利用科研優(yōu)勢(shì)促進(jìn)細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——抗病毒化合物篩選實(shí)驗(yàn)

雷曹琦, 龍 燕, 李小燕, 鄭 凌, 謝志雄

(武漢大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430072)

利用科研優(yōu)勢(shì)促進(jìn)細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——抗病毒化合物篩選實(shí)驗(yàn)

雷曹琦, 龍 燕, 李小燕, 鄭 凌, 謝志雄

(武漢大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430072)

闡述了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容緊扣科學(xué)研究前沿的重要意義,引入抗病毒化合物篩選實(shí)驗(yàn),從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到結(jié)果分析等全方位鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新性和自主性,提高細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

抗病毒信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)； 學(xué)科前沿； 自主性

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究迅猛發(fā)展,知識(shí)和信息快速增長(zhǎng),不斷地改變著人們對(duì)生命的認(rèn)識(shí)與理解。原有知識(shí)被快速修正和更新,不僅僅給我們的教學(xué)工作輸入了源源不斷的新鮮知識(shí)血液,也對(duì)我們的教學(xué)內(nèi)容和方式形成了鞭策,督促我們積極更新教學(xué)內(nèi)容,從而將最新最前沿的科學(xué)研究工作介紹給學(xué)生[1-4]。我們?cè)诮虒W(xué)中對(duì)細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了探索性改革,引入“抗病毒化合物篩選實(shí)驗(yàn)”,培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力,提高學(xué)生的教學(xué)參與度,取得了良好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)改革思想

1.1 科研優(yōu)勢(shì)學(xué)科與一流教學(xué)平臺(tái)的結(jié)合

抗病毒天然免疫研究是生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域,也是各國(guó)科學(xué)研究重點(diǎn)投入的領(lǐng)域。我校生命科學(xué)學(xué)院擁有一批杰出的科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì),在抗病毒天然免疫研究領(lǐng)域已經(jīng)形成了自己的特色和優(yōu)勢(shì)[5]。在舒紅兵院士的帶領(lǐng)下,在抗病毒天然免疫研究領(lǐng)域取得了一系列原創(chuàng)性成果,在國(guó)際上產(chǎn)生了重大影響。

我校在細(xì)胞抗病毒天然免疫研究方面擁有優(yōu)秀的師資力量,為教學(xué)工作提供了高水平的教師資源儲(chǔ)備。我校生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是我國(guó)首批建設(shè)的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,擁有一流的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍,在多年的教學(xué)過(guò)程中,形成了自己的教學(xué)特色和優(yōu)勢(shì),而且生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心一直鼓勵(lì)教師將學(xué)科研究前沿問(wèn)題引入到教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中,將教學(xué)改革理念貫穿到每個(gè)教師的教學(xué)過(guò)程中,并形成了“試點(diǎn)—完善—成熟并推廣”的教學(xué)改革思路。因此,在本次實(shí)驗(yàn)改革中,我們不僅擁有一流的、長(zhǎng)期從事抗病毒天然免疫研究工作的教師隊(duì)伍,也擁有科學(xué)管理、設(shè)備一流的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),為本次教學(xué)改革工作提供了堅(jiān)實(shí)的保障[6-7]。

1.2 學(xué)生科研興趣與研究?jī)?nèi)容的結(jié)合

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常見(jiàn)的問(wèn)題是學(xué)生對(duì)自己所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值有所懷疑,因此學(xué)習(xí)興趣不高,處于被動(dòng)應(yīng)付狀態(tài)。

細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容長(zhǎng)期以來(lái)缺乏細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞應(yīng)急方面的教學(xué)內(nèi)容,而該方面的研究工作已經(jīng)成為生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。為此,我們?cè)诒敬渭?xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)改革中充分考慮了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和自主性,以及教學(xué)內(nèi)容與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相結(jié)合,特別選擇我?；瘜W(xué)與分子學(xué)院三年級(jí)學(xué)生為實(shí)驗(yàn)改革的對(duì)象,從事抗病毒化合物篩選實(shí)驗(yàn),在學(xué)科交叉教學(xué)研究方面做出大膽嘗試。

