生物信息學(xué)對醫(yī)學(xué)生科研能力培養(yǎng)的作用

姜 淼，趙小梅，張 敏，王 佐，危當(dāng)恒，劉錄山，姜志勝△

(1南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院生物信息與醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)教研室，衡陽 421000； 2南華大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心； △通訊作者)

生物信息學(xué)主要是應(yīng)用信息學(xué)手段解決生物學(xué)問題。隨著新一代測序技術(shù)的突破與質(zhì)譜等儀器精度的提高，生物學(xué)和醫(yī)學(xué)相關(guān)研究的數(shù)據(jù)發(fā)展迅速。大數(shù)據(jù)時(shí)代引起了科學(xué)工作者研究方法的變革，科學(xué)工作者通過數(shù)據(jù)庫結(jié)合計(jì)算機(jī)分析軟件，對生物醫(yī)學(xué)信息從整體層面進(jìn)行理解，可以輔助對傳統(tǒng)零散實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)。生物信息學(xué)是一門理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的學(xué)科，需要學(xué)生同時(shí)掌握多學(xué)科背景，對于本科生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)非常重要。

當(dāng)前各大高校均非常重視生物信息學(xué)在醫(yī)學(xué)本科生科研思維培養(yǎng)中的應(yīng)用，筆者所在學(xué)校還專門成立了生物信息與醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)教研室，輔助卓越醫(yī)師班學(xué)生進(jìn)行科研能力的培養(yǎng)。由此筆者根據(jù)近年來通過生物信息學(xué)開展醫(yī)學(xué)生科研思維培養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)分析，探討生物信息學(xué)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)院校研究型人才培養(yǎng)的必要性與可行性。

1 生物信息學(xué)分析在醫(yī)學(xué)本科生科研能力培養(yǎng)中的必要性

1.1 更好利用碎片化的科研時(shí)間

在全面深化改革的大背景下，當(dāng)前生物醫(yī)藥領(lǐng)域迎來大發(fā)展，生物醫(yī)藥可能成為支撐我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略支柱性產(chǎn)業(yè)之一。為了跟上高新醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展的步伐，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域人才培養(yǎng)與儲(chǔ)備必須提前布局。這要求我們培養(yǎng)的醫(yī)學(xué)生不僅需要獲取扎實(shí)醫(yī)學(xué)專業(yè)知識(shí)與臨床經(jīng)驗(yàn)，還要擁有科研創(chuàng)新能力?？蒲袆?chuàng)新能力是醫(yī)學(xué)生的核心能力。從本科階段開始，教師即為學(xué)生樹立科研意識(shí)，培養(yǎng)科研創(chuàng)新思維，鼓勵(lì)其完成醫(yī)學(xué)研究課題。

高校鼓勵(lì)本科學(xué)生提前接觸科研，推出了大學(xué)生創(chuàng)新性研究項(xiàng)目以供本科生進(jìn)行科研實(shí)踐。然而醫(yī)學(xué)專業(yè)的本科生即使申請了該類項(xiàng)目，由于正常的專業(yè)課程安排極為緊湊，且專業(yè)知識(shí)對于臨床實(shí)踐意義非常重大，導(dǎo)致醫(yī)學(xué)類本科生實(shí)際可以用于參與科學(xué)研究的時(shí)間較少。此外，臨床醫(yī)學(xué)學(xué)生多數(shù)要參與醫(yī)院見習(xí)與實(shí)習(xí)，更多時(shí)間需要分配于臨床相關(guān)專業(yè)知識(shí)，用于科研的課余時(shí)間呈碎片化，不能夠較好地完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)，科研成效往往不佳[1]。加之學(xué)生實(shí)際開展實(shí)驗(yàn)的時(shí)間有限，不能體會(huì)科研的具體過程與樂趣，難以產(chǎn)生科研興趣，更難以長期堅(jiān)持。

基于大數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)分析隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)概念的提出不斷體現(xiàn)出其作為學(xué)科前沿的魅力[2]，可以使學(xué)生更好地找到科研的目標(biāo)，指導(dǎo)其對疾病機(jī)理的深入研究，是溝通基礎(chǔ)研究與臨床醫(yī)療的橋梁。學(xué)生通過搜索數(shù)據(jù)庫進(jìn)行生物信息學(xué)分析，可以避免實(shí)驗(yàn)條件不足等制約因素，理清科研的初步思路，為培養(yǎng)具有一定科學(xué)素養(yǎng)和開拓創(chuàng)新能力的新型的醫(yī)學(xué)創(chuàng)造性人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 在醫(yī)學(xué)研究中必不可少

