生物信息學對醫學生科研能力培養的作用

姜 淼，趙小梅，張 敏，王 佐，危當恒，劉錄山，姜志勝△

(1南華大學衡陽醫學院生物信息與醫學大數據教研室，衡陽 421000； 2南華大學公共衛生學院實驗中心； △通訊作者)

生物信息學主要是應用信息學手段解決生物學問題。隨著新一代測序技術的突破與質譜等儀器精度的提高，生物學和醫學相關研究的數據發展迅速。大數據時代引起了科學工作者研究方法的變革，科學工作者通過數據庫結合計算機分析軟件，對生物醫學信息從整體層面進行理解，可以輔助對傳統零散實驗數據的認識。生物信息學是一門理論與實踐結合緊密的學科，需要學生同時掌握多學科背景，對于本科生創新思維和創新能力的培養非常重要。

當前各大高校均非常重視生物信息學在醫學本科生科研思維培養中的應用，筆者所在學校還專門成立了生物信息與醫學大數據教研室，輔助卓越醫師班學生進行科研能力的培養。由此筆者根據近年來通過生物信息學開展醫學生科研思維培養的經驗分析，探討生物信息學應用于醫學院校研究型人才培養的必要性與可行性。

1 生物信息學分析在醫學本科生科研能力培養中的必要性

1.1 更好利用碎片化的科研時間

在全面深化改革的大背景下，當前生物醫藥領域迎來大發展，生物醫藥可能成為支撐我國經濟高質量發展的戰略支柱性產業之一。為了跟上高新醫學技術發展的步伐，醫學領域人才培養與儲備必須提前布局。這要求我們培養的醫學生不僅需要獲取扎實醫學專業知識與臨床經驗，還要擁有科研創新能力?？蒲袆撔履芰κ轻t學生的核心能力。從本科階段開始，教師即為學生樹立科研意識，培養科研創新思維，鼓勵其完成醫學研究課題。

高校鼓勵本科學生提前接觸科研，推出了大學生創新性研究項目以供本科生進行科研實踐。然而醫學專業的本科生即使申請了該類項目，由于正常的專業課程安排極為緊湊，且專業知識對于臨床實踐意義非常重大，導致醫學類本科生實際可以用于參與科學研究的時間較少。此外，臨床醫學學生多數要參與醫院見習與實習，更多時間需要分配于臨床相關專業知識，用于科研的課余時間呈碎片化，不能夠較好地完成科學實驗，科研成效往往不佳[1]。加之學生實際開展實驗的時間有限，不能體會科研的具體過程與樂趣，難以產生科研興趣，更難以長期堅持。

基于大數據的生物信息學分析隨著精準醫學概念的提出不斷體現出其作為學科前沿的魅力[2]，可以使學生更好地找到科研的目標，指導其對疾病機理的深入研究，是溝通基礎研究與臨床醫療的橋梁。學生通過搜索數據庫進行生物信息學分析，可以避免實驗條件不足等制約因素，理清科研的初步思路，為培養具有一定科學素養和開拓創新能力的新型的醫學創造性人才打下堅實的基礎。

1.2 在醫學研究中必不可少

隨著科學研究領域生物醫學數據的積累，當前科學研究已經由數據產生轉變為對數據的分析和利用。生物信息學主要研究核酸和蛋白質序列，通過對這些序列中所蘊含的生物信息進行分析，為人類疾病的診斷和治療提供更合理有效的途徑。通過學習生物信息學，學生可以培養處理生物學具體問題時分析問題和解決問題的能力[3,4]。

諾貝爾化學獎獲得者Walter Gilbert曾定義新世紀生物醫學研究范式：在所有基因都解析出來之后，科學家進行研究的起點將從理論開始，之后再轉向實驗進行驗證。而從基因大數據中進行理論研究，發現科學問題進行假設驗證，生物信息學的分析運用是必不可少的。因而，作為今后結合科研實踐的臨床醫生，盡早接觸并初步掌握生物信息學分析理念與工具對于走上臨床與科研相結合的道路非常重要。

1.3 輔助科研能力培養

醫學生基本掌握了生物學相關主干課程，如生物化學與分子生物學、細胞生物學、醫學遺傳學、病理學、生理學、病理生理學、藥理學等，具備扎實的理論分析能力。同時通識教育類課程中也開展了英語、計算機應用等課程，學生能夠很好地運用計算機獲取相應數據與文獻指導。此外，醫學生進行生物信息學分析具有非常大的優勢，他們可以更加敏銳地判斷出哪些內容與臨床應用相關，哪些數據可以更好地指導臨床靶點的開發等，便于數據分析與討論總結。在生物醫學領域本科生論文發表過程中，利用生物信息學輔助研究效果相對較好[5]。學生在本科期間通過生物信息學分析可以早于同學發表SCI論文，從而增強獲得國家獎學金以及考研保送資格等相關方面的競爭力。學生通過信息學分析提高科研產出能力與產出成果的同時，也獲得了初步的科研能力鍛煉，表明生物信息學是提高本科生科研思維與科研能力的有力工具。

