医学生单细胞转录组测序分析课程的教学探索

林长松，邵娇芳，武 剑

（南京医科大学 江苏 南京 211166）

在当今医学领域，随着高通量测序技术的迅猛发展，单细胞转录组测序已成为研究复杂生物系统和个体差异的强大工具。单细胞转录组测序技术的应用不仅帮助我们理解疾病的发生机制和进展过程，还有助于揭示个体细胞之间的异质性和亚群表达特征，实现对单个细胞基因表达的高分辨率测量，为精准医学的实现提供了新的可能性[1]。

了解和掌握单细胞转录组测序技术的原理和应用，对于医学生增强科研能力和临床实践具有重要意义。通过单细胞转录组测序分析，我们可以深入了解疾病发生过程中细胞的表观遗传和转录调控变化，从而发现新的生物标志物和靶向治疗策略。

然而，尽管单细胞转录组测序技术在医学研究中具有广阔的前景，但其复杂的数据处理让学习者望而生畏。对于医学生而言，学习和应用这一技术需要深入理解其原理、方法和数据分析流程，同时也需要解决实验设计和结果解读等方面的问题。因此，针对医学生的单细胞转录组测序教学的探索变得尤为重要。

1 医学生在学习单细胞转录组测序时面临着一些特定的挑战和需求

单细胞转录组测序作为一门复杂的技术，涉及许多先进的实验方法和数据处理技术。因此医学生需对这两方面具有深入的理解和充分的认识。

首先，医学生需要了解和掌握单细胞实验设计的基本原则和技术要点，包括合适的样本采集方法、细胞分离技术和质量控制等方面的知识。

其次，医学生需要具备复杂数据处理和分析的能力。单细胞转录组数据通常是大规模的高维度数据，对于医学生来说，需要学会数据清洗、标准化、降维和聚类等分析步骤，以从复杂的数据中提取有意义的信息[2]。除统计学之外，医学生还需掌握机器学习和生物信息学等领域的基本概念和方法，增强对数据的综合运用能力。

然而，传统教学模式往往无法充分展示和解读这些复杂性，学生可能仅仅停留在表面知识的掌握，而无法真正理解单细胞转录组测序的核心概念和实际应用。这导致了学生对该技术的感知能力不够强，无法准确把握其在生物学研究中的重要性和潜在的创新机会[3]。

因此，本文将探讨通过选择合适的教材，强化理论教学，引入实践环节，实行 “多媒体教学、项目驱动学习、合作学习” 等教学方法，对课程进行探索和改革，以满足医学生在学习单细胞转录组测序时的需求并使其应对挑战。

2 紧扣临床案例，精选教学内容

2.1 教材选择

目前单细胞转录组测序领域方面的教材数量很少，我们选择科学出版社2021 年出版的《单细胞测序方法和应用》作为授课材料。另外测序公司的资料，如杭州联川生物技术股份有限公司推出的《单细胞转录测序一本通》和广州基迪奥生物科技有限公司推出《单细胞测序完全解析》，也将作为辅助学习材料。

2.2 理论课教学内容

在选择理论教学内容时，应根据学生的背景和研究方向进行调整，确保内容的可理解性和实用性。通过系统而全面地介绍理论知识，学生能够建立起对单细胞转录组测序技术及其应用的全面理解，并为他们的研究和实践奠定坚实的基础。

①基本原理和技术流程。首先，需要介绍单细胞转录组测序的基本原理和技术流程。学生需要了解单细胞转录组测序技术获取和分析单个细胞的转录组信息的方法，包括细胞采集、RNA 提取、测序和数据处理等步骤。

②数据分析方法。学生需要学习并掌握常用的单细胞转录组数据分析方法。这包括聚类分析、细胞亚群鉴定、差异表达基因分析、轨迹推断和细胞互作网络分析等。通过重点讲解这些方法的原理和应用，并教授相应的数据处理方法和软件，提高学生的数据分析能力。

③细胞异质性和表达动态。单细胞转录组测序技术的一个重要应用是揭示细胞群体的异质性和表达动态。教学中应当强调细胞群体的异质性来源、细胞状态转换的机制以及它们在生理和病理过程中的意义。

④单细胞转录组与疾病研究。讲解单细胞转录组在疾病研究中的应用，包括单细胞转录组测序技术在癌症、免疫学、神经科学等研究领域的案例，以及通过单细胞转录组揭示疾病发生和发展的分子机制[4]。

⑤数据可视化和结果解读。单细胞转录组测序数据通常是高维度和复杂的，因此学生需要学习如何将数据可视化，以便更好地理解和解读结果。教学中应该介绍数据可视化工具和方法，帮助学生有效地展示和解读单细胞转录组测序数据。

⑥伦理和数据安全。学生需要了解在处理人类或动物样本时应遵守的伦理准则和隐私保护规定，以及妥善处理和存储单细胞转录组测序数据的方法。

2.3 实践课内容

实践课程的内容包括实验操作和数据分析两个部分。在实验操作部分，学生将进入实验室进行肿瘤组织的消化和分选操作。通过这个实验，学生将亲自操作细胞解离实验，掌握解离细胞的方法和技巧，同时了解细胞状态对后续实验和数据分析的影响。