我們以講座形式詳細(xì)介紹了抗病毒天然免疫研究工作以及最新研究進(jìn)展,讓參加本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的學(xué)生充分了解該研究的重要性和學(xué)科前沿,接著,提出篩選調(diào)控細(xì)胞抗病毒免疫反應(yīng)化合物和藥物的重要性。由于授課對(duì)象是化學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生,在平時(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中接觸多種小分子化合物,但對(duì)這些小分子化合物的用途不甚了解。現(xiàn)在得知他們?cè)?jīng)合成的一些看似沒(méi)用的化合物可能在抗病毒藥物開(kāi)發(fā)過(guò)程中有很好的研究和開(kāi)發(fā)潛力時(shí),都表現(xiàn)出極高的興趣。同時(shí),部分學(xué)生對(duì)市場(chǎng)上的已有抗病毒藥物的功效提出質(zhì)疑,希望通過(guò)自己的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這些藥物的作用。整體來(lái)說(shuō),由于本次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象(各種小分子化合物或者藥物)貼近生活,研究?jī)?nèi)容(抗病毒天然免疫反應(yīng))緊扣學(xué)科研究前沿,加之實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有相對(duì)自主性,因此學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情高漲。

2 教學(xué)目標(biāo)

(1) 培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力。讓授課學(xué)生自主選擇研究材料,在教師提供的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,研究他們所關(guān)心的化合物或者藥品對(duì)抗病毒天然免疫反應(yīng)的影響,極大地鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究科學(xué)問(wèn)題的能力,并滿(mǎn)足他們對(duì)前沿科學(xué)的好奇心和求知欲。

(2) 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在完成本次實(shí)驗(yàn)之后,授課學(xué)生會(huì)對(duì)不同化合物在抗病毒天然免疫反應(yīng)過(guò)程中的效用有初步了解,此時(shí)引導(dǎo)他們進(jìn)一步思考和探究這些化合物開(kāi)發(fā)成為抗病毒藥物的可能性,鼓勵(lì)他們進(jìn)行深入探索。

(3) 利用科研優(yōu)勢(shì)學(xué)科帶動(dòng)學(xué)生研究興趣和積極性。細(xì)胞抗病毒天然免疫研究是生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域迅猛發(fā)展的學(xué)科,需要更多優(yōu)秀人才的加入和壯大。通過(guò)引進(jìn)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生對(duì)該研究領(lǐng)域的興趣與熱情,以期引導(dǎo)優(yōu)秀的學(xué)生將來(lái)從事該領(lǐng)域研究,為天然免疫研究工作注入新鮮血液。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

病毒感染宿主細(xì)胞之后,會(huì)被細(xì)胞內(nèi)的模式識(shí)別受體識(shí)別,從而招募下游接頭蛋白并通過(guò)復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程誘導(dǎo)宿主細(xì)胞表達(dá)干擾素。干擾素不能直接殺傷病毒,但會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)下游抗病毒蛋白表達(dá),一方面抑制病毒的復(fù)制,另一方面誘導(dǎo)被感染細(xì)胞的凋亡[8-10]。在本次實(shí)驗(yàn)中,我們利用綠色熒光蛋白標(biāo)記的VSV病毒(GFP-VSV)感染細(xì)胞[11-12],然后加入不同的小分子化合物或者藥品,通過(guò)檢測(cè)綠色熒光表達(dá)來(lái)研究不同小分子化合物或者藥品對(duì)病毒復(fù)制的影響,并利用DAPI染色觀察不同小分子化合物或者藥品對(duì)病毒誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡過(guò)程的影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

HEK 293 細(xì)胞,12孔細(xì)胞培養(yǎng)板,1.5 cm細(xì)胞爬片,DMEM培養(yǎng)基,PBS,青霉素和鏈霉素,VSV-GFP病毒,DAPI染料,熒光顯微鏡,載玻片,小分子化合物或者藥物(由學(xué)生決定材料,實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心幫助解決)。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 準(zhǔn)備細(xì)胞(HEK 293),每個(gè)小組4位學(xué)生,準(zhǔn)備一個(gè)12孔板細(xì)胞(提前種細(xì)胞爬片),提前一天由教師準(zhǔn)備；

