医学遗传学教学案例库建设实践

赵树华,王华伟

(昆明医科大学第一附属医院生殖遗传科, 昆明 650032; △通讯作者)

20世纪20年代,哈佛大学商学院提出了案例教学法并应用到教学中。该方法根据教学内容引入典型案例,提高了学生学习的主动性、积极性,有助于学生更深刻理解和掌握教学内容[1]。

医学遗传学涉及数千种疾病,包括单基因病、多基因病、染色体病、体细胞遗传病等。医学遗传科住院医师规范化培训(住培)要求完成数目异常性染色体病、微结构异常染色体病、遗传代谢病、皮肤系统、神经系统、骨骼系统、血液系统、眼科耳科疾病、肿瘤/癌症综合征9类共61种遗传病[2]。鉴于这些遗传病涉及学科多、发病机制复杂的特点,案例教学非常适合医学遗传学教学。多个研究表明,在医学遗传学教学中,案例教学法与传统教学法相比可取得更好的教学效果[3,4]。

目前,案例教学在医学遗传学教学中得到较为广泛的应用[4-6]。然而,多数教学案例由授课教师自行整理,缺乏系统性,不利于教学资源的整合。教学团队依据教学大纲,筛选和收集病例,并对病例进行拓展和加工,形成代表性强、内容完整的教学案例库。案例库不仅可应用于案例教学提升教学效果,还可用于学生形成评价和考核,是教学改革的重要研究方向。本文以努南综合症为例对医学遗传学案例库建设进行探讨。

1 课程案例库建设的必要性

医学遗传学是医学与遗传学相结合的交叉学科,通过研究人类疾病的发生发展与遗传因素的关系,提供遗传病和遗传相关疾病的诊断、治疗和预防的方法[2]。医学遗传科医师为患有遗传病的患者及其高风险人群提供综合诊断、治疗、风险评估和遗传咨询服务。医学遗传学涉及内容广泛,横跨多个学科,不论是理论知识、还是基础内容,都极具理论性、逻辑性和抽象性,是较难掌握的一门学科[7]。

随着学科的发展,医学遗传学逐步从一门基础学科转变为临床学科。2014年《卫生计生委关于印发住院医师规范化培训管理办法(试行)的通知》(国卫科教发〔2014〕49号)将医学遗传学列为住院医师规范化培训学科[2]。2020年,全国医学专业学位研究生教育指导委员会《关于调整优化临床医学专业学位领域设置的通知》,在临床医学专业学位下增列医学遗传学[8]。不同于基础学科,此课程的学习除需进一步提高理论水平外,更注重临床实践。而传统的教学模式重在知识点的掌握和理论体系的构建,不能满足研究生和住培教学需求。此外,医学遗传学涉及学科广、病种多,发病机制多样复杂,学生需要掌握大量的临床案例,才能胜任医学遗传学医师岗位。然而,由于我国医学遗传学专硕和住培培养起步较晚,基础较差,发展不均衡,学生培养过程中接触到病例种类少、代表性差,影响学习效果。建设高质量的教学案例库是解决医学遗传学研究生和住培教育案例缺乏,提高教学效果和学生岗位胜任力的重要途径。

2 案例库建设方案

2.1 案例库的建设框架

教师以遗传病类型和疾病系统进行分类。每一个案例包含基本信息、病史和检查、提出问题、参考答案、知识拓展等内容。案例库设置检索和筛选功能,可通过疾病名称、致病基因进行检索,也可通过遗传病类型、疾病系统、遗传方式等基本信息进行筛选,并能导出案例的问题和答案,方便教师和学生应用。

2.2 案例素材的收集内容

收集内容包括现病史、家族史、检查检验报告、典型病症图片等内容。

2.3 案例的筛选

筛选标准包括:①案例需具有遗传病的典型临床和病理特征。②教学案例需具有真实性,以临床实例为主,可在临床实例基础上进行拓展和加工。③案例的资料要完备,首选图片、影像资料完整的案例。