2 利用生物信息學培養醫學類本科生科研能力的舉措

2.1 篩選醫學相關研究內容

生物信息學是多學科交叉的課程，內容較多，但又不是醫學主干課程，課時偏少，因而課程內容設計方面有許多可能性。內容設計既可以側重于數據庫原理、計算模型使用、優化算法的應用等數學思維的拓展，也可以偏向于數據庫使用、軟件應用等信息學手段應用。醫學院校本科學生對于生物信息學的使用，應更注重于應用生物信息學解決臨床及科研中存在的實際問題，開發課程潛力，服務于生物醫學視角的教學實踐。而相應的數學模型與編程算法涉及較為深奧的計算機與數理功底，醫學生掌握起來難度更大，也缺乏相應的通識類教育基礎，應當省略。

因此，醫學專業生物信息學課程內容設計需要靈活運用專業基礎知識，重點設計醫學相關數據庫如GEO數據庫和TCGA數據庫等挖掘課程，詳細介紹蛋白質組學、基因組學、二代測序技術與生物芯片技術等與精準醫療相關的前言章節，加上蛋白質分子對接、計算機輔助的藥物設計等應用相關生物信息學分析內容，將生物信息學的知識與臨床科研實踐融會貫通，激發學生的求知欲與創新精神。

2.2 加強醫學相關案例分析

生物信息學非常注重實踐能力的培養。為此教師設計相關教學案例并引導學生獨立思考、主動動手解決臨床相關問題。運用生物信息學解決臨床中實際問題，可以提高學生學習主動性，激發學生學習興趣，變被動接受知識為主動鉆研知識。開展生物信息學的醫學案例教學，主要培養學生解決醫學臨床與基礎問題能力，不直接提供標準答案。教師先在課堂上引入生物信息學解決臨床科研問題的實際案例，介紹案例開展思路、研究方法、主要結果結論，之后以小組為單位布置課后任務，發布實踐所需數據庫、網址、軟件及操作指南，引導學生以合作或者自主方式探究解決方案，最終形成實驗報告，并作為課程平時成績。

利用任務結合案例組織教學，既可以讓學生更清楚生物信息學的某個知識點可以用于科學研究中的哪一環節，也可以提高學生以解決問題和完成任務為目的的學習興趣，提高學習互動，挖掘課堂潛力，提高學習成效[6]。通過這一學習過程對醫學專業本科生進行培養，教師需要重視醫學相關實例的選擇，既要體現解決問題的科學性，也要符合本科生初步接觸生物信息學的階段特點。其中，應用臨床生物信息學方法對基因組、轉錄組學、蛋白質組學及代謝組學數據進行數據挖掘，篩選疾病相關診斷與治療靶點，尋找疾病致病關鍵基因，提供治療方案優化等，均可以為后續臨床研究提供寶貴經驗[7]。例如，為了提高醫學本科生科研活動的實效,加強臨床生物信息學在臨床醫學教育中的作用，有課題組構建了疾病-藥物多組學大數據臨床生物信息學平臺篩選，并研發了一系列血液病及腫瘤治療藥物和方案；可以通過生物信息學分析急性淋巴細胞白血病復發相關基因；結合中醫“辨證施治”思想利用臨床生物信息學分析對免疫性血小板減少性紫癜進行分型施治等[8]。這些案例可以很好地整合進入任務結合案例教學模式，用于培養學生的實踐應用能力。

2.3 結合醫學前沿，開發研究課題

生物信息學作為前沿課程，十分有必要跟蹤學科發展現況。授課教師本身知識的淵博程度與教學水平對于教學內容的優化也非常重要。本教研室非常注重搭配開展系列教學的教師，既有從教30余年的教授進行引言與基礎的介紹，也有工作在科研一線的博士給學生介紹相關數據庫與軟件應用以及研究熱點與先進方法，更好與學生進行互動交流[9]。同時學科支持與鼓勵年輕教師到國內外知名高校訪學與進修。授課青年教師近五年內均有海外博士后或訪問學習經歷，極大地豐富了學術視野與知識素養，提高了課程的指導水平。

此外，課程還可以通過鼓勵學生參與科研、輔導學生參與研究課題等方式推進生物信息學在臨床醫學生中的應用。南華大學衡陽醫學院開設的卓越醫師班里，每一位同學專門對接了一名專任教師作為導師。本教研室的導師們利用生物信息學優勢，指導學生進行測序數據分析等工作，通過前沿的課題與理念指導，推進教、學、研一體化創新教學模式，有力地推動了醫學科研人才的培養。同時，我們也鼓勵學生通過各種途徑自覺關注學科發展動態，拓寬知識面，培養其自學能力和創新意識。

大數據時代的到來為醫學本科生培養科研創新思維，完成醫學研究課題提供了一種新的途徑。建立具有醫學特色的生物信息學課程體系，加強醫學相關案例分析與研究課題開發，可以提前培養醫學本科生臨床與研究思維相結合的能力，滿足現代醫學研究發展需要。生物信息學在臨床醫學類本科學生中的推廣與應用，可以促進臨床與科研能力的培養，助力醫學生的長期職業發展。