隨著科學(xué)研究領(lǐng)域生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的積累，當(dāng)前科學(xué)研究已經(jīng)由數(shù)據(jù)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shù)據(jù)的分析和利用。生物信息學(xué)主要研究核酸和蛋白質(zhì)序列，通過對這些序列中所蘊(yùn)含的生物信息進(jìn)行分析，為人類疾病的診斷和治療提供更合理有效的途徑。通過學(xué)習(xí)生物信息學(xué)，學(xué)生可以培養(yǎng)處理生物學(xué)具體問題時(shí)分析問題和解決問題的能力[3,4]。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者Walter Gilbert曾定義新世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)研究范式：在所有基因都解析出來之后，科學(xué)家進(jìn)行研究的起點(diǎn)將從理論開始，之后再轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。而從基因大數(shù)據(jù)中進(jìn)行理論研究，發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題進(jìn)行假設(shè)驗(yàn)證，生物信息學(xué)的分析運(yùn)用是必不可少的。因而，作為今后結(jié)合科研實(shí)踐的臨床醫(yī)生，盡早接觸并初步掌握生物信息學(xué)分析理念與工具對于走上臨床與科研相結(jié)合的道路非常重要。

1.3 輔助科研能力培養(yǎng)

醫(yī)學(xué)生基本掌握了生物學(xué)相關(guān)主干課程，如生物化學(xué)與分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)、病理學(xué)、生理學(xué)、病理生理學(xué)、藥理學(xué)等，具備扎實(shí)的理論分析能力。同時(shí)通識(shí)教育類課程中也開展了英語、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等課程，學(xué)生能夠很好地運(yùn)用計(jì)算機(jī)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)指導(dǎo)。此外，醫(yī)學(xué)生進(jìn)行生物信息學(xué)分析具有非常大的優(yōu)勢，他們可以更加敏銳地判斷出哪些內(nèi)容與臨床應(yīng)用相關(guān)，哪些數(shù)據(jù)可以更好地指導(dǎo)臨床靶點(diǎn)的開發(fā)等，便于數(shù)據(jù)分析與討論總結(jié)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域本科生論文發(fā)表過程中，利用生物信息學(xué)輔助研究效果相對較好[5]。學(xué)生在本科期間通過生物信息學(xué)分析可以早于同學(xué)發(fā)表SCI論文，從而增強(qiáng)獲得國家獎(jiǎng)學(xué)金以及考研保送資格等相關(guān)方面的競爭力。學(xué)生通過信息學(xué)分析提高科研產(chǎn)出能力與產(chǎn)出成果的同時(shí)，也獲得了初步的科研能力鍛煉，表明生物信息學(xué)是提高本科生科研思維與科研能力的有力工具。

2 利用生物信息學(xué)培養(yǎng)醫(yī)學(xué)類本科生科研能力的舉措

2.1 篩選醫(yī)學(xué)相關(guān)研究內(nèi)容

生物信息學(xué)是多學(xué)科交叉的課程，內(nèi)容較多，但又不是醫(yī)學(xué)主干課程，課時(shí)偏少，因而課程內(nèi)容設(shè)計(jì)方面有許多可能性。內(nèi)容設(shè)計(jì)既可以側(cè)重于數(shù)據(jù)庫原理、計(jì)算模型使用、優(yōu)化算法的應(yīng)用等數(shù)學(xué)思維的拓展，也可以偏向于數(shù)據(jù)庫使用、軟件應(yīng)用等信息學(xué)手段應(yīng)用。醫(yī)學(xué)院校本科學(xué)生對于生物信息學(xué)的使用，應(yīng)更注重于應(yīng)用生物信息學(xué)解決臨床及科研中存在的實(shí)際問題，開發(fā)課程潛力，服務(wù)于生物醫(yī)學(xué)視角的教學(xué)實(shí)踐。而相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型與編程算法涉及較為深?yuàn)W的計(jì)算機(jī)與數(shù)理功底，醫(yī)學(xué)生掌握起來難度更大，也缺乏相應(yīng)的通識(shí)類教育基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)省略。

因此，醫(yī)學(xué)專業(yè)生物信息學(xué)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)需要靈活運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)醫(yī)學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)庫如GEO數(shù)據(jù)庫和TCGA數(shù)據(jù)庫等挖掘課程，詳細(xì)介紹蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)、二代測序技術(shù)與生物芯片技術(shù)等與精準(zhǔn)醫(yī)療相關(guān)的前言章節(jié)，加上蛋白質(zhì)分子對接、計(jì)算機(jī)輔助的藥物設(shè)計(jì)等應(yīng)用相關(guān)生物信息學(xué)分析內(nèi)容，將生物信息學(xué)的知識(shí)與臨床科研實(shí)踐融會(huì)貫通，激發(fā)學(xué)生的求知欲與創(chuàng)新精神。

2.2 加強(qiáng)醫(yī)學(xué)相關(guān)案例分析

生物信息學(xué)非常注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為此教師設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)案例并引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考、主動(dòng)動(dòng)手解決臨床相關(guān)問題。運(yùn)用生物信息學(xué)解決臨床中實(shí)際問題，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，變被動(dòng)接受知識(shí)為主動(dòng)鉆研知識(shí)。開展生物信息學(xué)的醫(yī)學(xué)案例教學(xué)，主要培養(yǎng)學(xué)生解決醫(yī)學(xué)臨床與基礎(chǔ)問題能力，不直接提供標(biāo)準(zhǔn)答案。教師先在課堂上引入生物信息學(xué)解決臨床科研問題的實(shí)際案例，介紹案例開展思路、研究方法、主要結(jié)果結(jié)論，之后以小組為單位布置課后任務(wù)，發(fā)布實(shí)踐所需數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)址、軟件及操作指南，引導(dǎo)學(xué)生以合作或者自主方式探究解決方案，最終形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并作為課程平時(shí)成績。

