生物制药虚拟仿真实验教学平台的建设与应用

何书英, 刘 煜, 郑 珩, 汪 辉, 王 颖, 高向东

(中国药科大学 生命科学与技术学院, 江苏 南京 210009)

生物制药虚拟仿真实验教学平台的建设与应用

何书英, 刘 煜, 郑 珩, 汪 辉, 王 颖, 高向东

(中国药科大学 生命科学与技术学院, 江苏 南京 210009)

依托中国药科大学国家级生物制药实验教学示范中心的建设,遵循虚实结合的实验教学原则构建了生物制药虚拟仿真实验教学平台。该平台由微生物虚拟教学模块、生物技术虚拟教学模块和生物工程虚拟教学模块组成,通过数码互动、动画及视频等形式,能够非常形象、生动、直观地将实验技能传授给学生,有效地解决实验操作不规范、互动较少以及课堂教学内容有限等问题,明显提高了实验教学的效果和质量。

生物制药； 多媒体教学； 虚拟仿真实验; 实践教学

进入21世纪后,生物医药产业快速发展,需要大量专业技术人才。目前,我国生物制药行业的上游基础研究已接近国际水平,而下游生物医药的分离纯化技术及产业化水平则较为落后[1-2]。为培养生物制药专业技术人才,相关高校大多采用与企业合作的办法,将学生送到企业进行实训,培养学生的工程实践能力。但企业囿于国家对药品生产的严格监管,对学生的实训有较多限制。为此,中国药科大学开发了生物制药虚拟仿真实验教学平台,弥补了生物制药专业工程化不足的缺憾,能更好地培养既有创新能力,又有工程实践能力的生物制药专业人才。

1 制约生物制药实验教学的主要原因

生物制药工程是实践性较强的学科,实验教学在生物制药人才培养中显得尤为重要。但是,因为场地、技术和经费等条件限制,使某些实验无法在实验室中进行,在一定程度上影响到创新型人才的培养。

(1) 实验成本的限制。有些生物制药实验所用的试剂价格昂贵；有些生物试剂(如酶、试剂盒等)稳定性较差,使用时稍不注意就容易失活或被污染,致使实验失败；有的实验还需要用到昂贵的精密仪器。虽然很多高校都购置有精密仪器用于实验教学,也能够开设相关实验,但因为受成本控制,无法购置更多数量的仪器设备和高价的试剂,使学生进行实验、实践的机会受到限制。

(2) 实验条件的制约。生物制药行业的高投入和高风险也体现在厂房的建造和仪器设备的配置等硬件投入上,这既是药物生产质量管理规范的要求,也是生物安全性的需要。某些生产过程有较高的生产洁净度要求和安全性限制,不允许众多学生在生产现场参观学习,而一般教学实验室也不具备相应的硬件和场地条件,使生物制药实验实习教学陷入纸上谈兵和缺少实践操作的困境。

2 建设内容和应用案例

2.1 生物制药虚拟仿真实验教学平台的基本构成

虚拟仿真实验教学是实验教学改革创新的具体体现,是国家级生物制药实验教学示范中心建设的重要内容[3],也是传统实验教学的有益补充。学生可以通过模拟实验操作掌握实验原理和方法,弥补实验工程化不足的缺憾。因此,迫切需要开设生物制药虚拟仿真实验[4-6],以满足培养生物制药领域专业技术人才的需求。

现代生物制药技术涉及微生物学、化学、生物化学、药学、分子生物学等学科和专业[7-9]。自20世纪70年代以来,以基因工程为代表的生物工程技术发展迅速,促进了现代生物药物技术的发展,基因工程药物、抗体药物的生产已成为制药工业中发展最快、活力最强和技术含量最高的领域。

基因工程药物制造技术分为上游技术和下游技术。上游技术主要包括基因扩增——电泳—质粒提取—酶切—目的基因与质粒连接—鉴定阳性克隆等；下游技术主要包括发酵培养—诱导表达—低温离心—菌体破碎—分离纯化技术—活性测定等。基因工程药物生产所涉及的实验技术一般包括微生物的培养、生物技术和生物工程,因此,中国药科大学开发的生物制药虚拟仿真实验教学平台就涉及这3方面技术,由微生物虚拟教学模块、生物技术虚拟教学模块、生物工程虚拟教学模块组成。各模块以典型的生物药物产品作为主线,围绕其研发、生产和质量控制过程,设计模块化、阶段性的虚拟仿真实验项目,形成生物制药相关技术交汇融合的虚拟仿真实验环境。