2.4 案例编写和入库

教师建立案例编写范文,主要分为三个方面:①基本信息:疾病名称、类型、疾病系统、主要临床表现、致病基因、遗传方式和发病率等;②病史和检查:现病史描述、家族史和家系图绘制、主要检查检验报告等;③问题和拓展:结合问题拓展知识,包括提出问题、参考答案以及发病机制、遗传诊断、遗传咨询、再生育风险、鉴别诊断等知识拓展。本文以努南综合征为例介绍案例编写方法。

2.4.1 基本信息 疾病名称:努南综合征(Noonan syndrome,NS);遗传病类型:单基因遗传病;疾病系统分类:生殖系统;主要临床表现:身材矮小,先天性心脏病,面部畸形,隐睾症,出血性倾向,骨骼畸形和轻度认知延迟同事物之间的内在;致病基因:Ptpn11、Sos1、Kras、Nras、Raf1、Braf、Shoc2和Cbl;遗传方式:常染色体显性遗传;发病率:1/1 000至1/2 500[9]。

2.4.2 病史和检查 现病史:患儿,男,12岁,因身材矮小来就诊。患儿足月产,出生体重3.5 kg,身长50 cm,自5岁起身高增长较慢。5岁时发现漏斗胸;6岁时因“肺动脉瓣狭窄、卵圆孔未闭合”行心脏修复手术。外院检查染色体核型为46,XY,12岁时骨龄符合10-11岁。

家族史:父母非近亲,面容正常,身高正常,没有兄弟姐妹,否认亲属中有症状类似的患者。

查体:血压86/49 mmHg,身长127 cm(<3%),体重24 kg(<3%),后发际线低,中面部扁平,上眼睑下垂,双耳位低,颈短且颈蹼可见,漏斗胸。

2.4.3 问题1与知识拓展 问题:根据临床资料,可能的诊断是什么?参考答案:根据患儿身材矮小(<3%),漏斗胸,有先天性心脏病,高度怀疑是努南综合征。

知识拓展1(诊断标准):努南综合征的诊断以临床特征为主。主要指标包括:①特殊面容;②心血管(肺动脉瓣狭窄和肥厚型梗阻性心肌病);③身高低于第3个百分位;④胸部畸形(鸡胸/漏斗胸);⑤家族史(一级亲属确诊患努南综合征);⑥其他(轻度发育迟缓、隐睾症和淋巴管发育不良)。次要指标包括:①暗示性面容;②心血管(其他新血管异常);③身高低于第10个百分位;④胸廓(盾状胸);⑤家族史(一级亲属可能患努南综合征);⑥其他(轻度发育迟缓、或隐睾症、或淋巴管发育不良)。诊断标准为:①特殊面容+1个主要指标;②特殊面容+2个次要指标;③暗示性面容+2个主要指标;④暗示性面容+3个次要指标[9]。

知识拓展2(临床表现):①特殊面容:特征性的面部外观是诊断的关键,主要表现为额头高,寡妇峰突出,后发际线低,头部相对较大;鼻子短而上翘;鼻根扁平,鼻尖宽阔;人中柱突出,上唇朱红色边缘有宽峰;耳朵位置低且突出,向后旋转;上睑下垂,睑裂向下倾斜,内眦褶皱等。随着年龄的增长,努南综合征的面部特征会变得不明显。②先天性心脏缺陷:努南综合征是先天性心脏病第二常见的综合征原因。最常见的表现是肺动脉狭窄(50%-60%)、肥厚型心肌病(20%)和继发孔型房间隔缺损(6%-10%)。87%的患者报告有心电图异常。③生长/身材矮小:努南综合征出生时体重和身高正常,但在儿童时期和青春期,身材矮小成为努南综合征的一个突出常见症状。83%的努南患者身高低于第3个百分位数,男性和女性的平均身高分别为161 cm和151 cm。④骨骼缺陷:95%的努南综合征患者存在胸部畸形,50%的患者患有肘外翻,30%的患者患有临床气管畸形。⑤出血性缺陷:凝血缺陷是努南综合征患者最常见的血液学疾病,65%的患者患有异常瘀伤或出血。其他血液疾病包括短暂性单核细胞增多症、血小板减少症和骨髓增生性疾病等。⑥泌尿生殖道:高达80%的努南综合征男孩患有单侧或双侧隐睾症,原发性支持细胞功能障碍导致男性生精功能异常,而女性的生育能力正常。此外,10%的努南综合征患者存在肾脏异常。⑦眼科:大约55%的努南综合征患者的眼科检查异常,主要表现为屈光不正、斜视、弱视和眼前节改变。⑧肿瘤:与普通人群相比,努南综合征患者患癌症的风险增加了3.5倍,主要包括血液系统癌症、胚胎性横纹肌肉瘤、颗粒细胞瘤、支持细胞瘤、神经母细胞瘤和神经胶质肿瘤等[9,10]。