(2) 抗病毒天然免疫研究前沿介紹(理論講授在普通實(shí)驗(yàn)室完成)；

(3) 去細(xì)胞無(wú)菌操作室將VSV-GFP病毒以及各自準(zhǔn)備的化合物按照各組設(shè)計(jì)的方案加入細(xì)胞中；

(4) 將細(xì)胞培養(yǎng)板交于教師,放置于細(xì)胞培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h；

(5) 將細(xì)胞培養(yǎng)板帶到顯微鏡室,在倒置熒光顯微鏡下觀察VSV-GFP病毒復(fù)制情況,包括明視野和綠色熒光觀察；

(6) 將細(xì)胞培養(yǎng)板帶回普通實(shí)驗(yàn)室,檢測(cè)細(xì)胞凋亡情況；

(7) 快速吸掉培養(yǎng)基,加入1 ml 4%甲醛(用PBS配置而成),室溫孵育10 min;

(8) PBS 洗3次,1 min/次；

(9) 50% DAPI溶液+ 50% 抗熒光淬滅封片劑(25 ml)滴于潔凈載玻片,將細(xì)胞爬片反扣到載玻片上；

(10) 熒光顯微鏡觀察細(xì)胞核形態(tài)變化,分析凋亡情況。

3.4 結(jié)果與分析

通過(guò)綠色熒光強(qiáng)度分析不同化合物對(duì)細(xì)胞抗病毒的影響,并通過(guò)DAPI染色分析細(xì)胞凋亡狀況。本實(shí)驗(yàn)中,絕大多數(shù)授課學(xué)生獲得結(jié)果,并有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。例如,有的實(shí)驗(yàn)小組發(fā)現(xiàn)硫酸軟骨素能夠顯著抑制VSV-GFP病毒的復(fù)制,并且抑制病毒誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡(如圖1所示)；有的實(shí)驗(yàn)小組發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有抗病毒藥品利巴韋林能顯著增強(qiáng)細(xì)胞的抗病毒免疫反應(yīng)過(guò)程,而阿司匹林則沒(méi)有這種作用(如圖2所示)。也有學(xué)生發(fā)現(xiàn)他們所使用的化合物對(duì)病毒復(fù)制沒(méi)有影響,但是卻能夠誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡過(guò)程。學(xué)生表示在這次實(shí)驗(yàn)中自己動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決自己關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題是極具成就感的事,感到科學(xué)研究原來(lái)也是那么“接地氣”。

圖1 硫酸軟骨素對(duì)細(xì)胞抗病毒反應(yīng)的影響

圖2 利巴韋林和阿司匹林對(duì)細(xì)胞抗病毒反應(yīng)的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

本次教學(xué)改革旨在鍛煉學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力,同時(shí)利用科研優(yōu)勢(shì)學(xué)科推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué),提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。將原本教師選擇、準(zhǔn)備研究材料改為學(xué)生自主選擇自己關(guān)心的或者具有濃厚興趣的實(shí)驗(yàn)材料,并且在實(shí)驗(yàn)框架下自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,這樣不僅能夠提高學(xué)生研究興趣、增強(qiáng)學(xué)生的教學(xué)參與度,還能夠解決學(xué)生所關(guān)心的問(wèn)題,另外實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不可預(yù)測(cè)性也增加了學(xué)生的探索熱情。

實(shí)驗(yàn)中授課學(xué)生發(fā)現(xiàn)了部分能夠調(diào)控細(xì)胞抗病毒免疫反應(yīng)的化合物,其中有些化合物的功能未發(fā)現(xiàn)有研究成果報(bào)道。因此,我們將進(jìn)一步鼓勵(lì)學(xué)生在業(yè)余科研項(xiàng)目中對(duì)這些化合物調(diào)控細(xì)胞抗病毒天然免疫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行深入研究,實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與大學(xué)生創(chuàng)新科研訓(xùn)練培養(yǎng)一體化的模式。如果這些化合物在小鼠模型上的確具有抵抗病毒感染的功能,就能夠申請(qǐng)專(zhuān)利并且發(fā)表論文,這對(duì)初次接觸科學(xué)研究工作的本科生來(lái)說(shuō)應(yīng)該是個(gè)很好的激勵(lì)和開(kāi)端。

