以核酸適體為載體討論前沿技術和應用成果在分析化學教學中的作用

談潔 ，王文杰 ，袁荃 ,2,＊

1湖南大學化學化工學院，化學生物學與納米醫學研究所，長沙 410082

2武漢大學化學與分子科學學院，武漢 430072

分子醫學主要是指分子生物學在醫學領域中的應用，包括分子生物學的重要理論、技術在醫學領域中的應用，例如核酸適體技術、蛋白質技術、克隆載體手段等等。分子醫學在疾病的精準診斷與治療中有著廣闊的應用前景，對于保障人民生命健康有著重要推動作用。其中，核酸適體在分子醫學的精準診斷和治療中有著不可替代的作用，被譽為分子醫學的“基石”。核酸適體是指一系列經指數富集的配體系統進化技術(Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment，SELEX)篩選出的，能與目標物發生特異性結合的寡核苷酸序列。自1990年SELEX技術問世至今，核酸適體已經能廣泛識別和結合各種目標物，在生物傳感器領域得到了廣泛應用[1]。令人驕傲的是，我國的譚蔚泓院士首創了以活細胞為目標物的創新篩選方法——細胞SELEX (Cell-SELEX)。通過細胞SELEX方法，我們能夠得到多種癌癥相關的核酸適體探針，在癌癥生物標志物的發現、抗癌藥物的靶向遞送等方面有著重要的突破，使分子醫學從理論研究到臨床應用成為可能。

為了使學生建立完整的化學學科的知識體系，當前許多高校已經開設了分析化學等理論課程以及相關實驗課程，幫助學生理解和學習分析化學的基本知識和技能，達到能夠從事分析化學相關工作的基本要求。盡管過去的幾十年間，我國高校已成功地培養了大量分析化學人才，推進了我國分析化學相關領域的長足發展，但是思想教育在分析化學教學中的重視程度往往還不夠，要培養當代分析化學人才的家國意識、思想情懷、社會責任感，使他們更好地用自己所學知識為建設社會和國家服務，還需要對傳統的化學教學過程進行深入改革，引入高質量的思政教育內容，達到培養高素質化學人才的目的。在分析化學教學當中引入以核酸適體為載體的前沿技術和應用成果，不僅對于知識的拓展學習、能力的培養有著巨大幫助，還對于學生的思想教育有著重要意義，可以有效提升學生的思想道德境界和培養學生的優良品質。本文將圍繞高校分析化學教學中的思想教育問題，以及以核酸適體為載體的前沿技術和應用成果在這方面的解決手段進行詳細討論。

1 傳統高校化學教學目前主要存在的思想教育問題

盡管我國現有的高校分析化學教學模式已培養了大量優秀人才，但在科技高度發達和社會日益發展的今天，分析化學教學仍面臨著諸多問題。關于當前化學教育在創新訓練、知識滯后等內容方面已有許多學者進行了討論[2–6]，關于這些問題的解決方法已經有許多實踐經驗。另一方面高校分析化學教學當中的德育教育仍不夠深入，甚至是缺失的，但是德育教育和思想教育對于分析化學教學往往有著重要的影響，是不容忽視的[7,8]。赫爾巴特說，“教學如果沒有進行道德教育，只是一種沒有目的的手段，道德教育如果沒有教學，就是一種失去了手段的目的[8]”，因此高校分析化學教學應當充分重視思想教學的作用。本文主要圍繞高校分析化學教學中愛國教育、德育教育等思想教育問題進行闡述，討論了分析化學這一重要學科在學生多方面思想情懷培養中存在的問題。