2.2 微生物虚拟教学模块

微生物虚拟教学模块有3个数码显微互动教室和108个仿真实验终端(显微镜+电脑+软件+网络)。每个数码显微互动教室连接36台显微镜,显微镜图像传输到教师端的计算机上显示。教师端显示器可显示全部学生端的实时画面,也可对36台显微镜中任意一台的图像放大显示。教师计算机为每位学生分配了独立的存储空间,学生发出请求、教师许可后,可自动将图像存储在计算机中。学生可以通过学生系统对微观或宏观的图像进行观察操作,也可通过提问系统与教师交流讨论、请求教师帮助[10-11]。通过该平台的分发共享功能,教师可以将讲义、课件、多媒体素材、作业、试题分发给学生,学生也可以利用该平台进行仿真练习和模拟考试。

真实实验与虚拟仿真实验相结合,可以节约成本和人力、物力,整合动画、图像、习题等多种教学资源，增加信息量。将虚拟仿真实验与网络技术相结合,还实现了资源共享和无时空限制访问,有助于培养学生的自主学习能力及创新意识。该平台为学生提供了一个良好的自学及预习平台,也使教师更有效地掌控实验教学进程。

2.3 生物技术虚拟教学模块

自20世纪70年代以来,生物制药异军突起,已成为制药工业中发展最快、活力最强和技术含量最高的领域[12]。生物制药虚拟仿真实验平台的生物技术虚拟教学模块,使试剂价格昂贵、缺少精密仪器的生物制药实验问题得到解决。

以感受态细胞的制备与转化虚拟仿真实验(见图1)为例。感受态细胞是指利用理化方法诱导细胞,使其处于最适摄取和容纳外来DNA的生理状态。制备感受态细胞是基因工程操作中非常重要的一步,直接影响外源DNA的转化。该实验原理是:将快速生长的大肠杆菌置于经低温(0 ℃)预处理的低渗氯化钙溶液中,使细胞膨胀后细胞膜通透性发生变化,此时将该体系转移到42 ℃下做短暂的热刺激,细胞膜的液晶结构会发生剧烈扰动,并随机出现了许多的间隙,外源DNA就有可能被细胞吸收。

通过该虚拟仿真实验,学生可以重点了解影响实验的一些关键点。例如实验中要求在42 ℃下进行90 s热刺激,如控制不好,则细胞的转化率很低。经过教学效果评估比较,开设虚拟仿真实验后,学生对该知识点的掌握明显好于单纯的课堂理论教学。

图1 感受态细胞制备及转化虚拟仿真实验

2.4 生物工程虚拟教学模块

生物制药是一门与制药生产密切联系的课程,该课程的实验涉及药物生产工厂和大型的生产设备。由于制药车间的洁净度有很高要求,组织众多学生进入生物制药车间实习有很大难度；而生物制药工艺过程是生物工程、生物制药等专业学生必须掌握的基本知识,也是学生今后从事生物药物研发、生产必备的技能。这是一个很大的矛盾。依托国家级生物制药实验教学示范中心和生物制药的主干课程生物制药工艺学国家精品课程、国家级资源共享课程建立的生物工程虚拟教学模块,将一些分离纯化技术的仪器使用视频及一些典型生物药物制备过程纳入该虚拟模块[13]。

中心将生物工程实验中涉及到的关键实验操作技术录制成系列短片,替代课上教师的动作示范,主要包括盐析技术、离心技术、层析技术、电泳技术、冻干机使用、发酵罐及冷冻超速离心机的使用等实验技术。教师可以在视频播放过程中随时暂停,关键动作可重复播放,加深学生对操作流程细节的记忆和理解,学生在进行实验操作时也比较规范。

一些典型的生物药物制备过程也被拍摄成视频材料。例如胰弹性蛋白酶的制备视频材料、重组门冬酰胺酶的制备实验视频材料以及大生产视频材料等,这些视频材料可以用于学生的预习和无实验条件的学校使用。

例如重组门冬酰胺酶制备虚拟仿真实验(见图2)。该课程教学团队赴企业实地拍摄了重组门冬酰胺酶生产过程录像,包括基因工程菌种子培养、工程菌发酵、产物的分离纯化、纯品的制剂及灌封等过程,随后开设了该药物制备工艺仿真实验。通过虚拟仿真实验,学生可以掌握完整的基因工程药物生产流程,熟悉生产工艺设备,加深对课堂所学知识的理解,为日后能灵活运用所学知识奠定了基础。

