药学专业开设组织工程课程的探讨

余青桐

江苏大学药学院 (镇江 212013)

传统药剂学知识体系陈旧，更多偏向于应用，而对于想在该专业继续深造的学生来说，由于该课程知识体系过于单一，导致其研究选题困难。近年来，药剂学的发展突飞猛进，尤其是以纳米制剂、生物材料为依托的现代药剂学更成为未来药剂学的发展方向。2013年，江苏大学药学院面向本科生及研究生开设了现代药剂学这一课程，基本满足了一部分学生对基础研究的渴望与需求。而其中的组织工程与药物传递章节更引起了学生浓厚的兴趣，但由于这些学生相关知识的缺乏却又导致其学习盲点的不断增加。为解决学生对相关知识的渴求与相关课程缺失的矛盾，笔者借鉴了哈佛大学2005年开设的组织工程微课程相关思路，于2016年开设了组织工程学课程，取得了比较满意的成效。

1 组织工程学课程开设背景

哈佛大学医学院于2005年启动的组织工程微课程项目依托于其多学科交叉融合的教学与科研成果及强大的实验平台，创造出一系列针对生物医学最新进展进行快速反应的课程体系，以满足研究生和博士后的科研需要[1-2]。组织工程学主要围绕组织工程三要素，即种子细胞、生长因子、生物材料开展研究，既相对独立，又融合统一，知识体系繁杂且难度较大。根据本院学生已有的知识体系，笔者以组织工程三要素为中心，以各要素在药学领域中的应用作为切入点，开展教学工作。

为何要在药学专业开设组织工程课？首先，医药不分家。药学领域里的所有成果都将为全人类的健康事业服务，而组织工程则开辟了再生医学这一全新领域，承载了人们对于组织修复、再生的梦想。但这一崭新领域尚未和药学领域产生良好的相互作用，急需药学类人才为此努力。其次，作为一门新兴学科，组织工程特有的多学科交叉融合以及新颖的思维视角和广阔的应用前景可以丰富学生的知识体系，拓宽视野，激发他们的学习热情，甚至可以培养出一批具有医学、药学及生物学专业知识背景的复合型人才。

2 课程设置和培养目的

在药学专业开设组织工程这门课程，教师首先要明确课程目标定位问题。即授课对象和教学目标。根据本院学生已经具备的知识体系和自身的潜在需求，目前，该课程设置为本科生选修课，研究生必修课。主要教学目标包括：让学生了解组织工程的意义；培养学生的组织工程思维，即三要素融会贯通的能力；通过组织工程应用介绍，让学生了解药学专业与组织工程的联系，拓展自己的知识面，从而更好、更全面地进行职业规划。通过教学方式的创新，让学生适应翻转课堂，综合提高学生的科研素养。

对于课程内容，笔者借鉴了本校医学院组织工程与干细胞课程，根据学院实际的情况作出了部分调整。在第一章绪论部分，课程介绍了组织工程的发展历程、实际应用前景以及面临的问题与挑战，并列举最新应用加以说明。第二章种子细胞部分，教材依然从种子细胞的种类、性质、基本要求和常用获取方法以及培养技术入手，全方位普及种子细胞这一核心要素的相关知识。值得一提的是，相较于医学院对这一内容的教学设计，本课程加入了肿瘤细胞相关知识。传统的组织工程主要涉及具有再生能力的细胞，这也符合组织工程的应用原则，即构建再生能力强大的3D移植物修复组织损伤。然而，对于药学生来说，抗肿瘤药物的筛选及活性评价是一个重要的研究方向，而基于肿瘤细胞/生物材料/生长因子体系构建的肿瘤类器官研究已被初步应用于天然抗肿瘤成分的筛选、抗肿瘤药物药效及安全性评价。虽然肿瘤类器官并不是传统意义上的组织工程移植物，但其符合组织工程的构架体系，且对于药学生来说具有一定的科研指导意义，并拓展了组织工程技术的应用范围。第三章生长因子章节，课程介绍了生长因子的定义，即诱导细胞增殖，分化的蛋白类物质，并举例加以说明。然而，近些年研究表明，许多中药来源的非蛋白类天然产物亦有此功能，能诱导细胞增殖及分化，或能够直接作用于生物体，诱导受损的组织再生。这类因子广泛存在于传统中药材的活性部位。通过对该章节的补充，教师向学生传达了“再生药物”这一全新理念。第四章组织工程支架及其构建技术，课程综合了药剂学、工业药剂学、高分子材料等多门药学专业课程中的相关内容，将学生所熟知的一些材料融入组织工程体系中进行重点介绍，从而将学生固有知识体系与组织工程进行有机结合。第五章为组织工程化的组织及器官的构建。通过前几个章节的学习，学生已经初步具备了组织工程思维，他们可以从三要素的角度考虑构建策略。因此，虽然本章节内容较多，涉及多种组织及器官的构建，但是策略相似，对于学生来说难度较小。本章最后内容则与精准医疗相结合。目前，国外相关实验室已开展类器官芯片研究，即将病人来源细胞以组织工程手段构建成多种类器官(如：肝、肾、脑)并集成于微流控芯片上，该芯片可模拟药物在人体内的代谢途径，对药物作用进行初步评价，从而指导临床医生对病人进行精准、合理地用药。虽然该类芯片尚处于临床前研究阶段，但不难看出，其将成为未来药物临床前研究的重要环节。可以预见，该类技术将极大缩短实验室与临床研究间的距离，提高药物研发的成功率。第六章为药物制剂开发与组织工程研究，该章节内容主要阐述一些药物剂型在组织工程中的应用。如脂质体、纳米粒、基因载体等。本章笔者增加了3D打印技术与药剂开发的相关知识。3D打印技术不仅是一类新型的组织工程构建方法，还可用于药物的个性化定制，具有良好的应用前景。

