醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)人才培養(yǎng)的理論研究

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摘要：醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)是應(yīng)用計算生物學(xué)和生物信息學(xué)為研究基礎(chǔ)和臨床醫(yī)學(xué)的一門學(xué)科，是計算機科學(xué)、信息科學(xué)與醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科。雖然這門學(xué)科在我國已開設(shè)了一段時間，但在實際應(yīng)用中，仍存在教育理論與實踐脫節(jié)的情況。文章從醫(yī)學(xué)研究工作者和臨床醫(yī)師的角度，分析了醫(yī)學(xué)科學(xué)研究和臨床醫(yī)療工作對醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)人才培養(yǎng)的需求，提出從加強醫(yī)學(xué)生生物信息學(xué)思維培養(yǎng)，強化醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)專業(yè)人才實踐和綜合能力培訓(xùn)兩個方面對醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)教育模式進行改進，以期通過二者的配合和銜接，使醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)真正成為有效連接基礎(chǔ)研究與臨床醫(yī)療的橋梁，滿足現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療發(fā)展的需要。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)；醫(yī)學(xué)；教育；建議

生物信息學(xué)（Bioinformatics）是一門發(fā)展迅速的生物學(xué)分支學(xué)科，由生物學(xué)、計算機學(xué)、信息管理學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)及統(tǒng)計學(xué)等多門學(xué)科相互交叉而形成，本質(zhì)是利用計算機技術(shù)解決生物學(xué)問題，通過信息的處理和整合實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。它主要包括以下3個方面的內(nèi)容：①生物數(shù)據(jù)的收集、整理、存儲、檢索、加工、分析和整合；②生物系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的建模；③與生物科學(xué)相關(guān)的計算機技術(shù)的應(yīng)用，這個范圍還在不斷的擴增中［1］。醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)是指以醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用為中心開設(shè)的生物信息學(xué)，本文討論的內(nèi)容主要圍繞醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)展開。近20年來，互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫和計算方法的發(fā)展，為生物信息學(xué)的研究提供了更為廣泛和靈活的方法；多種模式生物基因組測序的完成，功能基因組、蛋白質(zhì)組研究的開展，各種高通量生物實驗技術(shù)快速發(fā)展為生物信息學(xué)，提供了更大研究空間的同時，也對海量的生物學(xué)數(shù)據(jù)進行有效地挖掘和整合提出了嚴峻的挑戰(zhàn)；而以基礎(chǔ)研究與臨床醫(yī)療結(jié)合為宗旨的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的興起對銜接二者之間的橋梁———生物信息學(xué)，提供了廣闊的應(yīng)用空間。對生物信息學(xué)人才的熱切需求，以及上述機遇和挑戰(zhàn)導(dǎo)致了生物信息學(xué)專業(yè)在全世界的蓬勃發(fā)展。以美國為例，在1999年之前，全美只有6所大學(xué)設(shè)置有計算生物學(xué)與生物信息學(xué)專業(yè)，而到2002年，則有31所大學(xué)設(shè)置了計算生物學(xué)與生物信息學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，其中有12所大學(xué)是在2001年～2002年之間設(shè)置的這門專業(yè)［1］。