醫學生單細胞轉錄組測序分析課程的教學探索

林長松，邵嬌芳，武 劍

（南京醫科大學 江蘇 南京 211166）

在當今醫學領域，隨著高通量測序技術的迅猛發展，單細胞轉錄組測序已成為研究復雜生物系統和個體差異的強大工具。單細胞轉錄組測序技術的應用不僅幫助我們理解疾病的發生機制和進展過程，還有助于揭示個體細胞之間的異質性和亞群表達特征，實現對單個細胞基因表達的高分辨率測量，為精準醫學的實現提供了新的可能性[1]。

了解和掌握單細胞轉錄組測序技術的原理和應用，對于醫學生增強科研能力和臨床實踐具有重要意義。通過單細胞轉錄組測序分析，我們可以深入了解疾病發生過程中細胞的表觀遺傳和轉錄調控變化，從而發現新的生物標志物和靶向治療策略。

然而，盡管單細胞轉錄組測序技術在醫學研究中具有廣闊的前景，但其復雜的數據處理讓學習者望而生畏。對于醫學生而言，學習和應用這一技術需要深入理解其原理、方法和數據分析流程，同時也需要解決實驗設計和結果解讀等方面的問題。因此，針對醫學生的單細胞轉錄組測序教學的探索變得尤為重要。

1 醫學生在學習單細胞轉錄組測序時面臨著一些特定的挑戰和需求

單細胞轉錄組測序作為一門復雜的技術，涉及許多先進的實驗方法和數據處理技術。因此醫學生需對這兩方面具有深入的理解和充分的認識。

首先，醫學生需要了解和掌握單細胞實驗設計的基本原則和技術要點，包括合適的樣本采集方法、細胞分離技術和質量控制等方面的知識。

其次，醫學生需要具備復雜數據處理和分析的能力。單細胞轉錄組數據通常是大規模的高維度數據，對于醫學生來說，需要學會數據清洗、標準化、降維和聚類等分析步驟，以從復雜的數據中提取有意義的信息[2]。除統計學之外，醫學生還需掌握機器學習和生物信息學等領域的基本概念和方法，增強對數據的綜合運用能力。

然而，傳統教學模式往往無法充分展示和解讀這些復雜性，學生可能僅僅停留在表面知識的掌握，而無法真正理解單細胞轉錄組測序的核心概念和實際應用。這導致了學生對該技術的感知能力不夠強，無法準確把握其在生物學研究中的重要性和潛在的創新機會[3]。

因此，本文將探討通過選擇合適的教材，強化理論教學，引入實踐環節，實行 “多媒體教學、項目驅動學習、合作學習” 等教學方法，對課程進行探索和改革，以滿足醫學生在學習單細胞轉錄組測序時的需求并使其應對挑戰。

2 緊扣臨床案例，精選教學內容

2.1 教材選擇

目前單細胞轉錄組測序領域方面的教材數量很少，我們選擇科學出版社2021 年出版的《單細胞測序方法和應用》作為授課材料。另外測序公司的資料，如杭州聯川生物技術股份有限公司推出的《單細胞轉錄測序一本通》和廣州基迪奧生物科技有限公司推出《單細胞測序完全解析》，也將作為輔助學習材料。

2.2 理論課教學內容

在選擇理論教學內容時，應根據學生的背景和研究方向進行調整，確保內容的可理解性和實用性。通過系統而全面地介紹理論知識，學生能夠建立起對單細胞轉錄組測序技術及其應用的全面理解，并為他們的研究和實踐奠定堅實的基礎。

①基本原理和技術流程。首先，需要介紹單細胞轉錄組測序的基本原理和技術流程。學生需要了解單細胞轉錄組測序技術獲取和分析單個細胞的轉錄組信息的方法，包括細胞采集、RNA 提取、測序和數據處理等步驟。

②數據分析方法。學生需要學習并掌握常用的單細胞轉錄組數據分析方法。這包括聚類分析、細胞亞群鑒定、差異表達基因分析、軌跡推斷和細胞互作網絡分析等。通過重點講解這些方法的原理和應用，并教授相應的數據處理方法和軟件，提高學生的數據分析能力。

③細胞異質性和表達動態。單細胞轉錄組測序技術的一個重要應用是揭示細胞群體的異質性和表達動態。教學中應當強調細胞群體的異質性來源、細胞狀態轉換的機制以及它們在生理和病理過程中的意義。

④單細胞轉錄組與疾病研究。講解單細胞轉錄組在疾病研究中的應用，包括單細胞轉錄組測序技術在癌癥、免疫學、神經科學等研究領域的案例，以及通過單細胞轉錄組揭示疾病發生和發展的分子機制[4]。

⑤數據可視化和結果解讀。單細胞轉錄組測序數據通常是高維度和復雜的，因此學生需要學習如何將數據可視化，以便更好地理解和解讀結果。教學中應該介紹數據可視化工具和方法，幫助學生有效地展示和解讀單細胞轉錄組測序數據。

⑥倫理和數據安全。學生需要了解在處理人類或動物樣本時應遵守的倫理準則和隱私保護規定，以及妥善處理和存儲單細胞轉錄組測序數據的方法。

2.3 實踐課內容

實踐課程的內容包括實驗操作和數據分析兩個部分。在實驗操作部分，學生將進入實驗室進行腫瘤組織的消化和分選操作。通過這個實驗，學生將親自操作細胞解離實驗，掌握解離細胞的方法和技巧，同時了解細胞狀態對后續實驗和數據分析的影響。

