生物制藥虛擬仿真實驗教學平臺的建設與應用

何書英, 劉 煜, 鄭 珩, 汪 輝, 王 穎, 高向東

(中國藥科大學 生命科學與技術學院, 江蘇 南京 210009)

生物制藥虛擬仿真實驗教學平臺的建設與應用

何書英, 劉 煜, 鄭 珩, 汪 輝, 王 穎, 高向東

(中國藥科大學 生命科學與技術學院, 江蘇 南京 210009)

依托中國藥科大學國家級生物制藥實驗教學示范中心的建設,遵循虛實結合的實驗教學原則構建了生物制藥虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺由微生物虛擬教學模塊、生物技術虛擬教學模塊和生物工程虛擬教學模塊組成,通過數碼互動、動畫及視頻等形式,能夠非常形象、生動、直觀地將實驗技能傳授給學生,有效地解決實驗操作不規范、互動較少以及課堂教學內容有限等問題,明顯提高了實驗教學的效果和質量。

生物制藥； 多媒體教學； 虛擬仿真實驗; 實踐教學

進入21世紀后,生物醫藥產業快速發展,需要大量專業技術人才。目前,我國生物制藥行業的上游基礎研究已接近國際水平,而下游生物醫藥的分離純化技術及產業化水平則較為落后[1-2]。為培養生物制藥專業技術人才,相關高校大多采用與企業合作的辦法,將學生送到企業進行實訓,培養學生的工程實踐能力。但企業囿于國家對藥品生產的嚴格監管,對學生的實訓有較多限制。為此,中國藥科大學開發了生物制藥虛擬仿真實驗教學平臺,彌補了生物制藥專業工程化不足的缺憾,能更好地培養既有創新能力,又有工程實踐能力的生物制藥專業人才。

1 制約生物制藥實驗教學的主要原因

生物制藥工程是實踐性較強的學科,實驗教學在生物制藥人才培養中顯得尤為重要。但是,因為場地、技術和經費等條件限制,使某些實驗無法在實驗室中進行,在一定程度上影響到創新型人才的培養。

(1) 實驗成本的限制。有些生物制藥實驗所用的試劑價格昂貴；有些生物試劑(如酶、試劑盒等)穩定性較差,使用時稍不注意就容易失活或被污染,致使實驗失敗；有的實驗還需要用到昂貴的精密儀器。雖然很多高校都購置有精密儀器用于實驗教學,也能夠開設相關實驗,但因為受成本控制,無法購置更多數量的儀器設備和高價的試劑,使學生進行實驗、實踐的機會受到限制。

(2) 實驗條件的制約。生物制藥行業的高投入和高風險也體現在廠房的建造和儀器設備的配置等硬件投入上,這既是藥物生產質量管理規范的要求,也是生物安全性的需要。某些生產過程有較高的生產潔凈度要求和安全性限制,不允許眾多學生在生產現場參觀學習,而一般教學實驗室也不具備相應的硬件和場地條件,使生物制藥實驗實習教學陷入紙上談兵和缺少實踐操作的困境。

2 建設內容和應用案例

2.1 生物制藥虛擬仿真實驗教學平臺的基本構成

虛擬仿真實驗教學是實驗教學改革創新的具體體現,是國家級生物制藥實驗教學示范中心建設的重要內容[3],也是傳統實驗教學的有益補充。學生可以通過模擬實驗操作掌握實驗原理和方法,彌補實驗工程化不足的缺憾。因此,迫切需要開設生物制藥虛擬仿真實驗[4-6],以滿足培養生物制藥領域專業技術人才的需求。

現代生物制藥技術涉及微生物學、化學、生物化學、藥學、分子生物學等學科和專業[7-9]。自20世紀70年代以來,以基因工程為代表的生物工程技術發展迅速,促進了現代生物藥物技術的發展,基因工程藥物、抗體藥物的生產已成為制藥工業中發展最快、活力最強和技術含量最高的領域。