2.4.4 问题2与知识拓展 问题:努南综合征需做哪些基因检测?参考答案:努南综合征是一种异质性疾病,以临床特征为诊断依据,所以其涉及突变基因较多。这些基因编码的蛋白主要参与RAS-MAPK通路调控。RAS-MAPK信号通路中的8个基因(Ptpn11、Sos1、Kras、Nras、Raf1、Braf、Shoc2和Cbl)突变导致NS或相关的疾病。医生可首先检测检出率较高的Ptpn11、Sos1和Kras三个基因[9]。

知识拓展1(突变检出率):Ptpn11(50%),Sos1(10%-13%),Raf1(3%-17%),Kras(<5%),Nras(0.2%),Braf(<2%),Map2k1(<2%),Shoc2(1.7%)[9]。

知识拓展2(致病机制):Ras/MAPK途径在发育中起着至关重要的作用,由胞外信号激活。结合胞外生长因子(如FGF)的受体通过与GRB2和SOS的结合将RAS募集到质膜上,这一过程受SHP2(由Ptpn11编码)正向调控及CBL的负向调控。被激活的RAS从结合GDP的非活性形式转换为结合GTP的激活形式,并激活蛋白激酶Raf(ARAF、BRAF和CRAF)。Raf是该途径的第一个MAPK激酶。Raf磷酸化并激活MAP蛋白激酶MEK1/MEK2,MEK磷酸化并激活ERK1/ERK2。ERK1和ERK2通过调控细胞核或细胞质内的大量效应因子调节重要的细胞活动[11]。

PTPN11:大约一半的努南综合征患者由Ptpn11突变引起。Ptpn11基因编码SHP2蛋白。SHP2是受体酪氨酸酶激活RAS的关键调控因子。Ptpn11中的突变破坏了SHP2催化失活形式的稳定性,使蛋白质从活性构象转换为非活性构象的能力降低,导致Ras/MAPK途径的信号传导增加[11]。

SOS1:SOS1的蛋白质产物是鸟嘌呤核苷酸交换因子,负责刺激RAS从无活性GDP结合形式向活性GTP结合形式的转化。Sos1突变导致氨基酸改变会减轻SOS1自抑制,导致该蛋白组成型激活[11]。

RAS家族:Kras突变一般通过降低自身蛋白的GTPase活性或者干扰RAS和鸟嘌呤核苷酸结合,抑制GTP水解为GDP,导致KRAS保持激活状态。Kras突变的NS患者的临床表型更严重,智力障碍更普遍。Nras突变较为罕见,一般认为其突变也是通过影响GTPase活性导致NS发生。Rit1突变导致ELK1的超激活,从而显著激活RAS-MAPK途径[11]。

RAF家族:RAF是RAS的直接效应因子,激活下游MEK-ERK级联通路。Raf1编码一种多结构域蛋白,具有丝氨酸苏氨酸激酶活性。RAF1非活性构象通过14-3-3蛋白二聚体维持,该二聚体通过磷酸化的Ser259和Ser621结合,使催化位点保持隐藏。相关位点的突变会影响丝氨酸磷酸化和二聚体维持,导致自抑制解除和信号持续激活。Raf1突变相关的NS与肥厚性心肌病密切相关(75%)。B-Raf与Raf1相比,突变率更低(<2%),突变主要集中在CR1和CR3区域,通过增强ERK激活导致NS的发生[11]。

