进阶式引导教学在基因工程制药模块中的应用

刘娟娟，方泽民，袁 璟，肖亚中

(安徽大学 生命科学学院，合肥 230601)

生物技术制药课程是生物制药相关专业的必修和核心课程，由基因工程制药、动植物细胞工程制药、抗体工程制药和疫苗等知识模块组成[1-4]，主要介绍基因工程、动植物细胞工程、抗体工程和酶工程等原理及其技术在生物技术药物研制中的系统应用，兼具理论性、实践性和实用性，不仅知识点多、内容抽象，而且专业性强、技术发展更新迅速。

生物技术制药各教学模块间虽相互独立但紧密联系，系统学习本课程可帮助学生构建完整且系统的知识体系[5-6]。其中，基因工程制药是生物技术药物教学的基础和核心模块，相关原理和技术也是生物技术药物研发和生产的核心[7]，其由上游和下游两个基本流程构成。前者为基因工程菌(细胞)的构建，包括在体外将DNA片段与载体连接，形成重组DNA分子，并将其导入宿主菌或宿主细胞中复制、筛选、扩增；后者为基因工程菌(细胞)的大规模发酵、重组蛋白的表达和纯化、以及制剂研制等[1,8]。本文以基因工程制药为例，从课程的教学目标、教学内容设计与应用等环节对该课程进行课程分析和教学思考，供一线教师在教学中参考与借鉴，以共同改进生物技术制药课程的教学水平和效果。

1 课程培养目标

安徽大学作为非医学类院校，生物制药专业设置在生命科学学院，生物技术制药理论课程由二年级本科生学习。基于安徽大学“文理交融、理工互通、寓教于研”的人才培养理念，我们针对其中的基因工程制药模块设置的培养目标：经过本门课程的学习，要求学生熟练掌握基因工程制药的基本概念和原理，真核和原核基因工程菌株的构建、改造、筛选及鉴定等基本知识，以及基因工程制药的基本技能和实践能力；具备分析和解决基因工程药物生产和质量监测中常见问题的能力；学会追踪了解生物制药学科的前沿和发展方向。同时，在品质培养方面加强学生安全意识和规范标准素养，培养爱岗敬业、求真存实、实践创新和精益求精的品格。

2 进阶式引导教学的内容设计及应用

为达到以上教学目标，教学过程分为基础阶段、进阶阶段和升阶阶段三步(图1)。

图1 进阶式引导教学模式图Figure 1 Model chart of stepwise guiding teaching

2.1 基础阶段夯实理论

要实现我国基因工程制药的从跟跑，到并跑，最终实现领跑的目标，需要学生筑牢专业学术基础，并培养他们紧跟国际学术研究前沿的意识[9-10]。因此，我们在二年级基础阶段的理论课教学中构建了双语及案例教学课程内容体系。

(1)理论与实例结合，融入双语教学。前期，我们已经建立了成熟的基因工程原理课程的教学方法。以基因工程原理为基础，进一步引入代表性的重组蛋白药物生产实例，将原理、技术和应用进行有效整合，针对每一个研制和生产环节，详细讲解流程和技术，并阐述其基本理论，最终将这些单独环节集成为一个完整的体系(图2)。例如，以胰岛素制备为典型案例，将其制备过程分为表达载体和细胞构建、发酵制备、分离纯化、制剂制备及产品质量检验等环节，通过“逐步分解渗透”，让学生掌握完整的基因工程制药原理与过程。同时，为克服学生对专业英语的心理障碍，帮助学生了解国际进展，在课堂教学过程中，通过中英文对照开展双语教学，并结合生物技术词典，解释专业词汇，让学生逐步掌握相关术语的专业外语词汇。(2)引入期刊论文，开展课堂讨论。基因工程原理晦涩难懂，新技术层出不穷，加之本科生外语专业词汇积累不足，会导致部分学生具有畏难情绪。为帮助学生克服外文期刊阅读的抵触心理，每两次课引入一篇与教学内容密切相关的研究性期刊论文。通过文献的阅读，学生们需要简要解答如下问题：研究中涉及的科学问题是什么？针对此科学问题，如何设计实验进行解答或验证？研究结果是否回答了科学问题？研究的意义如何？例如，在讲述蛋白质药物的表达系统选择时，引入文献“Balancing the expression and production of a heterodimeric protein:recombinant agkisacutacin as a novel antithrombotic drug candidate”，配合讨论提纲提前发给学生。学生每两人一组，课堂讨论的主要问题有：为什么做，即文献实验目的是什么?怎么做，即作者如何完成上游构建，选择何种表达系统及何种分离纯化技术，如何测试目标蛋白的生物学活性?得到了什么，即文章的亮点是什么?等等。课后需要形成读书报告，作为平时作业交给老师批阅。课堂上老师选择优秀的读书报告与学生交流、分析，通过这些训练进一步扩增学生的专业词汇量，让学生触类旁通，掌握从期刊文献中精准快速提取有用信息以及追踪和综合评价相关工作的能力，夯实理论基础。