基因工程藥物制造技術分為上游技術和下游技術。上游技術主要包括基因擴增——電泳—質粒提取—酶切—目的基因與質粒連接—鑒定陽性克隆等；下游技術主要包括發酵培養—誘導表達—低溫離心—菌體破碎—分離純化技術—活性測定等。基因工程藥物生產所涉及的實驗技術一般包括微生物的培養、生物技術和生物工程,因此,中國藥科大學開發的生物制藥虛擬仿真實驗教學平臺就涉及這3方面技術,由微生物虛擬教學模塊、生物技術虛擬教學模塊、生物工程虛擬教學模塊組成。各模塊以典型的生物藥物產品作為主線,圍繞其研發、生產和質量控制過程,設計模塊化、階段性的虛擬仿真實驗項目,形成生物制藥相關技術交匯融合的虛擬仿真實驗環境。

2.2 微生物虛擬教學模塊

微生物虛擬教學模塊有3個數碼顯微互動教室和108個仿真實驗終端(顯微鏡+電腦+軟件+網絡)。每個數碼顯微互動教室連接36臺顯微鏡,顯微鏡圖像傳輸到教師端的計算機上顯示。教師端顯示器可顯示全部學生端的實時畫面,也可對36臺顯微鏡中任意一臺的圖像放大顯示。教師計算機為每位學生分配了獨立的存儲空間,學生發出請求、教師許可后,可自動將圖像存儲在計算機中。學生可以通過學生系統對微觀或宏觀的圖像進行觀察操作,也可通過提問系統與教師交流討論、請求教師幫助[10-11]。通過該平臺的分發共享功能,教師可以將講義、課件、多媒體素材、作業、試題分發給學生,學生也可以利用該平臺進行仿真練習和模擬考試。

真實實驗與虛擬仿真實驗相結合,可以節約成本和人力、物力,整合動畫、圖像、習題等多種教學資源，增加信息量。將虛擬仿真實驗與網絡技術相結合,還實現了資源共享和無時空限制訪問,有助于培養學生的自主學習能力及創新意識。該平臺為學生提供了一個良好的自學及預習平臺,也使教師更有效地掌控實驗教學進程。

2.3 生物技術虛擬教學模塊

自20世紀70年代以來,生物制藥異軍突起,已成為制藥工業中發展最快、活力最強和技術含量最高的領域[12]。生物制藥虛擬仿真實驗平臺的生物技術虛擬教學模塊,使試劑價格昂貴、缺少精密儀器的生物制藥實驗問題得到解決。

以感受態細胞的制備與轉化虛擬仿真實驗(見圖1)為例。感受態細胞是指利用理化方法誘導細胞,使其處于最適攝取和容納外來DNA的生理狀態。制備感受態細胞是基因工程操作中非常重要的一步,直接影響外源DNA的轉化。該實驗原理是:將快速生長的大腸桿菌置于經低溫(0 ℃)預處理的低滲氯化鈣溶液中,使細胞膨脹后細胞膜通透性發生變化,此時將該體系轉移到42 ℃下做短暫的熱刺激,細胞膜的液晶結構會發生劇烈擾動,并隨機出現了許多的間隙,外源DNA就有可能被細胞吸收。

通過該虛擬仿真實驗,學生可以重點了解影響實驗的一些關鍵點。例如實驗中要求在42 ℃下進行90 s熱刺激,如控制不好,則細胞的轉化率很低。經過教學效果評估比較,開設虛擬仿真實驗后,學生對該知識點的掌握明顯好于單純的課堂理論教學。

圖1 感受態細胞制備及轉化虛擬仿真實驗

2.4 生物工程虛擬教學模塊

生物制藥是一門與制藥生產密切聯系的課程,該課程的實驗涉及藥物生產工廠和大型的生產設備。由于制藥車間的潔凈度有很高要求,組織眾多學生進入生物制藥車間實習有很大難度；而生物制藥工藝過程是生物工程、生物制藥等專業學生必須掌握的基本知識,也是學生今后從事生物藥物研發、生產必備的技能。這是一個很大的矛盾。依托國家級生物制藥實驗教學示范中心和生物制藥的主干課程生物制藥工藝學國家精品課程、國家級資源共享課程建立的生物工程虛擬教學模塊,將一些分離純化技術的儀器使用視頻及一些典型生物藥物制備過程納入該虛擬模塊[13]。

