利用科研優勢促進細胞生物學實驗教學
——抗病毒化合物篩選實驗

雷曹琦, 龍 燕, 李小燕, 鄭 凌, 謝志雄

(武漢大學 生命科學學院, 湖北 武漢 430072)

利用科研優勢促進細胞生物學實驗教學
——抗病毒化合物篩選實驗

雷曹琦, 龍 燕, 李小燕, 鄭 凌, 謝志雄

(武漢大學 生命科學學院, 湖北 武漢 430072)

闡述了實驗教學內容緊扣科學研究前沿的重要意義,引入抗病毒化合物篩選實驗,從實驗設計到結果分析等全方位鍛煉學生的創新性和自主性,提高細胞生物學實驗教學效果。

抗病毒信號轉導； 學科前沿； 自主性

進入21世紀以來,生命科學與醫學研究迅猛發展,知識和信息快速增長,不斷地改變著人們對生命的認識與理解。原有知識被快速修正和更新,不僅僅給我們的教學工作輸入了源源不斷的新鮮知識血液,也對我們的教學內容和方式形成了鞭策,督促我們積極更新教學內容,從而將最新最前沿的科學研究工作介紹給學生[1-4]。我們在教學中對細胞生物學實驗教學內容進行了探索性改革,引入“抗病毒化合物篩選實驗”,培養和鍛煉學生自主設計實驗和分析實驗結果的能力,提高學生的教學參與度,取得了良好的教學效果。

1 教學改革思想

1.1 科研優勢學科與一流教學平臺的結合

抗病毒天然免疫研究是生命科學與醫學研究的熱點領域,也是各國科學研究重點投入的領域。我校生命科學學院擁有一批杰出的科學家組成的研究團隊,在抗病毒天然免疫研究領域已經形成了自己的特色和優勢[5]。在舒紅兵院士的帶領下,在抗病毒天然免疫研究領域取得了一系列原創性成果,在國際上產生了重大影響。

我校在細胞抗病毒天然免疫研究方面擁有優秀的師資力量,為教學工作提供了高水平的教師資源儲備。我校生物學實驗教學中心是我國首批建設的國家級實驗教學示范中心,擁有一流的實驗教學設備和實驗教學隊伍,在多年的教學過程中,形成了自己的教學特色和優勢,而且生物學實驗教學中心一直鼓勵教師將學科研究前沿問題引入到教學實踐當中,將教學改革理念貫穿到每個教師的教學過程中,并形成了“試點—完善—成熟并推廣”的教學改革思路。因此,在本次實驗改革中,我們不僅擁有一流的、長期從事抗病毒天然免疫研究工作的教師隊伍,也擁有科學管理、設備一流的實驗教學平臺,為本次教學改革工作提供了堅實的保障[6-7]。

1.2 學生科研興趣與研究內容的結合

實驗教學中常見的問題是學生對自己所學知識的應用價值有所懷疑,因此學習興趣不高,處于被動應付狀態。

細胞生物學實驗教學內容長期以來缺乏細胞信號轉導和細胞應急方面的教學內容,而該方面的研究工作已經成為生命科學研究的熱點內容。為此,我們在本次細胞生物學實驗改革中充分考慮了學生的專業特點和自主性,以及教學內容與細胞信號轉導相結合,特別選擇我校化學與分子學院三年級學生為實驗改革的對象,從事抗病毒化合物篩選實驗,在學科交叉教學研究方面做出大膽嘗試。

我們以講座形式詳細介紹了抗病毒天然免疫研究工作以及最新研究進展,讓參加本次實驗教學改革的學生充分了解該研究的重要性和學科前沿,接著,提出篩選調控細胞抗病毒免疫反應化合物和藥物的重要性。由于授課對象是化學專業學生,在平時學習和實驗中接觸多種小分子化合物,但對這些小分子化合物的用途不甚了解。現在得知他們曾經合成的一些看似沒用的化合物可能在抗病毒藥物開發過程中有很好的研究和開發潛力時,都表現出極高的興趣。同時,部分學生對市場上的已有抗病毒藥物的功效提出質疑,希望通過自己的實驗來驗證這些藥物的作用。整體來說,由于本次實驗的研究對象(各種小分子化合物或者藥物)貼近生活,研究內容(抗病毒天然免疫反應)緊扣學科研究前沿,加之實驗設計具有相對自主性,因此學生的學習熱情高漲。

2 教學目標

(1) 培養學生主動學習能力。讓授課學生自主選擇研究材料,在教師提供的實驗系統中自主設計實驗方案,研究他們所關心的化合物或者藥品對抗病毒天然免疫反應的影響,極大地鍛煉和培養學生通過設計實驗探究科學問題的能力,并滿足他們對前沿科學的好奇心和求知欲。

(2) 培養學生的創新能力。在完成本次實驗之后,授課學生會對不同化合物在抗病毒天然免疫反應過程中的效用有初步了解,此時引導他們進一步思考和探究這些化合物開發成為抗病毒藥物的可能性,鼓勵他們進行深入探索。

(3) 利用科研優勢學科帶動學生研究興趣和積極性。細胞抗病毒天然免疫研究是生命科學和醫學研究領域迅猛發展的學科,需要更多優秀人才的加入和壯大。通過引進新的實驗教學內容,培養學生對該研究領域的興趣與熱情,以期引導優秀的學生將來從事該領域研究,為天然免疫研究工作注入新鮮血液。