在數據分析部分，學生將面對前期實驗得到的腫瘤組織單細胞測序數據。他們將綜合運用生物信息學工具和分析方法對這些數據進行解析，其中應重點關注腫瘤免疫微環境的分析，探索其中潛在的規律和機制。通過分析細胞類型、表達模式、免疫相關基因等，學生將深入理解腫瘤發展過程中的免疫調節和相互作用。

該實踐課程旨在讓學生通過實驗操作和數據分析，全面了解單細胞轉錄組測序在腫瘤研究中的應用。學生將從實際操作中獲得寶貴的實踐經驗，同時培養數據分析和解讀的能力。這將幫助他們更好地理解和應用單細胞轉錄組測序技術來探索腫瘤發展的規律和機制。

3 “多媒體教學、項目驅動學習、合作學習” 教學方法

3.1 靈活運用多媒體教學方法

多媒體在單細胞教學中發揮著重要的作用，可提供豐富的視聽效果，增強學習的互動性和可視化效果。教師可通過使用幻燈片和演示文稿，展示單細胞轉錄組測序的基本原理、技術流程和數據分析方法。這種方式通過圖表、圖像和文字的呈現，有助于學生更好地理解和記憶相關概念與步驟。此外，教師還可通過制作和播放教學視頻和動畫來生動展示單細胞轉錄組測序實驗操作和數據分析過程，從而幫助學生更好地理解、模擬實驗并正確解讀結果。為了讓學生熟悉實驗步驟和數據分析流程，教師還可使用虛擬實驗室軟件或在線模擬平臺，讓學生進行單細胞轉錄組測序實驗的虛擬操作。這種模式可以讓學生提前掌握實驗技巧和策略。同時，數據可視化工具也可被用于將單細胞轉錄組測序數據轉化為可視化圖表和圖像。學生通過交互式的數據可視化界面，深入理解細胞群體的異質性和表達特征，探索和解讀復雜的數據模式和差異。除了在線教學平臺和資源，如網頁、博客和論壇提供的單細胞轉錄組測序教學材料、案例分析和學習資源外，學生還可以根據自己的進度和興趣進行學習，并與教師和同學進行討論和交流。此外，可通過交互式學習工具，例如在線測驗、練習題和模擬實驗操作，激發學生的主動性并檢驗知識掌握程度。多媒體教學可為學生提供直觀、生動和互動的學習體驗，這些多媒體應用可以增強學生的學習效果、提升對單細胞轉錄組的理解，并培養他們的數據分析和解讀能力。

3.2 項目驅動學習：從臨床案例中學習真實技能

項目驅動學習在單細胞教學中具有重要的應用價值，可以幫助學生將所學的知識和技能應用于實際的單細胞轉錄組測序項目中。以下是項目驅動學習在單細胞教學中的應用方式：

①設計真實案例項目。教師可以選擇具有重大臨床意義的單細胞轉錄組項目，將學生分為小組，要求他們自行設計和實施相應的實驗并進行數據分析。學生需要運用所學的單細胞轉錄組測序技術和方法，解決實際生物學問題并得出結論。

②數據收集和處理：學生可以參與單細胞樣本的解離、細胞捕獲和測序等實驗操作。在數據處理階段，他們需要運用所學的生物信息學工具和編程技巧，對原始數據進行質量控制處理，以進行后續的分析步驟。

③數據分析和解讀。學生需要學習和應用單細胞轉錄組數據分析方法，從單細胞轉錄組測序數據中挖掘有意義的生物學信息，并探索細胞群體的異質性和表達特征，尋找潛在的生物學意義和機制。

④結果呈現和討論。學生應當準備項目報告或展示，以呈現他們的實驗設計、數據分析和結果解讀。在小組或整個班級的討論中，他們可以與同學和教師共同分享經驗和討論結果，從中獲得反饋和改進。

學生通過項目驅動學習獲得實際的單細胞轉錄組測序項目實踐經驗，并將課堂學習應用于真實場景中。這種實踐性的學習模式可以激發學生的興趣和動力，培養他們的問題解決能力、團隊合作能力和科學思維[5]。

3.3 合作學習：培養學生的團隊意識

在開展項目驅動學習的過程中，團隊合作將提供一個相互支持和協作的環境，促進學生之間的合作與交流，提升學習效果和綜合能力。以下是合作學習在單細胞教學中的應用方式：

①小組項目。將學生分成小組，共同合作。每個小組成員承擔不同的任務和角色，例如實驗設計、數據分析、文獻調研等。小組成員之間需要緊密合作，共同解決實驗和分析中的問題，并分享經驗和結果。

②合作學習和反饋機制。安排學生進行定期的小組討論、研討會或輪流進行項目進展報告，就課堂學習、實驗設計和數據分析等方面進行交流和分享。學生通過與其他同學和教師進行深入討論和交流，拓寬思路和視野，促進彼此之間的學習和成長[6]。

學生通過合作學習能夠從不同角度和經驗中獲益，教師在合作學習中起到引導和促進的角色，他們可以提供必要的支持和指導，確保學生能夠充分參與和獲得有意義的學習體驗。

4 展望

隨著單細胞轉錄組測序數據的不斷積累和豐富，如何讓醫學生更好地應對和利用大規模數據分析成為一個重要挑戰。未來的教學可以從多方面展開。第一，整合多學科知識，培養學生跨學科的思維和綜合能力。第二，關注技術創新和方法發展，介紹最新的單細胞轉錄組測序技術和方法。第三，聚焦細胞圖譜的構建與應用，教授細胞圖譜數據庫的利用和分析。第四，培養數據共享與合作的意識，引導學生加入開放科學的行列。通過不斷探索和創新，醫學生單細胞轉錄組測序教學將培養更多具備研究能力的學生，推動單細胞轉錄組測序技術在醫學研究和臨床實踐中的應用。