate student feedback on models of scientific research achievements into teaching

课程调查内容和反馈信息改革前好较好人数(%)一般差改革后好较好人数(%)一般差P细胞生物学第三章教学安排是否合理7(21 9)12(37 5)12(37 5)1(3 1)18(51 4)14(40 0)3(8 6)0(0)<0 01是否激发学习兴趣7(21 9)1(34 4)12(37 5)2(6 25)19(54 3)13(37 1)3(8 6)0(0)<0 01是否利于获取前沿知识8(25 0)11(34 4)12(37 5)1(3 1)17(48 6)16(45 7)2(5 7)0(0)<0 01是否利于拓展科研思维能力7(21 9)12(37 5)12(37 5)1(3 1)18(51 4)14(40 0)3(8 6)0(0)<0 01教学效果及作用7(21 9)11(34 4)13(37 5)1(3 1)18(51 4)13(37 1)4(11 4)0(0)<0 01免疫学第一和第二章教学安排是否合理10(20 8)19(39 6)18(37 5)1(2 1)25(50 0)20(40 0)4(8 0)1(2 0)<0 01是否激发学习兴趣11(22 9)17(35 4)18(37 5)2(4 2)26(52)18(36 0)5(10 0)0(0)<0 01是否利于获取前沿知识12(25 0)17(35 4)18(37 5)1(2 1)26(52 0)21(42 0)3(6 0)0(0)<0 01是否利于拓展科研思维能力11(22 9)18(37 5)18(37 5)1(2 1)24(48 0)21(42 0)4(8 0)1(2 0)<0 01教学效果及作用10(20 8)17(35 4)19(39 6)2(2 1)25(50 0)20(40 0)5(10 0)0(0)<0 01生化与分子生物学综合实验教学安排是否合理7(23 3)10(33 3)11(36 7)2(6 7)24(50 0)19(39 6)4(8 3)1(2 0)<0 01是否激发学习兴趣8(26 7)8(26 7)12(40 0)2(6 7)25(52 1)18(37 5)4(8 3)1(2 0)<0 01是否利于获取前沿知识7(23 3)11(36 7)11(36 7)1(3 3)24(50 0)20(41 7)2(4 2)2(4 2)<0 01是否利于拓展科研思维能力7(23 3)10(33 3)12(40 0)1(3 3)23(47 9)21(43 8)3(6 25)1(2 0)<0 01教学效果及作用7(23 3)11(36 7)11(36 7)1(3 3)25(50 0)19(39 6)3(6 25)1(2 0)<0 01

Note：细胞生物学第三章,改革前1028101和1028201班,共32人,改革后1228101和1228201班,共35人；免疫学第一章和第二章，改革前1128101、1128201和1103301班，共48人,改革后1328101、1328201和1303301班，共50人；生物化学与分子生物学综合实验课程,改革前1128101和1128201班,共30人,改革后1228101、1228201和1203301班共48人。

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[收稿2016-08-25 修回2016-10-11]

(编辑 许四平)

10.3969/j.issn.1000-484X.2017.04.026

①本文为黑龙江省高等教育学会“十三五”高等教育科研课题(No.16G001)和黑龙江省教育科学“十二五”规划青年专项课题，编号：GZD1214026。

赫 杰(1971年-)，女，博士，副教授，硕士生导师，主要从事细胞分子生物学研究，E-mail：hejie@hit.edu.cn。

G642.0

A

1000-484X(2017)04-0603-06