图2 重组门冬酰胺酶制备虚拟仿真实验

3 结语

虚拟仿真实验教学是教育信息化的重要手段,是国家级生物制药实验教学示范中心的重要建设内容。对于综合性及工程性的实验项目,生物制药虚拟仿真实验教学平台的实验内容有明显的优势,因而在生物制药实验教学中存在很大的发展空间。利用生物制药虚拟仿真实验教学平台,可有效地突破传统教学时间及空间的限制,增加学生的知识量并延伸课时[14]。另外利用现代多媒体及虚拟技术手段,通过丰富的图像及声音材料,能生动、直观地展现实验原理和实验流程[15]。实践证明,充分发挥现代信息技术在实验教学中的优势,能够增强学生感性认识、提高实验效率和节约实验经费、培养学生动手能力,明显提高实验教学的效果。生物制药虚拟仿真实验教学平台可从本校校园网共享延伸至药学兄弟院校,为兄弟院校的教师和学生提供免费的生物制药虚拟实验教学资源,使更多的学生和教师可以使用本中心的资源,全面实现资源开放及共享[16]。

References)

[1] 夏焕章,倪现朴.生物制药人才培养现状及培养对策探析[J].高校生物学教学研究(电子版),2014,4(1):34-37.

[2] 许美婷,杨悦.浅析全球生物制药产业发展新态势[J].中国新药杂志,2013,22(18):2116-2120.

[3] 张智焕,张惠娣.机械工程控制的虚拟仿真实验教学实践[J].实验技术与管理,2014,31(7):102-103.

[4] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.

[5] 罗昊,张晓东.虚拟仿真实验教学中心开放共享模式的探索[J].实验技术与管理,2016，33(10):232-236.

[6] 洪霞,李云,韦须祥.加强实验教学示范中心建设打造创新能力培养平台[J].实验室研究与探索,2009,28(12):98-100.

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[8] 邹先琼,廖锦锋,刘永明.医药院校生物技术专业人才培养模式的构建与实践[J].教育教学论坛,2015(12):132-133.

[9] 滕一万,余齐耀,偰蜀江,等.国内外生物医药产业发展分析及启示[J].药物生物技术,2015,22(2):181-184.

[10] 曹礼,邓锋,宋锦璘,等.虚拟仿真教学平台提高医学实践操作学习效率的方法改革与应用探索[J].教育教学论坛,2013(39):43-44.

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[12] 毛开云,杨露,王恒哲,等.生物技术药物市场现状与发展趋势[J].中国生物工程杂志,2015,35(1):111-119.

[13] 高向东,郑珩,何书英,等.生物制药工艺学精品课程的建设研究与实践[J].中国高等医学教育,2011(2):70-71.

[14] 郑鑫,张晓洁.虚拟实验师立体化教学资源平台建设[J].实验室研究与探索,2014,33(8):109-113.

[15] 何书英,郑珩,劳兴珍,等.生物制药工艺学实验教学模式的探索[J].中国科教创新导刊,2009(5):59.

[16] 郑珩,劳兴珍,何书英,等.生物制药工艺学课程教学改革与实践[J].教育教学论坛,2015,21(9):121-122.

Construction and application of virtual simulation experimental teaching platform for biologic pharmacy

He Shuying, Liu Yu, Zheng Heng, Wang Hui, Wang Ying, Gao Xiangdong

(School of Life Sciences and Technology, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, China)

By relying on the construction of the National Experimental Teaching Demonstration Center for Biologic Pharmacy in China Pharmaceutical University, and by adhering to the experimental teaching principle of virtual-real combination,a virtual simulation experimental platform for biologic pharmacy is constructed. This platform consists of a microbiologic virtual teaching module, a biotechnology virtual teaching module and a bioengineering virtual teaching module. Through the digital interaction, animation, video, etc., the experimental skills can be more visually, vividly and intuitively imparted to the students. This platform can effectively solve the problems such as the non-standard experimental operation, less interaction, limited classroom teaching content, etc., so that the effect and quality of experimental teaching are obviously improved.

biologic pharmacy; multimedia teaching; virtual simulation experiment; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.029

2017-02-08

国家级生物制药实验教学中心(教高函[2012]13号)

何书英(1966—),女,河北河间,博士,副教授,生物制药实验中心主任,主要研究方向为生物大分子的结构与功能.E-mail：heshuying92@126.com

G642；TP391.9

B

1002-4956(2017)08-0118-03