2.4.5 问题3与知识拓展 问题:努南综合征呈常染色体显性遗传,父母无临床表现,为什么患儿患病?参考答案:努南综合症散发突变常见,可能是因新发突变导致。

知识拓展1(父系效应机制):努南综合征呈现显著的父系效应,表现在患者出生时父亲平均年龄高于男性平均生育年龄,几乎所有致病突变均来源于父源等位。Ptpn11的突变率也显著高于基因组平均突变率。据计算,Ptpn11最常见突变位点c.922A>G(p.Asn308Asp)的突变率是基因组平均A>G突变频率的2 400倍以上[12]。为验证该位点突变率高的原因是突变热点还是突变细胞增殖,研究者针对Ptpn11突变进行了睾丸解剖实验,将15名未受影响男性的睾丸分成192个大致相等的片段并测量每个睾丸片段的922A>G突变频率[12]。该研究发现,最年轻组(19-23岁)睾丸突变相对较少,平均突变频率和最大突变率都较低。而中年组(36-62岁)所有睾丸突变频率均较高,且突变成簇状存在。90%的睾丸块呈现低突变频率,而最大突变频率高于平均突变频率2个数量级。高龄组(68-80岁)呈异质性,一些睾丸与年轻组类似,其他睾丸与高龄组类似,可能因年龄依赖性细胞死亡导致。以上实验说明Ptpn11突变细胞成簇存在,提示Ptpn11突变导致精原细胞增殖。

精原干细胞的自我更新必须伴随着精原干细胞的分化以产生精子。STAT3信号在小鼠精原干细胞的分化过程中起着重要作用。在小鼠精原干细胞培养物中抑制STAT3活性可增加精原干细胞自我更新,但不会增加一般精原细胞的增殖。将这种精原干细胞移植到无生殖细胞的睾丸中时,它们增殖但不能产生正常精子,说明抑制STAT3可以影响SSC的不对称分裂。SHP2是STAT3的负调控因子。努南综合征中SHP2(p.Asn308Asp)突变可以增强该蛋白对STAT3的负调控作用。SHP2突变抑制STAT3信号通路可能导致干细胞产生对称分裂,使突变精原干细胞获得选择优势。研究者通过数学建模模拟了Ptpn11突变的生殖系选择机制,支持这一对称选择机制假说[12]。

2.4.6 问题4与知识拓展 问题:努南综合征如何治疗?参考答案:对于努南综合征,目前还没有有效根治的方法,以对症治疗为主。

知识拓展(指南建议):美国儿科学会的指南建议治疗如下[10]。

心血管疾病:患者需定期随访和评估,必要时进行手术治疗。初次评估没有心脏病的患者,也应该每5年进行检查和评估。

生长和内分泌问题:患者定期检测体重和身高,3岁前每年3次,之后每年1次,并绘制生长曲线。有生长减速的儿童(身高低于2个标准差),应该增加检测次数,优化营养,进行基线实验室检查,转诊给儿科内分泌医生。如患有甲状腺疾病,应定期进行甲状腺功能检测,对有青春期延迟迹象的儿童应转诊至儿科内分泌医生,进行干预治疗。

肾脏和泌尿生殖系统:肾脏患者在诊断时应进行肾脏超声检查,必要时定期检查。如果存在肾脏结构异常,会增加尿路感染的风险;对于肾积水和复发性尿路感染,可使用抗生素预防;如果睾丸未下降,则应在1岁之前行睾丸固定术。