1.1 與社會和國家實際需求相脫節

十九大以來，我國已確定了許多新的時代發展目標，對于重大戰略需求、人民身體健康、環境污染等方面已經提出了新的要求和任務。對此，教育工作者需要引導學生承擔時代重任、攻克國家新的難題，積極用自己所學知識來解決社會實際問題，服務于社會和人民的需要。但是目前分析化學學科的教材編寫和課堂教學過程較少涉及這部分內容，容易局限于對分析化學知識本身的學習和理解，忽視了為什么要掌握好扎實的分析化學知識，以及如何運用自身所學的分析化學基礎知識來服務社會。在分析化學領域，面對重大疾病早期診斷、環境監測等影響人民生活質量的實際難題，需要開發一系列方便、快捷、可實現實時檢測的分析方法。教材中傳統的儀器分析方法因存在操作復雜、耗時長等局限性而不利于實際問題的解決。一些分析化學領域的前沿技術與應用成果(例如核酸適體功能化的熒光探針)在這些問題中表現出操作簡便、響應速度快、分析結果可視化等諸多優點，如果能將這部分知識緊密結合到教學內容當中，可以讓學生正確認識分析化學前沿技術與應用成果在人民生活中的作用，從而更好地將分析化學的教學內容與國家社會需求相銜接。這不僅需要更加深入和實用性的理論學習來與實際需求相銜接，也需要適當的愛國教育來引導學生樹立正確的學習目標。對于前沿的國防建設、醫藥健康、環境治理、能源開發等重點問題，更需要將高校分析化學教學與社會和國家需求良好銜接，從而更好地為社會主義建設輸送人才，讓分析化學教學成為國家和社會發展的重要推動力。

1.2 缺乏社會責任感教育

社會責任感的培育工作是高校培養完整的高素質人才的必需內容之一，對于社會和國家發展具有重要意義[9]。當前環境污染、生命健康問題無不對人民生活造成巨大的影響，需要引起更多的重視，特別需要高校人才肩負起更多的社會責任來解決國家和社會面臨的各種問題。然而現有的分析化學教學過程中對于社會責任感的培養較弱。例如新冠疫情發生時，高校人才的社會責任感為國家的疫情防控和穩定發展做出了重要貢獻，新冠病毒的核酸檢測試劑盒開發、抗病毒口罩研制、口罩消毒設備開發等，對疫情防控產生了積極的影響，這些都是社會責任感的突出表現，但是在分析化學教學當中很少會對類似的案例進行介紹。重大疾病的診斷與治療仍然是全球面臨的難題，無數人為此飽受折磨，并且花費了巨額金錢來醫治。分析化學的發展對于疾病的早期診斷技術的開發有著重要意義，但是目前在分析化學教學中很少有對于人民生命健康、生物醫學技術相關思政教育的合理引入，缺乏社會責任感教育。社會責任感教育的欠缺，會導致人才培養模式的不完整，不能達到培養高素質人才的要求。

1.3 缺少對于學生科學精神和品質的塑造

學習科學家的精神和品質對于德育教育有著重要意義[7,10]。人類文明發展至今，離不開各位科學家特別是化學家們的進取精神和努力付出，他們的杰出工作為當今化學技術的發展奠定了堅實的基礎。目前在化學教學當中，雖然會有介紹化學家們工作的內容，我們曾在研究生課程中講授汪爾康院士領導研制中國第一臺脈沖極譜儀和新極譜儀，湖南大學王雙印教授實現常溫常壓條件下通過電催化合成尿素為“火星種菜”提供肥料，但這些內容往往是作為一種科普內容來激發學生的學習興趣，而這些化學家身上堅忍不拔的意志和嚴謹的科學精神卻鮮有提及。對學生科學精神和善于鉆研、勤于付出的品質的塑造，對于學生日后的科研之路或者是工作具有重要的引導和啟發作用，這一部分內容還需要進一步加強學習和思考。分析化學領域已有許多優秀、勤奮的科學家，我們應在分析化學教學中加強這一部分內容。

2 前沿學術和應用成果在分析化學教學當中的應用

對于上述化學教學中存在的問題，我們可以通過在傳統教學中引入以核酸適體為載體的前沿技術和應用成果來嘗試解決。以核酸適體為代表的生物分析相關研究對于社會發展、人才培養有著重要幫助。湖南大學近年來以分析化學為首的學科在科研前沿取得了許多重大成果。我校擁有“化學生物傳感與計量學”國家重點實驗室、“生物醫學與生命分析化學”等多個重點實驗室，具有深厚的分析化學與分子醫學的交叉底蘊。其中核酸適體是我校分析化學學科的一大特色和研究重點，因而我們的教學團隊在這方面為課堂教學提供了扎實的理論和實驗基礎，能夠將以核酸適體為載體的前沿技術和應用成果融會貫通于課堂教學當中。將核酸適體等前沿學術知識理論融會于分析化學教學中，可以拓寬學生的科學視野、培養他們的學術創新能力和科研能力[2–6]。更重要的是，以核酸適體為載體的前沿技術和應用成果在愛國教育和德育教育方面有著重要作用和意義，可以幫助提升學生的思想境界、道德情操、學習動力等。以核酸適體為載體的前沿技術和應用成果作為一種重要的思想教育方法卻鮮有文章進行討論。本教學團隊在分析化學課程的教學過程中多次引入核酸適體相關的前沿知識與應用實例，對于提升課堂的教學質量、融會貫通思政教育有著許多教學探索，本文則圍繞此點進行展開討論。