這些大學(xué)通常以生物學(xué)、生物統(tǒng)計學(xué)、計算機科學(xué)或者生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)為依托設(shè)置這門專業(yè)，不同大學(xué)對該專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)模式也有所不同。在我國，很多高等院校將生物信息學(xué)作為專業(yè)課程設(shè)立，醫(yī)學(xué)高等院校也逐步將其作為基礎(chǔ)課程或選修課設(shè)立。作為一門新生學(xué)科，生物信息學(xué)在大部分院校尚處于探索階段，沒有成熟完善的教育模式可以借鑒［2］。在這種情況下，來自前期已畢業(yè)學(xué)生和用人單位的反饋意見對生物信息學(xué)教育模式的總結(jié)提高具有重要意義。作為一名臨床醫(yī)師和醫(yī)學(xué)研究人員，筆者深刻體會到在實際工作中，無論是自身合理應(yīng)用生物信息學(xué)知識進行思考和設(shè)計，還是找到能夠迅速融入并滿足實驗室研究和臨床工作需求的生物信息學(xué)專業(yè)人才都不是一件容易的事情。因此，本文作者就自己的一些切身體會，結(jié)合文獻和思考，對我國醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)人才培養(yǎng)列舉了一些意見和建議，希望能夠在生物信息學(xué)教學(xué)模式的完善中起到微薄的助力作用。本文著重探討信息技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，側(cè)重于醫(yī)院信息管理和信息系統(tǒng)建設(shè)方面的醫(yī)學(xué)信息學(xué)（Medical　Informatics）不在本文討論范圍內(nèi)。理想的醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)該是這三類人的集合：①計算機專家，掌握計算機算法、計算機語言、軟件、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和相關(guān)知識框架，以及硬件知識；②生物信息學(xué)專家，具有熟練應(yīng)用計算機儲存、處理、分析和整合相關(guān)生物信息的能力；③基礎(chǔ)研究或臨床工作者，具有查閱文獻，提出生物學(xué)或臨床醫(yī)學(xué)問題，合理使用上述生物信息學(xué)來思考、設(shè)計和解決問題的能力，并能收集和正確提供用于研究的初始數(shù)據(jù)。結(jié)合我國實際情況，想讓臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生或醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生同時完成以上3個方面的培訓(xùn)顯然不切實際。理想的培訓(xùn)模式，是通過對臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)和醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生不同側(cè)重的培訓(xùn)，再通過二者的合理分工和配合，來滿足以上3個方面的需求。對醫(yī)學(xué)院校學(xué)生，尤其是醫(yī)學(xué)研究生，生物信息學(xué)培訓(xùn)的內(nèi)容應(yīng)側(cè)重于對其計算思維能力和信息學(xué)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，目的是使其能熟練地從生物信息學(xué)角度發(fā)現(xiàn)和提出生物學(xué)或臨床醫(yī)學(xué)方面的科學(xué)假設(shè)，針對該假設(shè)設(shè)計合理的研究方案，并為后續(xù)研究提供正確的初始數(shù)據(jù)；對以生物醫(yī)學(xué)為中心的信息學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)，內(nèi)容應(yīng)側(cè)重于對其計算機技術(shù)和生物信息學(xué)在醫(yī)學(xué)實踐應(yīng)用方面能力的培養(yǎng)，目的是與前者配合，指導(dǎo)并幫助其完成科學(xué)假設(shè)的設(shè)計，對前者提供的初始數(shù)據(jù)進行管理、存儲、檢索、分析和整合，以及完成更高要求的計算機技術(shù)方面的應(yīng)用，例如應(yīng)用軟件的設(shè)計，生物系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的建模，等等。