結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的整體設(shè)計(jì)與目前完成情況,本次的嘗試具有以下3個(gè)優(yōu)勢(shì)與創(chuàng)新點(diǎn):

(1) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作緊扣科學(xué)研究前沿。通過(guò)前沿科學(xué)研究促進(jìn)本科教學(xué)是目前大學(xué)教育的一個(gè)重要目標(biāo),我們將當(dāng)前生命科學(xué)研究前沿領(lǐng)域——抗病毒天然免疫反應(yīng)引入本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué),讓學(xué)生能夠盡早接觸科研前沿,增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。

(2) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容貼近學(xué)生學(xué)習(xí)生活。本次嘗試改變了授課教師提供實(shí)驗(yàn)材料的方式,讓學(xué)生自主選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)材料。這使得實(shí)驗(yàn)課程在立足科學(xué)研究前沿的同時(shí),又能貼近學(xué)生的生活和興趣,讓實(shí)驗(yàn)課 “接地氣”,從而促使學(xué)生開(kāi)拓思維、積極參與。

(3) 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改變了以往教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、學(xué)生被動(dòng)操作的模式,采用了提供實(shí)驗(yàn)條件、讓學(xué)生自行確定實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的研究目的的方式。通過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的鍛煉,極大地提高了學(xué)生獨(dú)立自主解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

References)

[1] 呂琳,鄧明,陳玲玲. 工科院校實(shí)習(xí)、科研、就業(yè)基地一體化機(jī)制探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(1):140-141.

[2] 高思.提高高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量的重大舉措[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2007(2):5-10.

[3] 孟慶繁,周慧,逯家輝.生命科學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2006,25(12):1547-1549.

[4] 陽(yáng)國(guó)亮,曾冬梅.構(gòu)建創(chuàng)新教育體系 全面提高大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008,27(12):4-6.

[5] 鐘波,舒紅兵.天然免疫模式識(shí)別受體與樹(shù)突狀細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)和意義[J].生命科學(xué),2011(23):1147-1161.

[6] 李小燕,劉江東,鄭凌,等.深化細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(4):114-119.

[7] 黃詩(shī)箋,謝志雄.生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006,23(12):1-4.

[8] Akira S, Uematsu S, Takeuchi O. Pathogen recognition and innate immunity[J]. Cell, 2006,124：783-801.

[9] Randall R E, Goodbourn S. Interferons and viruses: an interplay between induction, signalling, antiviral responses and virus countermeasures[J].J Gen Virol, 2008,89：1-47.

[10] Hiscott J. Convergence of the NF-kappaB and IRF pathways in the regulation of the innate antiviral response[J].Cytokine Growth Factor Rev, 2007,18：483-490.

[11] Lei C Q, Zhang Y, Xia T, et al. FoxO1 negatively regulates cellular antiviral response by promoting degradation of IRF3[J].J Biol Chem, 2013, 288:96-12604.

[12] Lei C Q, Zhang Y, Li M, et al. ECSIT Bridges RIG-I-Like Receptors to VISA in Signaling Events of Innate Antiviral Responses[J].J Innate Immunity, 2015,7:153-164.

Promoting experimental teaching of Cell Biology by scientific research:Identifying chemical components involved in regulation of cellular antiviral response

Lei Caoqi, Long Yan, Li Xiaoyan, Zheng Ling, Xie Zhixiong

(College of Life Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

This paper clarifies the importance of scientific research on teaching. To improve students’ innovation abilities to solve scientific problems independently, the experience of cellular antiviral response in the teaching process is introduced. This reform greatly improves the effect of experimental teaching.

cellular antiviral signal transduction; academic forward position; independence

2015- 05- 13 修改日期：2015- 06- 19

國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(J 1103513)；湖北省教育廳武漢大學(xué)教學(xué)改革資助項(xiàng)目(JG 2014033)；武漢大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開(kāi)放實(shí)驗(yàn)資助項(xiàng)目

雷曹琦(1985—),男,甘肅岷縣，生物學(xué)博士,講師,從事抗病毒天然免疫研究.

E-mail：caoqilei@whu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2015)12- 0209- 03