胃肠道:针对喂养困难/反复呕吐,患者需进一步检查并通过抗反流药物或喂养管治疗,怀疑肠旋转不良时,进行手术干预。

血液系统:患者初诊时检查血常规、PT和APTT,6-12月后复查;对于有出血症状的患者应进一步检查凝血因子和血小板功能,需要时向血液科医师咨询管理出血风险。

神经系统:患者每年进行神经、认知和发育检查,如异常,则需进一步评估。如果言语、粗大运动和精细运动技能延迟,应进行早期干预计划;如果怀疑癫痫发作,则转诊至神经科;若有任何神经系统问题(头痛、虚弱、麻木、平衡不良等)和颅骨大小异常,则进行大脑和上脊柱MRI检查。如果MRI发现局灶性/突发性神经系统体征,则行进一步磁共振血管造影检查。

眼睛和耳朵:患者初诊时应全部检查,至少每2年进行一次眼睛检查,每年一次听力测试。注意耳朵感染的管理,以最大程度地减少听力损失。

骨科和牙科:患者每年进行胸部和背部检查,如果异常,进行胸片检查。每次就诊时进行口腔检查。

知识拓展2(遗传咨询):努南综合征是一种常见常染色体显性遗传病,家族性和散发病例均常见。如果父母一方受累,则再生育患儿风险为50%,患者与正常配偶生育患儿的风险也为50%。明确致病突变后,可行植入前遗传学诊断或产前诊断。如果先证者父母未受影响,则再生育风险较低。然而,考虑到散发NS具有很强的父系效应,发病率与父亲年龄相关,生殖系新发突变率高,且约1%-5%的患者源于生殖腺嵌合[9],可进一步在父亲精子样本中验证突变情况,并进行遗传咨询。

2.5 案例库试用及持续改进

教师使用案例库中的案例对医学遗传学专硕和住培医师进行教学和考核,采用问卷调查学生对教学法的评价,包括对相关知识的理解和掌握、分析问题和解决问题的能力、学习主动性和积极性、学习效率等。我们通过问卷,调查教师和学生在使用案例库中遇到的问题和意见,并针对问题进行改进。

3 案例库的应用

教学活动涉及“教”与“学”两个方面。案例库可服务于教师和学生,为教师提供教案素材,为学生提供学习资料,对“教”与“学”两方面均具有良好的促进作用。

案例库可以提升教学质量。首先,案例库可以为广大的教师提供优质的教学素材,丰富教学内容和形式,缩短备课时间,提高教学效率。其次,案例库还能有效地提升教师教学能力和知识水平。带教老师在利用案例库备课和教学时,可以拓展知识面,完善理论体系。最后,案例库的使用利于教学的同质化。医学遗传学涉及学科众多,不同的遗传病来自不同的学科,研究生和住培生在不同科室轮转的带教老师,具有不同知识背景和层次。案例库建成后,将为所有带教老师开放,利于教学同质化。

基于案例库的案例教学可以提升学生岗位胜任力。对于住培和专硕生而言,提高岗位胜任力是首要目标。达成这一目标,需要大量临床实践。然而,由于很多遗传病属于罕见病,学生在临床轮转过程中经常无法接触到足够的案例。案例库为学生提供大量典型临床案例,有效地促进学生从理论知识到实践能力的转化,提高对临床问题综合分析和解决的能力。此外,教师在临床中经常遇到非典型或易于混淆的病例,可筛选案例库中相似案例培训学生,提高学生鉴别诊断能力。

案例库具有良好的推广价值。案例库中的案例可以汇编成教材,用于本科生、研究生和住培医师教学。经典案例整理后可编写成著作发表,以促进我国医学遗传学教育教学的发展和遗传咨询师的培养。随着案例库病例的不断扩充和完善,案例库甚至可作为数据库供医学遗传科医师在临床实践中查询参考。

作为新的临床医学二级学科,医学遗传学的教学需更加注重岗位胜任力。教学案例库的建设和应用,不仅为教师提供了更多的教学素材,丰富教学形式,还能弥补学生接触临床病例少、病例覆盖不全面等短板,对于教学效果和岗位胜任力的提升具有重要作用。