1　醫(yī)學(xué)生的計算生物學(xué)與生物信息學(xué)思維培養(yǎng)

本部分特指醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生的生物信息學(xué)教學(xué)，部分醫(yī)學(xué)院校開設(shè)的醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)專業(yè)教學(xué)將在下一部分中提及。無論是醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究，還是以循證醫(yī)學(xué)為代表的臨床研究，生命科學(xué)研究的一般過程，都遵循發(fā)現(xiàn)問題→資料查詢→預(yù)實驗→提出科學(xué)假設(shè)→設(shè)計實驗驗證假說→資料查詢和結(jié)果分析→科學(xué)理論總結(jié)的基本思路［3］。在這個過程中，計算生物學(xué)與生物信息學(xué)不僅是進行資料查詢和結(jié)果分析的重要工具，更應(yīng)是在提出科學(xué)假設(shè)和實驗設(shè)計階段就需要貫徹執(zhí)行的理念和思維方式。換言之，具體的生物信息學(xué)與分子生物學(xué)實驗一樣都是驗證生物醫(yī)學(xué)假說的實驗方法，是將一個生命科學(xué)假設(shè)用計算和信息學(xué)思維方式表達和實現(xiàn)的過程。在我國，絕大部分醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床研究課題都是由醫(yī)學(xué)院校畢業(yè)的臨床工作者設(shè)計和申請的。由于臨床醫(yī)師大都承擔(dān)了繁重的臨床工作，申請者親自完成課題的機會很少，獲批課題的具體實施及數(shù)據(jù)管理、存儲、檢索、分析和整合多由研究生或?qū)嶒炇夜ぷ魅藛T負責(zé)。因此結(jié)合我國的實際情況，將生物信息學(xué)與具體課題耦合，即將一個科學(xué)假設(shè)用計算和信息學(xué)表示并有效實施的思維和實踐培訓(xùn)，才是醫(yī)學(xué)生生物信息學(xué)培訓(xùn)的中心內(nèi)容。由于我國臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)采用長學(xué)制（5年、7年或8年）教學(xué)，對實踐性和針對性都很強的生物信息學(xué)而言，過早或過于籠統(tǒng)的培訓(xùn)都顯得意義不大，所以筆者認為針對醫(yī)學(xué)生的生物信息學(xué)培訓(xùn)安排在研究生階段是比較合適的，教育中心是以醫(yī)學(xué)研究需求為指導(dǎo)，強調(diào)信息學(xué)思維培訓(xùn)和實踐操作。具體提出的建議有兩點，一是根據(jù)學(xué)生專業(yè)背景調(diào)整理論教學(xué)內(nèi)容。醫(yī)學(xué)院校學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)、計算機基礎(chǔ)及統(tǒng)計學(xué)理論基礎(chǔ)不能和工科院校的學(xué)生相比，醫(yī)學(xué)專業(yè)包括基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、口腔、預(yù)防等專業(yè)，涉及廣泛，各個專業(yè)背景的學(xué)生對這門課程的需求不盡相同。因此在理論課程上，要根據(jù)不同的專業(yè)背景和研究內(nèi)容形成“個性化”的培養(yǎng)方案，目的是讓學(xué)生有選擇有針對性地掌握相關(guān)生物信息學(xué)內(nèi)容，例如數(shù)據(jù)庫的類型和選擇，常用軟件的種類和應(yīng)用等，同時又不會對過于高深的生物信息學(xué)理論產(chǎn)生反感。二是結(jié)合研究生階段的課題，開展研究內(nèi)容模擬和實踐操作練習(xí)。為了更好的配合研究生階段的課題，可將《生物信息學(xué)》開課時間調(diào)整到研究生階段的第三學(xué)期，即在學(xué)生進入課題研究階段之后，讓學(xué)生在清楚面臨的課題內(nèi)容后，有針對性地學(xué)習(xí)在完成課題過程中要使用到的知識、工具和解決問題的思路，包括文獻查閱、保存、編輯，核酸序列查找和同源性比對及進化分析，PCR引物設(shè)計，基因功能、結(jié)構(gòu)預(yù)測，調(diào)控元件及轉(zhuǎn)錄因子預(yù)測，蛋白質(zhì)基本理化性質(zhì)分析，跨膜區(qū)及信號肽預(yù)測，二級結(jié)構(gòu)和空間三維結(jié)構(gòu)的預(yù)測等。這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率會大大提高。為了解決上課時間與課題時間沖突的問題，可以采用生物信息學(xué)授課老師加入導(dǎo)師組成員，通過網(wǎng)上教學(xué)和答疑、夜間授課、集中授課與個別指導(dǎo)結(jié)合等多種方式靈活解決。

2　以醫(yī)學(xué)為中心的生物信息學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)