中心將生物工程實驗中涉及到的關鍵實驗操作技術錄制成系列短片,替代課上教師的動作示范,主要包括鹽析技術、離心技術、層析技術、電泳技術、凍干機使用、發酵罐及冷凍超速離心機的使用等實驗技術。教師可以在視頻播放過程中隨時暫停,關鍵動作可重復播放,加深學生對操作流程細節的記憶和理解,學生在進行實驗操作時也比較規范。

一些典型的生物藥物制備過程也被拍攝成視頻材料。例如胰彈性蛋白酶的制備視頻材料、重組門冬酰胺酶的制備實驗視頻材料以及大生產視頻材料等,這些視頻材料可以用于學生的預習和無實驗條件的學校使用。

例如重組門冬酰胺酶制備虛擬仿真實驗(見圖2)。該課程教學團隊赴企業實地拍攝了重組門冬酰胺酶生產過程錄像,包括基因工程菌種子培養、工程菌發酵、產物的分離純化、純品的制劑及灌封等過程,隨后開設了該藥物制備工藝仿真實驗。通過虛擬仿真實驗,學生可以掌握完整的基因工程藥物生產流程,熟悉生產工藝設備,加深對課堂所學知識的理解,為日后能靈活運用所學知識奠定了基礎。

圖2 重組門冬酰胺酶制備虛擬仿真實驗

3 結語

虛擬仿真實驗教學是教育信息化的重要手段,是國家級生物制藥實驗教學示范中心的重要建設內容。對于綜合性及工程性的實驗項目,生物制藥虛擬仿真實驗教學平臺的實驗內容有明顯的優勢,因而在生物制藥實驗教學中存在很大的發展空間。利用生物制藥虛擬仿真實驗教學平臺,可有效地突破傳統教學時間及空間的限制,增加學生的知識量并延伸課時[14]。另外利用現代多媒體及虛擬技術手段,通過豐富的圖像及聲音材料,能生動、直觀地展現實驗原理和實驗流程[15]。實踐證明,充分發揮現代信息技術在實驗教學中的優勢,能夠增強學生感性認識、提高實驗效率和節約實驗經費、培養學生動手能力,明顯提高實驗教學的效果。生物制藥虛擬仿真實驗教學平臺可從本校校園網共享延伸至藥學兄弟院校,為兄弟院校的教師和學生提供免費的生物制藥虛擬實驗教學資源,使更多的學生和教師可以使用本中心的資源,全面實現資源開放及共享[16]。

References)

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[3] 張智煥,張惠娣.機械工程控制的虛擬仿真實驗教學實踐[J].實驗技術與管理,2014,31(7):102-103.

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[5] 羅昊,張曉東.虛擬仿真實驗教學中心開放共享模式的探索[J].實驗技術與管理,2016，33(10):232-236.

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[12] 毛開云,楊露,王恒哲,等.生物技術藥物市場現狀與發展趨勢[J].中國生物工程雜志,2015,35(1):111-119.

[13] 高向東,鄭珩,何書英,等.生物制藥工藝學精品課程的建設研究與實踐[J].中國高等醫學教育,2011(2):70-71.

[14] 鄭鑫,張曉潔.虛擬實驗師立體化教學資源平臺建設[J].實驗室研究與探索,2014,33(8):109-113.

[15] 何書英,鄭珩,勞興珍,等.生物制藥工藝學實驗教學模式的探索[J].中國科教創新導刊,2009(5):59.

[16] 鄭珩,勞興珍,何書英,等.生物制藥工藝學課程教學改革與實踐[J].教育教學論壇,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

國家級生物制藥實驗教學中心(教高函[2012]13號)

何書英(1966—),女,河北河間,博士,副教授,生物制藥實驗中心主任,主要研究方向為生物大分子的結構與功能.E-mail：heshuying92@126.com

G642；TP391.9

B

1002-4956(2017)08-0118-03