2.1 讓分析化學教學與國家和社會需求緊密銜接

前沿學術研究往往圍繞一些重大的國家和社會需求展開[2,3]。在分析化學教學中，圍繞國家和社會需求進行前沿科研成果的介紹可以在學業和就業之間構筑橋梁，有助于學生立志解決前沿科學難題，勇于承擔國家提出的重大戰略任務，進行愛國的主題教育[11]。核酸適體是一類非常好的教育素材，核酸適體由于其出色的選擇性和結合能力在生物醫學、檢測等領域得到了廣泛應用，與國家和社會的需求緊密相關，并且我國科學家首創了核酸適體的細胞篩選方法，我們在分析化學課堂上圍繞核酸適體介紹了一系列學術前沿進展，幫助學生培養愛國主義情懷，讓他們意識到自己所學的知識應當與國家與社會需求緊密銜接。

在生物分析化學課程中第二章節核酸部分，我們對核酸適體篩選技術有前沿知識介紹。“核酸是脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的總稱，是生命體中最重要的物質之一”，在介紹完核酸的基礎知識之后，包括核酸的擴增與序列分析，我們引入了核酸適體的教學內容，“核酸適體是一類具有特殊功能的核酸序列”，我們將其與抗體的功能、性質進行了對比，引導學生思考核酸適體在生物分析化學當中的重要意義。以此為基礎，我們進而介紹了核酸適體與分子醫學的聯系。我國科學家譚蔚泓院士開創了以完整細胞為靶標的篩選技術，在攻克癌癥等健康難題方面實現了重要技術突破，對解決人民生命健康問題有著重要意義[12]。這類內容是很好的愛國教育題材，對于激發學生的愛國情懷、民族自豪感有著重要作用。我們在生物分析化學課程第二章節中，安排了一課時的課堂容量來介紹我校譚蔚泓院士所做的一些前沿工作，包括腫瘤超靈敏檢測、分子成像、靶向給藥等。例如，譚蔚泓院士團隊通過活細胞篩選獲得了與胰腺癌具有高結合親和力的核酸適體XQ-2d，該核酸適體還能進一步負載抗癌藥物阿霉素實現靶向治療，為胰腺癌的診斷與治療提供了有力工具[13]；譚蔚泓院士團隊還開發了基于二茂鐵人工堿基的核酸適體，二茂鐵人工堿基可以讓核酸適體膠束對腫瘤微環境產生響應而解聚，從而實現高腫瘤組織滲透性的化學動力學治療[14]。譚蔚泓院士不僅在學術研究和論文發表方面處于領先地位，并且還在中國科學院大學附屬腫瘤醫院等機構開展了臨床研究，提出要助力健康中國，讓學生們了解到我國在基礎研究方面有許多領先的領域，他們也受此鼓舞，在課堂中表現出了很好的學習熱情和愛國主義情懷，同時提升了民族自信心。為了進一步強化知識的理解和進行愛國教育，我們布置了相關課堂作業，要求學生自行組隊，以文獻匯報的方式進行翻轉課堂的教學，圍繞“核酸適體與我們的健康”進行專業性和科普性的文獻匯報工作，并根據學術水平和演講水平進行打分作為平時成績計算。