3 實驗設計

3.1 實驗原理

病毒感染宿主細胞之后,會被細胞內的模式識別受體識別,從而招募下游接頭蛋白并通過復雜的信號轉導過程誘導宿主細胞表達干擾素。干擾素不能直接殺傷病毒,但會進一步誘導下游抗病毒蛋白表達,一方面抑制病毒的復制,另一方面誘導被感染細胞的凋亡[8-10]。在本次實驗中,我們利用綠色熒光蛋白標記的VSV病毒(GFP-VSV)感染細胞[11-12],然后加入不同的小分子化合物或者藥品,通過檢測綠色熒光表達來研究不同小分子化合物或者藥品對病毒復制的影響,并利用DAPI染色觀察不同小分子化合物或者藥品對病毒誘導細胞凋亡過程的影響。

3.2 實驗材料準備

HEK 293 細胞,12孔細胞培養板,1.5 cm細胞爬片,DMEM培養基,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(由學生決定材料,實驗教學中心幫助解決)。

3.3 實驗步驟

(1) 準備細胞(HEK 293),每個小組4位學生,準備一個12孔板細胞(提前種細胞爬片),提前一天由教師準備；

(2) 抗病毒天然免疫研究前沿介紹(理論講授在普通實驗室完成)；

(3) 去細胞無菌操作室將VSV-GFP病毒以及各自準備的化合物按照各組設計的方案加入細胞中；

(4) 將細胞培養板交于教師,放置于細胞培養箱培養24 h；

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

(6) 將細胞培養板帶回普通實驗室,檢測細胞凋亡情況；

(7) 快速吸掉培養基,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,將細胞爬片反扣到載玻片上；

(10) 熒光顯微鏡觀察細胞核形態變化,分析凋亡情況。

3.4 結果與分析

通過綠色熒光強度分析不同化合物對細胞抗病毒的影響,并通過DAPI染色分析細胞凋亡狀況。本實驗中,絕大多數授課學生獲得結果,并有實際應用價值。例如,有的實驗小組發現硫酸軟骨素能夠顯著抑制VSV-GFP病毒的復制,并且抑制病毒誘導的細胞凋亡(如圖1所示)；有的實驗小組發現現有抗病毒藥品利巴韋林能顯著增強細胞的抗病毒免疫反應過程,而阿司匹林則沒有這種作用(如圖2所示)。也有學生發現他們所使用的化合物對病毒復制沒有影響,但是卻能夠誘導細胞的凋亡過程。學生表示在這次實驗中自己動手設計實驗解決自己關注的科學問題是極具成就感的事,感到科學研究原來也是那么“接地氣”。

圖1 硫酸軟骨素對細胞抗病毒反應的影響

圖2 利巴韋林和阿司匹林對細胞抗病毒反應的影響

4 結束語

本次教學改革旨在鍛煉學生自主設計實驗方案與分析實驗結果的能力,同時利用科研優勢學科推動實驗教學,提高學生的學習興趣。將原本教師選擇、準備研究材料改為學生自主選擇自己關心的或者具有濃厚興趣的實驗材料,并且在實驗框架下自主設計實驗方案,這樣不僅能夠提高學生研究興趣、增強學生的教學參與度,還能夠解決學生所關心的問題,另外實驗結果的不可預測性也增加了學生的探索熱情。

實驗中授課學生發現了部分能夠調控細胞抗病毒免疫反應的化合物,其中有些化合物的功能未發現有研究成果報道。因此,我們將進一步鼓勵學生在業余科研項目中對這些化合物調控細胞抗病毒天然免疫信號轉導過程進行深入研究,實現課堂教學與大學生創新科研訓練培養一體化的模式。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,就能夠申請專利并且發表論文,這對初次接觸科學研究工作的本科生來說應該是個很好的激勵和開端。

結合本次實驗教學改革的整體設計與目前完成情況,本次的嘗試具有以下3個優勢與創新點:

(1) 實驗教學工作緊扣科學研究前沿。通過前沿科學研究促進本科教學是目前大學教育的一個重要目標,我們將當前生命科學研究前沿領域——抗病毒天然免疫反應引入本科生實驗教學,讓學生能夠盡早接觸科研前沿,增強學習興趣。

(2) 實驗內容貼近學生學習生活。本次嘗試改變了授課教師提供實驗材料的方式,讓學生自主選擇感興趣的實驗材料。這使得實驗課程在立足科學研究前沿的同時,又能貼近學生的生活和興趣,讓實驗課 “接地氣”,從而促使學生開拓思維、積極參與。

(3) 培養學生獨立解決問題的能力。本次實驗教學改變了以往教師設計實驗方案、學生被動操作的模式,采用了提供實驗條件、讓學生自行確定實驗材料及設計相關實驗方案來實現自己的研究目的的方式。通過獨立設計、分析實驗結果的鍛煉,極大地提高了學生獨立自主解決實際問題的能力。

References)

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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

國家基礎科學人才培養基金資助項目(J 1103513)；湖北省教育廳武漢大學教學改革資助項目(JG 2014033)；武漢大學實驗教學中心開放實驗資助項目

雷曹琦(1985—),男,甘肅岷縣，生物學博士,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