针对不同专业的学生，本课程授课侧重点也有所不同。如药剂学、制药工程专业的学生应着重了解组织工程中生物材料的制备及其与传统药剂学之间的差异和联系。药学、中药学专业学生在学习完本课程后能够对生长因子这一要素形成新的认识，并结合自身专业知识拓展生长因子的门类。药理学、中药药理专业的学生应着重研究生长因子对不同种子细胞之间的药理作用差异及作用机制。此外，所有药学生均应了解市场上的组织工程产品及其潜在的应用价值，并将所学知识融入未来的产品开发中。如天然产物中的细胞生长因子，天然生物材料的提取，人工合成生物材料的制备等。

近年来，组织工程发展突飞猛进，相关成果不断引起业内轰动，这也给该课程的教学工作带来了极大的挑战。在坚持基础理论不动摇的同时，笔者不断更新教学理念及课程内容，介绍最新组织工程应用实例，与药学相关专业相结合，有的放矢地将教学内容授予学生。例如，第三章生长因子中，“再生药物”这一理念得到了初步诠释。随着科学的发展，多种非蛋白的小分子物质已被证明可以有效实现终末分化细胞向干细胞转分化，或实现两种不同种类的终末细胞之间的转化。这些最新的科研进展极大地丰富了生长因子的科学内涵。此外，教学中笔者还注意与思政相结合，教师在专业课教学中应加强学生对职业伦理、道德的认知。例如，基因编辑婴儿事件就是典型的科学伦理道德的丧失表现。学生应从中吸取教训，不能一味地追求科学而丧失了做人的底线。此外，笔者通过对胚胎干细胞使用时的伦理限制以及诱导多能干细胞(iPSCs)的研发历程介绍，笔者让学生明白，不违背伦理道德，研究者依然可以通过技术革新突破研究瓶颈。中医药文化是我国传统文化的重要组成部分，在生长因子这一章节中，笔者通过阐述中药来源天然产物对组织工程发展的促进作用，培养学生对祖国中医药文化的认同与尊崇，建立文化自信。

3 教学模式创新

在教学的过程中，笔者将科研工作中常用到的Seminar研讨式教学模式应用于师生的课堂互动当中，将传统的以教师为中心的讲授型课堂转变为以知识点为中心，以学生为主体的师生互动型课堂[3- 4]。此外，鉴于药学院自身的学科优势，依托于学院拥有的组织工程、基因/药物传递实验室，笔者在教授知识点的同时，拍摄了大量的组织工程相关素材，整理成多媒体课件或者微课，让学生对知识点有了更深层次的认识。PBL(problem-based learning)教学模式[5]是以自我学习和小组讨论来组织学生学习的方法。通过实验和医药学科研中的重点问题在组织工程学课程中重新构建和情景再现，笔者引导学生查阅相关文献，进行分组讨论，最后得出解决方案。例如针对“种子细胞应具备哪些性质”这一问题，学生被分为若干小组，每一小组讨论在特定组织中的种子细胞应具备的性质。比如第一小组讨论组织工程心脏中种子细胞应如何选择，选择依据又是什么；第二小组讨论骨组织中种子细胞应如何选择，应具备哪些条件；第三小组讨论皮肤组织中的种子细胞应具备什么性质，为什么等等。通过小组讨论，各小组长总结汇报，组员进行补充，从而提出最佳方案。值得一提的是，讨论的过程会暴露一系列问题。例如自信心不够，组员分工不明确，工作参与不积极，汇报时逻辑不够清晰，文献研读不够透彻等。然而，随着不断训练，各小组的汇报进步显著，除了语言流畅，思路清晰外，所参考的文献也能实时更新，并能够深度研读。可见，该过程能够有效地培养学生的团队协作能力，为他们今后走上工作岗位打下基础。