另一方面，以核酸適體為載體的教學內容對于銜接分析化學課堂教學與社會需求也有幫助。在分析化學教材下冊的分子發光分析法章節中，我們介紹了光致發光、化學發光的機理，并且引入了生活中的發光現象來加強對基礎知識的理解(例如水母發光、螢火蟲發光)，然后我們采取了觸類旁通的方式引入了長余輝發光、上轉換發光的現象和機理。其中上轉換材料發光指的是被低能量的光激發，發射出高能量的光，因此上轉換材料可以很好地消除背景熒光。以此為基礎，我們在課堂中引入了核酸適體修飾的上轉換納米材料用于無背景指紋成像的研究，上轉換特有的波長轉換特性、核酸適體優異的靶向性和結合能力提高了指紋成像的準確性、可靠性和分辨率，這類研究成果在刑偵領域具有很強的應用前景，也是一種以人民安全和社會安全為導向的教育素材[15]。學習此類具有社會應用價值的前沿知識，可以引導增強學生運用所學知識來解決社會需求的能力。在學習電位分析法部分時，我們介紹了指示電極的工作原理，同時重點介紹一些重金屬離子、農藥殘留物對于人民身體健康有著巨大危害，為了幫助檢測這些有害物質，基于核酸適體設計的生物傳感器能夠靈敏、準確地檢測這些物質，同時能夠以較低的成本進行運行，對解決國家和社會的檢測需求有著重要幫助。除了介紹已有的成果外，我們還應當讓學生看到核酸適體技術發展中存在的問題，從而讓他們思考如何運用自己的知識與能力來解決國家社會對核酸適體技術發展的需求問題。例如，核酸適體的檢測能力可以與抗體相媲美，同時核酸適體的合成非常簡便，因此開發基于核酸適體的檢測試劑盒對于疾病診斷、環境監測等領域具有非常重要的意義。但是目前可實際使用或者商業化的基于核酸適體的檢測試劑盒卻非常少，我們應當在分析化學課堂中啟發學生思考這一現象背后的原因，例如已經篩選得到核酸適體的生物分子種類有限，核酸適體與目標分子的結合受到離子濃度、溫度等因素的影響，為實際臨床樣品的檢測帶來很大的挑戰等等，讓學生們嘗試提出合理的解決方案，同時幫助他們進一步深入了解核酸適體和分析化學領域的前沿進展。這不僅是知識的學習過程，也可以讓學生意識到國家社會需求與實際科研過程存在的諸多矛盾，為他們日后致力于科研攻關方面打下了良好的思想基礎。

除了一般性的課堂內容，在實驗部分我們還采取了科普的方式，回歸到理論知識的學習。在學習儀器分析中高效液相色譜的使用時，我們讓學生嘗試了使用色譜柱對核酸適體功能的化療藥物進行純化，分析了基團修飾對于保留時間的影響，以此為基礎我們還在課堂上簡要補充了核酸適體功能化藥物的研究進展，作為課堂的穿插興趣內容。一些化學藥物的合成也是生物醫學領域面臨的重大挑戰，核酸適體功能化的化療藥物在癌癥的靶向治療方面有著巨大的應用前景。在分析化學課程中，通過向學生介紹核酸適體功能化的藥物如何攻克癌癥問題，可以給他們樹立“論文寫在祖國大地上”的重要理念，讓學生能夠立志在未來進行相關科研工作來解決國家和社會的實際需求。通過介紹這些關于核酸適體的研究案例及其重要社會意義，不僅激發了學生的學習興趣，學生們表示課堂的趣味性較高，同時還讓他們了解到了所學知識是如何與國家、社會需求相銜接的。這些內容不僅是很好的愛國教育素材，也能為他們的學習提供動力，學生們在課堂上也紛紛圍繞國家與社會需求各抒己見。