如果說對醫(yī)學(xué)生進行生物信息學(xué)教育的目的是使其學(xué)會將一個生命科學(xué)假設(shè)用計算和信息學(xué)表示，并正確提供初始數(shù)據(jù)，那么以醫(yī)學(xué)為中心的生物信息學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的目的，就是使其學(xué)會用計算機學(xué)和信息學(xué)處理并證實科學(xué)假設(shè)的過程。具體的內(nèi)容包括，與實驗室工作人員和臨床醫(yī)生配合，從計算生物學(xué)與生物信息學(xué)角度指導(dǎo)并幫助其完成科學(xué)假設(shè)和課題內(nèi)容設(shè)計；在課題實施階段對后者提供的初始數(shù)據(jù)進行管理、存儲、檢索、分析和整合，以及滿足后者更高要求的計算機技術(shù)的需求，例如應(yīng)用軟件的設(shè)計，生物系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的建模，等等。目前，計算生物學(xué)與生物信息學(xué)專業(yè)研究生的培養(yǎng)模式主要有3種：①以生物學(xué)為中心的多學(xué)科培養(yǎng)模式。理論教育以生物學(xué)為中心，在6～9個學(xué)期內(nèi)陸續(xù)完成生物學(xué)部分課程（相當(dāng)于普通生物學(xué)系1／3～1／4課程）的選修，然后根據(jù)興趣和實際情況選擇一個相關(guān)實驗室完成研究生課題。這種培養(yǎng)模式被大多數(shù)綜合大學(xué)采納。②以工程設(shè)計為中心的培養(yǎng)模式。③以醫(yī)學(xué)為中心的培養(yǎng)模式。指以醫(yī)學(xué)研究和臨床應(yīng)用為中心設(shè)置計算生物學(xué)和生物信息學(xué)，絕大多數(shù)由醫(yī)學(xué)院校設(shè)置，側(cè)重生物信息學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)的結(jié)合。在進入課題階段之前會有1～2年臨床相關(guān)概念和信息的培訓(xùn)，主要開設(shè)的課程包括生物學(xué)、細胞生物學(xué)、分子生物學(xué)與基因組學(xué)、化學(xué)與物理學(xué)、計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)等，甚至包括部分醫(yī)學(xué)課程，后期實踐階段通常選擇一個相關(guān)實驗室完成研究生課題。總的看來，醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)基礎(chǔ)課程設(shè)置與國際趨勢相符，也符合以醫(yī)學(xué)為中心計算生物學(xué)與生物信息學(xué)的培訓(xùn)要求。但從近年生物信息學(xué)專業(yè)研究生就業(yè)情況來看，確實存在素質(zhì)參差不齊，學(xué)不能致用，不能很快融入研究工作等問題。筆者認為，這種現(xiàn)象可以從三個方面加以改進：①以職業(yè)發(fā)展和學(xué)位教育為導(dǎo)向，建立多層次、多形式的醫(yī)學(xué)信息學(xué)教育和繼續(xù)教育體系。各醫(yī)學(xué)院?？稍诮y(tǒng)一專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和定位的基礎(chǔ)上，根據(jù)自身的學(xué)科基礎(chǔ)和特色，結(jié)合學(xué)生畢業(yè)后的工作領(lǐng)域和就業(yè)方向，形成“個性化”的專業(yè)方向和培養(yǎng)方案。②加強師資力量的建設(shè)，形成以課程為中心的教學(xué)團隊?，F(xiàn)有醫(yī)學(xué)生物學(xué)教材內(nèi)容寬泛、偏重理論，對實踐環(huán)節(jié)的指導(dǎo)較少，需要授課老師有選擇的挑選合適的內(nèi)容并予以補充和完善。這對授課教師的素質(zhì)提出了更高要求，要求其能根據(jù)實際情況因材施教，有所取舍，強化重點。目前，各院校教學(xué)團隊和師資力量配備受限，建議可以課程為中心，培養(yǎng)、引進學(xué)術(shù)帶頭人，從其他專業(yè)挑選骨干教師兼任等多種形式，形成以課程為中心的教學(xué)團隊。③實踐教學(xué)與綜合能力的培養(yǎng)。生物信息學(xué)是一門實踐性非常強的學(xué)科，要將“學(xué)有所長，學(xué)以致用”作為人才培養(yǎng)的最終目的?？梢酝ㄟ^構(gòu)建開放式實踐教學(xué)平臺，建設(shè)實踐教學(xué)基地等方式盡可能強化實踐操作訓(xùn)練［4］，后期部分學(xué)生可以結(jié)合個人興趣，本著雙向選擇的原則，將實踐階段訓(xùn)練固定到導(dǎo)師和實驗室，并安排其參與完成某一項課題的設(shè)計、實施和總結(jié)，在整個過程中要特別注意培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自學(xué)能力，強調(diào)知識的自我更新。

綜上所述，醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)人才培養(yǎng)的最終目的是使生物信息學(xué)能滿足現(xiàn)代醫(yī)療和醫(yī)學(xué)研究發(fā)展的需要，使醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)人才成為有效連接基礎(chǔ)研究與臨床醫(yī)療的橋梁，為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供新途徑［5］。

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作者：胡炯宇 張東霞 韓健 單位：第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院內(nèi)分泌科、大坪醫(yī)院婦產(chǎn)科