在数据分析部分，学生将面对前期实验得到的肿瘤组织单细胞测序数据。他们将综合运用生物信息学工具和分析方法对这些数据进行解析，其中应重点关注肿瘤免疫微环境的分析，探索其中潜在的规律和机制。通过分析细胞类型、表达模式、免疫相关基因等，学生将深入理解肿瘤发展过程中的免疫调节和相互作用。

该实践课程旨在让学生通过实验操作和数据分析，全面了解单细胞转录组测序在肿瘤研究中的应用。学生将从实际操作中获得宝贵的实践经验，同时培养数据分析和解读的能力。这将帮助他们更好地理解和应用单细胞转录组测序技术来探索肿瘤发展的规律和机制。

3 “多媒体教学、项目驱动学习、合作学习” 教学方法

3.1 灵活运用多媒体教学方法

多媒体在单细胞教学中发挥着重要的作用，可提供丰富的视听效果，增强学习的互动性和可视化效果。教师可通过使用幻灯片和演示文稿，展示单细胞转录组测序的基本原理、技术流程和数据分析方法。这种方式通过图表、图像和文字的呈现，有助于学生更好地理解和记忆相关概念与步骤。此外，教师还可通过制作和播放教学视频和动画来生动展示单细胞转录组测序实验操作和数据分析过程，从而帮助学生更好地理解、模拟实验并正确解读结果。为了让学生熟悉实验步骤和数据分析流程，教师还可使用虚拟实验室软件或在线模拟平台，让学生进行单细胞转录组测序实验的虚拟操作。这种模式可以让学生提前掌握实验技巧和策略。同时，数据可视化工具也可被用于将单细胞转录组测序数据转化为可视化图表和图像。学生通过交互式的数据可视化界面，深入理解细胞群体的异质性和表达特征，探索和解读复杂的数据模式和差异。除了在线教学平台和资源，如网页、博客和论坛提供的单细胞转录组测序教学材料、案例分析和学习资源外，学生还可以根据自己的进度和兴趣进行学习，并与教师和同学进行讨论和交流。此外，可通过交互式学习工具，例如在线测验、练习题和模拟实验操作，激发学生的主动性并检验知识掌握程度。多媒体教学可为学生提供直观、生动和互动的学习体验，这些多媒体应用可以增强学生的学习效果、提升对单细胞转录组的理解，并培养他们的数据分析和解读能力。

3.2 项目驱动学习：从临床案例中学习真实技能

项目驱动学习在单细胞教学中具有重要的应用价值，可以帮助学生将所学的知识和技能应用于实际的单细胞转录组测序项目中。以下是项目驱动学习在单细胞教学中的应用方式：

①设计真实案例项目。教师可以选择具有重大临床意义的单细胞转录组项目，将学生分为小组，要求他们自行设计和实施相应的实验并进行数据分析。学生需要运用所学的单细胞转录组测序技术和方法，解决实际生物学问题并得出结论。

②数据收集和处理：学生可以参与单细胞样本的解离、细胞捕获和测序等实验操作。在数据处理阶段，他们需要运用所学的生物信息学工具和编程技巧，对原始数据进行质量控制处理，以进行后续的分析步骤。

③数据分析和解读。学生需要学习和应用单细胞转录组数据分析方法，从单细胞转录组测序数据中挖掘有意义的生物学信息，并探索细胞群体的异质性和表达特征，寻找潜在的生物学意义和机制。

④结果呈现和讨论。学生应当准备项目报告或展示，以呈现他们的实验设计、数据分析和结果解读。在小组或整个班级的讨论中，他们可以与同学和教师共同分享经验和讨论结果，从中获得反馈和改进。

学生通过项目驱动学习获得实际的单细胞转录组测序项目实践经验，并将课堂学习应用于真实场景中。这种实践性的学习模式可以激发学生的兴趣和动力，培养他们的问题解决能力、团队合作能力和科学思维[5]。

3.3 合作学习：培养学生的团队意识

在开展项目驱动学习的过程中，团队合作将提供一个相互支持和协作的环境，促进学生之间的合作与交流，提升学习效果和综合能力。以下是合作学习在单细胞教学中的应用方式：

①小组项目。将学生分成小组，共同合作。每个小组成员承担不同的任务和角色，例如实验设计、数据分析、文献调研等。小组成员之间需要紧密合作，共同解决实验和分析中的问题，并分享经验和结果。

②合作学习和反馈机制。安排学生进行定期的小组讨论、研讨会或轮流进行项目进展报告，就课堂学习、实验设计和数据分析等方面进行交流和分享。学生通过与其他同学和教师进行深入讨论和交流，拓宽思路和视野，促进彼此之间的学习和成长[6]。

学生通过合作学习能够从不同角度和经验中获益，教师在合作学习中起到引导和促进的角色，他们可以提供必要的支持和指导，确保学生能够充分参与和获得有意义的学习体验。

4 展望

随着单细胞转录组测序数据的不断积累和丰富，如何让医学生更好地应对和利用大规模数据分析成为一个重要挑战。未来的教学可以从多方面展开。第一，整合多学科知识，培养学生跨学科的思维和综合能力。第二，关注技术创新和方法发展，介绍最新的单细胞转录组测序技术和方法。第三，聚焦细胞图谱的构建与应用，教授细胞图谱数据库的利用和分析。第四，培养数据共享与合作的意识，引导学生加入开放科学的行列。通过不断探索和创新，医学生单细胞转录组测序教学将培养更多具备研究能力的学生，推动单细胞转录组测序技术在医学研究和临床实践中的应用。