2.2 培養學生的社會責任感

在分析化學教學中引入前沿學術和應用成果可以為學生樹立正確的學習目標，另一方面也可以培養他們良好的社會責任感，培養“心憂天下，敢為人先”的精神。在生物分析化學的細胞分析化學章節的學習中，我們有詳細介紹微電極實時動態檢測單細胞，并進一步引入了核酸適體技術在細胞成像、分子成像中的研究進展，在課件中詳細展示了我們課題組的一些實驗數據，包括使用共聚焦顯微鏡拍攝的高清細胞成像圖片，讓學生非常直觀地了解和對比核酸適體功能化的納米材料在成像領域的巨大優勢，這讓他們深入領會到前沿知識對于人民與社會有著非常重要的意義。近年來癌癥的發病率不斷增高，但高額的治療費用以及巨大的副作用使得癌癥患者飽受煎熬。核酸適體功能化的化療藥物，能夠精準靶向癌細胞，不產生毒副作用，同時核酸適體的合成過程簡單、成本低，對于緩解癌癥患者的身體和經濟負擔有著巨大幫助[12,16]。作為課堂外的科普內容，我們在上述核酸適體技術用于成像的前言部分介紹了全球的癌癥治療現狀，以及在成像后續的教學內容中介紹了核酸適體功能化化療藥物的應用前景，與成像技術并用為癌癥治療提供新的解決方案，“相比于傳統化療藥物，經過核酸適體功能化后藥物的副作用大大減小，并且能夠在腫瘤組織高濃度富集，這使得化療藥物的效果大大提升”，我們還播放了相關網絡視頻作為興趣導入，使學生全方位了解核酸適體技術在癌癥的診斷和治療中的重要作用。經過這些內容的學習，學生們表示要勇于肩負起社會重擔，把解決社會實際問題、人民問題作為自己的學習目標，培養自己良好的社會責任感。

在核酸的學習章節和分子發光分析的學習章節中，圍繞本次新冠疫情，我們也介紹了許多基于核酸生物檢測的相關研究內容。新冠病毒的檢測與核酸擴增和序列分析學習內容緊密相關，我們在核酸章節布置了課堂作業，讓學生調研了解聚合酶鏈式反應(PCR)技術如何在新冠病毒檢測中發揮作用，包括檢測原理、為什么會存在假陽性等，并進行作業評分。在上述學習章節中還特別介紹了此次湖南大學化學化工學院師生積極將核酸檢測技術運用到海關新冠病毒的實際檢測當中，還開展了一系列靶向新冠病毒的核酸適體篩選研究，體現了高校學生所需要的社會責任感，學生們對自己母校的社會責任擔當有了深刻的認識。國內其他高校的一些研究成果也當作教學案例用于培養學生的社會責任感，在課堂的討論環節介紹了廈門大學研制的新冠病毒抗體檢測試劑盒能夠在30分鐘內給出檢測結果，大大提高了一線醫療機構的檢測效率。學生圍繞這類研究與社會責任感之間的聯系進行了交流，以分組匯報的形式對分析化學工作者承擔的社會責任進行討論，討論內容選題有：核酸適體檢測新冠病毒的原理及其優勢、核酸適體在癌癥早期診斷中的研究成果、核酸適體在污染物檢測中的應用等多個方向，并且最后由教師對各個組的報告進行點評，總結這一系列案例是如何體現分析化學工作者積極承擔社會責任的。

除了課堂教學外，我們還引入了一些現場考察的學習內容，讓學生與取得實際應用的分析化學技術更加近距離地接觸，全方位了解分析化學、核酸適體技術在攻克前沿重要難題中的作用。在生物分析化學的學習結束后，我們要求學生到我校分子科學與生物醫學(MBL)實驗室進行參觀學習，讓他們了解了我校科研平臺的建設情況，包括大型儀器以及論文發表情況，向他們介紹了譚蔚泓院士在核酸適體攻克癌癥方面的研究成果和臨床應用情況，特別是在醫院臨床應用和產業化成果方面的進展，并讓他們圍繞此次參觀撰寫心得感想作為平時成績計分，并鼓勵他們在本科階段積極參與到科研工作當中，可以選擇合適的導師加入到MBL的科研團隊當中。我們團隊曾帶領過本科生和研究生圍繞核酸適體的檢測項目進行大學生創新創業訓練計劃，讓學生用科研創新的方式承擔社會責任。這類活動讓學生清晰地認識到我們現有核酸適體技術對于社會生產、人民生命健康有何重要意義，進一步加強他們的社會責任感，對于思政教育有著非常重要的意義，同時使課堂更加具有人文情懷[17]。此外積極鼓勵學生進行科研活動，有利于發揮他們的才智來實現社會價值，也是培育社會責任感的有效手段。以核酸適體為載體的前沿技術和應用成果的引入，對于強化學生的社會責任感有著很好的理論和實際指導作用，為培育有責任、有擔當的高素質的分析化學人才提供了有力的幫助。