利用任務(wù)結(jié)合案例組織教學(xué)，既可以讓學(xué)生更清楚生物信息學(xué)的某個(gè)知識(shí)點(diǎn)可以用于科學(xué)研究中的哪一環(huán)節(jié)，也可以提高學(xué)生以解決問題和完成任務(wù)為目的的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)互動(dòng)，挖掘課堂潛力，提高學(xué)習(xí)成效[6]。通過這一學(xué)習(xí)過程對醫(yī)學(xué)專業(yè)本科生進(jìn)行培養(yǎng)，教師需要重視醫(yī)學(xué)相關(guān)實(shí)例的選擇，既要體現(xiàn)解決問題的科學(xué)性，也要符合本科生初步接觸生物信息學(xué)的階段特點(diǎn)。其中，應(yīng)用臨床生物信息學(xué)方法對基因組、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及代謝組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，篩選疾病相關(guān)診斷與治療靶點(diǎn)，尋找疾病致病關(guān)鍵基因，提供治療方案優(yōu)化等，均可以為后續(xù)臨床研究提供寶貴經(jīng)驗(yàn)[7]。例如，為了提高醫(yī)學(xué)本科生科研活動(dòng)的實(shí)效,加強(qiáng)臨床生物信息學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)教育中的作用，有課題組構(gòu)建了疾病-藥物多組學(xué)大數(shù)據(jù)臨床生物信息學(xué)平臺(tái)篩選，并研發(fā)了一系列血液病及腫瘤治療藥物和方案；可以通過生物信息學(xué)分析急性淋巴細(xì)胞白血病復(fù)發(fā)相關(guān)基因；結(jié)合中醫(yī)“辨證施治”思想利用臨床生物信息學(xué)分析對免疫性血小板減少性紫癜進(jìn)行分型施治等[8]。這些案例可以很好地整合進(jìn)入任務(wù)結(jié)合案例教學(xué)模式，用于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。

2.3 結(jié)合醫(yī)學(xué)前沿，開發(fā)研究課題

生物信息學(xué)作為前沿課程，十分有必要跟蹤學(xué)科發(fā)展現(xiàn)況。授課教師本身知識(shí)的淵博程度與教學(xué)水平對于教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化也非常重要。本教研室非常注重搭配開展系列教學(xué)的教師，既有從教30余年的教授進(jìn)行引言與基礎(chǔ)的介紹，也有工作在科研一線的博士給學(xué)生介紹相關(guān)數(shù)據(jù)庫與軟件應(yīng)用以及研究熱點(diǎn)與先進(jìn)方法，更好與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流[9]。同時(shí)學(xué)科支持與鼓勵(lì)年輕教師到國內(nèi)外知名高校訪學(xué)與進(jìn)修。授課青年教師近五年內(nèi)均有海外博士后或訪問學(xué)習(xí)經(jīng)歷，極大地豐富了學(xué)術(shù)視野與知識(shí)素養(yǎng)，提高了課程的指導(dǎo)水平。

此外，課程還可以通過鼓勵(lì)學(xué)生參與科研、輔導(dǎo)學(xué)生參與研究課題等方式推進(jìn)生物信息學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)生中的應(yīng)用。南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院開設(shè)的卓越醫(yī)師班里，每一位同學(xué)專門對接了一名專任教師作為導(dǎo)師。本教研室的導(dǎo)師們利用生物信息學(xué)優(yōu)勢，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行測序數(shù)據(jù)分析等工作，通過前沿的課題與理念指導(dǎo)，推進(jìn)教、學(xué)、研一體化創(chuàng)新教學(xué)模式，有力地推動(dòng)了醫(yī)學(xué)科研人才的培養(yǎng)。同時(shí)，我們也鼓勵(lì)學(xué)生通過各種途徑自覺關(guān)注學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)，拓寬知識(shí)面，培養(yǎng)其自學(xué)能力和創(chuàng)新意識(shí)。

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來為醫(yī)學(xué)本科生培養(yǎng)科研創(chuàng)新思維，完成醫(yī)學(xué)研究課題提供了一種新的途徑。建立具有醫(yī)學(xué)特色的生物信息學(xué)課程體系，加強(qiáng)醫(yī)學(xué)相關(guān)案例分析與研究課題開發(fā)，可以提前培養(yǎng)醫(yī)學(xué)本科生臨床與研究思維相結(jié)合的能力，滿足現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究發(fā)展需要。生物信息學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)類本科學(xué)生中的推廣與應(yīng)用，可以促進(jìn)臨床與科研能力的培養(yǎng)，助力醫(yī)學(xué)生的長期職業(yè)發(fā)展。