图2 以胰岛素为案例的基因工程制药主要流程图Figure 2 Main flow chart of genetic engineering pharmaceutics using insulin as an example

2.2 进阶阶段配套生产设计课程，实现原理与应用的无缝衔接，培养学生制药工艺创新能力

在课堂教学环节，我们注重教授学生基本原理，引导学生克服外语阅读心理障碍，正确阅读理解文献，追踪国际前沿进展。但是在基因工程制药实际的工作中，研发人员要学会及时将文献中的有用信息与现有的技术方法有效融合，攻克现有研发过程中的技术障碍，并设计出符合不同指标的工艺流程，满足不断发展的药物研发需求。因此，在理论教学基础上，我们给三年级生物制药学生开设9学时的基因工程药物生产设计配套课程，根据学生能力进行合适组队，学生每3～4人一组，通过给学生设定若干课题，如利用大肠杆菌重组表达细菌酪氨酸酶，促红细胞生成素编码基因在昆虫细胞中的表达等，让学生通过文献的检索，收集并总结相关信息，主要包括课题的研究进展、研究内容、研究方法和手段、参考文献等。在这一过程中，学生通过合作查阅资料，弄清原理，合作交流制定方案后提交作业。学生在递交报告后，需要通过PPT形式在课堂上口头报告交流。汇报的内容即是现有工艺流程、前沿研究进展、如何引进和融合新型生产方法和技术、研究中的注意事项等。在报告的过程中，其他学生通过提问参与讨论。汇报的同学课后需要根据老师和同学的意见修改自己的报告，最终递交老师，作为课程学习成绩的一部分。如果在课堂教学环节学生不能完成相关内容的修改，课下老师会组织学生开展小规模讨论，完成个别指导。在这一环节中，学生带着目标和问题学习，不但充分调动了学习的主动性与积极性，而且给予他们自由发挥、集思广益、开阔视野的空间，达到了良好的教学效果。这些信息和习惯虽然短期内可能不被全部同学充分利用，但可以实现“关口前移”，尽早培养学生的科研思路和创新精神，激发大家独立思考、严谨求实、互帮互助、精益求精的优秀品质。同时，不同学生在完成课题设计过程中，关注的知识点差异性大，在口头报告环节，针对汇报人的提问非常自信，态度也非常积极，经过热烈的讨论和辩论，大家都受益良多。

2.3 升阶阶段建立基因工程制药创新实验室，培养学生创新能力

为了让学生更好地理解基因工程在制药行业的应用，教学团队在开设基因工程药物生产设计课程基础上，进一步设计了36学时的基因工程制药综合实验课[11-13]，授课的内容主要包括目的基因的获取和纯化(小量提取、PCR足量扩增、DNA片段纯化回收)、基因工程菌的制备(DNA片段和载体的酶切和连接、细菌转化、重组质粒的筛选和鉴定)、重组蛋白的表达和纯化(表达条件的优化、重组蛋白的纯化和鉴定、重组蛋白的活性检测)、蛋白药物制剂的研制等，从而让学生熟悉一套系统完整的基因工程制药实验体系。与常规教学配套实验中每个实验项目相对独立不同，我们设计的每个实验过程均是建立在前一个实验成功的基础之上。例如：如果学生基因组DNA提取失败，学生即无法开展后续PCR扩增实验，或者PCR未见目标大小条带，他们就需要尽快分析原因，重新操作；如果重组表达载体构建或转化失败，大肠杆菌转化后未见菌落，学生需要合理安排时间，尽快分析原因后重新实验，以获得正确的重组转化子，进而开展下一项实验科目。

在实验项目开展过程中，对设备占用少的项目，我们基本做到每位同学独立实验；而对实验耗时长，对设备依赖程度高的项目，我们会将学生适当分组，合作开展实验。在目的基因的小量获取和PCR足量扩增、基因工程菌的制备、DNA片段和载体的酶切和连接、细菌转化等环节，我们确保每位同学都能够操作实验；而对大肠杆菌感受态细胞制备等实验，因实验过程中需要不定期测定细胞密度，对分光光度计的依赖程度较高，我们将5位同学分成一组，共享一台设备，在不同的时间点由不同学生取样检测细胞密度，完成感受态细胞的制备过程；对重组蛋白的活性检测实验，针对选择的重组蛋白可被多种底物检测的特性，学生会被分成若干组，每组学生选择同一种底物，视为平行实验，在最优条件下包括缓冲液种类、浓度和pH等进行检测。这一设计也可以让同学们之间彼此交流，互相协作借鉴，同时节约实验成本。在实验课过程中，实验室对学生完全开放，学生自主安排时间。对有兴趣进一步提升创新能力的学生，可提供实验场所进行着重培养。通过对上述实验内容的改进和优化，让学生能够系统、全面掌握基因工程药物的研制过程。