2.3 培育學生良好的科學精神和品德品質

分析化學前沿學術和應用成果來自于科學家們的勤勉付出和一絲不茍的科研精神，通過學習這些知識，并了解背后科學家們所經歷的故事、肩負的使命、研究的過程，可以為學生樹立良好的科學榜樣，讓他們培養科研中勤懇踏實、精益求精的精神和品質[10]。在分析化學的最后兩個課時學習中，我們介紹了譚蔚泓院士等分析化學家求學期間的學習成長經歷，圍繞他們在核酸適體領域做出的科研成果，要求學生在課堂上圍繞這些背景進行討論交流，一方面可以讓學生了解核酸適體、生物分析等前沿領域的基礎知識和科研成果，還能幫助學生樹立正確的學習和思想觀念，有利于提升他們自主學習的自覺性。在該內容的授課中，我們脫離了傳統的知識型授課模式，以講故事和課堂討論的方式講述了譚蔚泓院士的求學經歷。譚蔚泓院士在知青下鄉期間，曾被勸說放棄高考，但譚院士并沒有就此放棄，而是白天照常出工參加勞動，晚上則努力復習，最終考上大學，為后來的科研經歷打下了堅實的基礎，并在國外留學期間取得了重大科研成果，開發出了核酸適體細胞篩選的重要技術。他的奮斗經歷和科研經歷對于培養學生熱愛學習、頑強拼搏的品質有著重要的啟發意義，學生們在課堂上也紛紛踴躍發言表示要學習譚院士的奮斗精神，要在自己的學習經歷中將其落實。在分析化學課堂上，我還邀請過湖南大學的優秀博士生、國家獎學金獲得者作關于自己科研經歷和成果的報告，他們在分子醫學、功能核酸領域有著深入研究，學生對這些報告的內容以及報告人的學習經歷深有興趣，現場提問踴躍，激發了他們科研探索、勇攀高峰的科學精神，為以后走上科研道路奠定一定的思想基礎。為了幫助學生成長，湖南大學化學化工學院還為本科生設立了導師制，我作為本科生的培養導師，會讓他們進入實驗室一線了解我們課題組在分析化學、生物分析化學領域的科研進展，讓學生親手進行細胞培養和核酸適體篩選的實驗，同時也會給他們安排文獻學習和文獻匯報的任務，讓他們在分析化學實驗和閱讀核酸適體相關文獻的過程中培養他們不懼困難、敢于挑戰的精神，以及良好的學術道德品質。在未來的分析化學教學中也應積極探索如何把科研工作融入到本科生的分析化學教學當中，從而培養他們的科研能力和學術精神。

3 結語

分析化學是化學科學的重要組成部分，對于科學進步、社會發展有著重要的影響，培養一批高素質的分析化學人才是當前高校建設當中的一個重要課題和難題。盡管過去的分析化學教學模式已經取得了相當大的成功，但隨著科技發展以及學科的發展，越來越多的問題在教學當中出現，特別是思想教育環節在分析化學教學當中的缺失沒有得到足夠的重視。這些問題包括教學方式與國家和社會需求相脫節，在教學時沒有很好地培養分析化學人才的社會責任感，以及對于學生在分析化學學習、研究方面的德育教育還不夠深入，因此對分析化學教學的內容和模式進行改革是當前一個需要討論的內容。以核酸適體為載體的前沿技術和應用成果在分析化學教學中具有諸多好處，可以幫助提升學生的基本素質，更為重要的是能夠在思想教育方面發揮重要作用。經過我們教學團隊的教學實踐證明，以核酸適體為載體的前沿技術和應用成果可以激發學生對于我國科技進步的自豪感，培養愛國主義精神，還能將學習內容、學習目標與社會、國家需求相銜接，能夠通過了解核酸適體技術對分子醫學、人民健康的重要影響來培養學生的社會責任感，還能用前沿優秀分析化學家們的事跡來培養學生良好的科學精神和塑造品德品質。以核酸適體為載體的前沿技術和應用成果的思想教育作用對于提升學生的精神境界、思想情懷、學習動力具有重要意義。因此，把以核酸適體為載體的前沿技術和應用成果深入淺出地引入到課堂教學當中，是解決傳統分析化學教學當中一些問題的重要手段，未來還需要進一步深入探討相關教學改革的方法，使以核酸適體為載體的前沿技術和應用成果更好地服務于高校的分析化學教學和高素質人才培養要求。