此外，对于研究生，笔者还会设计一系列教学情境，拟通过科研人员的第一视角，引导学生去思考、解决科学问题[6]。例如在介绍完神经组织工程这一章节以后，笔者会将“如何修复神经损伤”这一问题作为课外作业布置给学生，要求学生以小组为单位给出设计方案，在下一节课进行PPT汇报，并讨论各种方案的优势和劣势。从学生讨论及汇报的内容上看，学生已经充分掌握了课程所要求的教学目标，例如神经干细胞、诱导多能干细胞、自体嗅鞘细胞、雪旺细胞等作为种子细胞修复神经损伤；调节神经损伤部位的免疫微环境诱导内源性神经损伤修复；M2型小胶质细胞的输入治疗；间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)治疗脊髓损伤最新进展；MSCs外泌体经鼻给药治疗神经损伤研究。除了包含教学内容中神经组织工程的大量信息外，还有很多创新性方法课堂上并未涉及。例如植物来源的细胞支架在外周神经系统当中的修复作用研究；3D生物打印技术在神经/血管网络重建方面的应用等。教师在听完学生的汇报后教师应适时做出点评。在课程的最后，留给学生一次作业，主题为组织工程的未来发展趋势，内容不限，让学生进行自由论述。从上交的作业情况来看，不少学生都具有一定的创新思维，这同样为笔者带来了新的科研思路。

4 前瞻性思考

在这几年的教学过程中，笔者深刻体会到还有很多问题有待解决，也有很多不足之处需要改进。首先，是教材问题。组织工程学创立于20世纪80年代，是由美国科学家Robert Langer和Joseph P.Vacanti教授首先提出并在美国Science期刊发表相关研究成果。而科技发展日新月异，组织工程研究也步入了快车道。国内同行也做出了巨大的贡献，并不断缩小我国与发达国家的差距。然而，现有的组织工程教材普遍适用于医学相关专业，可以自然融入医学院学生的知识体系当中，但对于尚不具备医学背景的药学生来说难度颇大。目前，笔者上课的资料主要来源于多本相关教材的节选、国内外组织工程研究以及本学院相关课题组的研究成果。笔者设想，在前期教学工作的基础上，根据本院的办学特色和课题组研究方向，编写具有学科交叉特色，能及时反映最新研究成果的《再生药物》教材，并根据研究进展不断整理更新。其次，现有的课程还不够细化，笔者发现，往往一个简单的组织工程概念，例如细胞培养、支架制备等基本的操作，对于药学院专业学生来说依然很抽象，但为本门课程专门开设相关实验课难度较大。为此，笔者利用学院自身实验室以及学科优势，拟编写《组织工程与药物转运实验手册》并制作一系列组织工程实验相关微课，包括细胞培养及传代、壳聚糖凝胶支架的制备、拟胚体的制备、动物来源脱细胞支架的制备、3D生物打印含细胞水凝胶等，拉近实验室与课堂的距离。此外，笔者还拟邀请医学院研究生一同参与研究生讨论课，进行跨专业深层次的探讨。

纵观世界组织工程的发展，离不开多学科的交叉融合[7]。高层次的深度学科交叉融合已成为科学发展的必由之路，也是产生新学科领域及科学成果的强大动力[8]。研究生教育是我国高等教育的最终阶段，而研究生也是我国科研力量的后备军。笔者希望通过在本校开展组织工程课程的教学和教学模式的创新，对当今的高等教育，尤其是药学研究生教育开启新的探索。学科交叉及教学模式的全新探索，不仅提高了学生的课堂参与度和积极性，也让知识真正地被学以致用。研究生的课堂学习不再只是空泛的理论记忆，还能直接为今后的科研工作奠定理论基础和方向。学生在课堂上产生的思维火花，也有助于今后的科研选题及实验设计。与此同时，相关教师也应不断加强自身的理论修养，紧跟学术前沿，不断更新自己的知识储备；此外，教师也应积极改革教学模式，不但要做到线上线下同步教学，也应利用平时的课余时间录制适量的微课作为教学辅助，真正地实现翻转课堂的教学目的。因此，笔者希望通过这次的教学改革，能够吸引更多的教师及教学管理者加入教学改革的阵营，为培养医药-生物复合型人才做出贡献。