2.4 进阶式引导教学的效果评价

为了追踪教学效果，基于各阶段的教学目标，我们在每个阶段均设置了相应的评价体系(表1)。对基础阶段的教学实施过程性评价，每章内容设置一次随堂中英文测试题，测试内容不仅包括讲授的基本原理和技术，也包括文献中的重点内容，测试时间控制在20 min。另外，学期末设置一次课程总评，全面评价学生对所有内容和知识点的掌握和灵活运用情况。通过过程性评价，学生对基因工程制药各章节的知识点掌握均较好，最低分70～80分，最高分100分，平均分均在90分以上。期末总评显示，所有同学成绩均为合格以上，达到基础阶段的目标要求，其中40%以上为优秀水平，不仅能全面了解基因工程药物的发展历程和前沿进展，还能熟练掌握基因工程药物研发和生产中的基本单元操作、药物的质量控制和质量管理等基本原理和理论知识；56%为良好水平，能较好掌握相关原理和理论；4%同学为合格水平。

表1 基因工程制药进阶式引导教学各阶段评分标准Table 1 Scoring standards for each stage of stepwise guiding teaching in genetic engineeringpharmaceutics

进阶阶段主要对生产设计的完整性和可行性开展评价，具体包括背景综述、方法的系统性和可行性、课题的预期结果及出现问题的解决方案，以及对撰写材料的规范性，包括表述的规范性和写作格式的规范性等。通过调研，100%的同学对选题的现有蛋白质药物的生产流程和最新进展均能较好掌握；73%以上的同学能够根据基因工程药物的工艺特点，在现有生产流程的基础上融合入最新的技术，具备很好的药物设计和制备能力，以及分析和解决药物研发和生产中常见问题的能力，而且出具的生产设计报告科学完整，撰写规范，达到优秀水平；剩余27%的同学则均为良好水平。因此，进阶阶段的学习进一步巩固了理论基础，实现了理论与生产的衔接，提升了制药工艺的创新能力。

升阶阶段的教学则主要施行实践能力和结果评价，具体从实验流程和仪器操作的熟练程度、实验设计的合理性、实验结果的准确性和分析能力、实验报告的撰写规范性、绘图的准确和精确性，以及实验室纪律的遵守程度等方面进行。重组蛋白的表达和纯化实验，若学生能熟练掌握重组表达菌的起始诱导OD600值的测定、加样准确、熟练使用菌体破碎和蛋白纯化设备，实验结果显示蛋白被表达、纯化后变性胶电泳显示蛋白条带单一，实验报告中对实验原理、流程、结果和分析记录详实，则评价为优秀；若基本掌握实验流程和仪器操作，得到基本正确的实验结果，实验报告记录详实，则评价为良好；若基本掌握实验方法，得到部分正确的实验结果，实验报告记录详实，则评价为合格。经过此阶段的学习，约45%同学熟练掌握了基因工程制药所涉及的各个环节的实验流程和仪器操作，实验结果完全正确，达到优秀水平；50%同学达到良好水平；5%同学为合格水平。所有同学的制药实践能力均得到较好锻炼。

依托学校的调查问卷平台，从近3年的探索和实践来看，本进阶式引导教学在各阶段的教学资源丰富，有效地克服了学生的专业外语阅读障碍，有利于学生学习，课程也能较好的激发学生的学习兴趣，课堂气氛活跃，教学效果较好。然而，初次实施时部分同学反映教学安排上难度偏大，因此，我们不断调整教学内容，尽量做到重难点更突出。经过改进后，学生的互动性明显提高，能汲取更多的知识，学习效果也显著提升(表2)。但因为本课程涉及的理论和技术难度都偏大，趣味性不足，后期需要进一步使教学内容更生动，稳步提高学生的学习兴趣和自主性。另外，从近两年生物制药专业学生获批的大学生创新创业项目来看，经过本进阶式课程的学习，学生的创新能力也得到稳步提升。例如，2020年学院共获得13项国家级和25项省级项目，学习过本课程的学生的参与度为64%，分别各有4项主持项目与本课程相关；2021年学院共获得15项国家级和30项省级项目，学习过本课程的学生的参与度为77.5%，分别有4项和9项主持项目与本课程相关。

表2 2019—2021年度基因工程制药进阶式引导教学效果调查统计表Table 2 Statistical investigation of the effect of stepwise guiding teaching in genetic engineering pharmaceutics in 2019-2021

3 结语

顺应时代需要，培养具备生物技术制药创新能力的高素质专业人才是高校生物制药专业教学的重点[11]。本教学团队从基因工程的基本理论和技术出发，不断改革教学模式，适时结合药物研发的各个流程环节，不断引入先进的理论和方法，集理论性与应用性为一体，通过进阶式引导教学，从夯实理论的基础阶段到理论联系生产设计的进阶阶段、再到实践创新的升阶阶段，让学生在积极、互动的氛围中逐步掌握基因工程药物的研发和生产，并提高学生的创新能力和对外交流技能。然而，基因工程制药课程模块的进阶式引导教学是一个系统工程，但因实践时间限制，我们还处于不断地摸索总结当中，虽然取得了较好的教学效果，但基因工程制药的发展和应用均异常迅速，比如CRISPR/Cas9技术的应用等。我们将通过不断更新和整合，进一步提高教学质量，培育出顺应时代发展新需求的医药人才。