醫學生物信息學人才培養的理論研究

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了醫學生物信息學人才培養的理論研究范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要：醫學生物信息學是應用計算生物學和生物信息學為研究基礎和臨床醫學的一門學科，是計算機科學、信息科學與醫學的交叉學科。雖然這門學科在我國已開設了一段時間，但在實際應用中，仍存在教育理論與實踐脫節的情況。文章從醫學研究工作者和臨床醫師的角度，分析了醫學科學研究和臨床醫療工作對醫學生物信息學人才培養的需求，提出從加強醫學生生物信息學思維培養，強化醫學生物信息學專業人才實踐和綜合能力培訓兩個方面對醫學生物信息學教育模式進行改進，以期通過二者的配合和銜接，使醫學生物信息學真正成為有效連接基礎研究與臨床醫療的橋梁，滿足現代醫學研究和醫療發展的需要。

關鍵詞：生物信息學；醫學；教育；建議

生物信息學（Bioinformatics）是一門發展迅速的生物學分支學科，由生物學、計算機學、信息管理學、應用數學及統計學等多門學科相互交叉而形成，本質是利用計算機技術解決生物學問題，通過信息的處理和整合實現發現和創新。它主要包括以下3個方面的內容：①生物數據的收集、整理、存儲、檢索、加工、分析和整合；②生物系統和結構的建模；③與生物科學相關的計算機技術的應用，這個范圍還在不斷的擴增中［1］。醫學生物信息學是指以醫學研究和臨床應用為中心開設的生物信息學，本文討論的內容主要圍繞醫學生物信息學展開。近20年來，互聯網、數據庫和計算方法的發展，為生物信息學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、蛋白質組研究的開展，各種高通量生物實驗技術快速發展為生物信息學，提供了更大研究空間的同時，也對海量的生物學數據進行有效地挖掘和整合提出了嚴峻的挑戰；而以基礎研究與臨床醫療結合為宗旨的轉化醫學的興起對銜接二者之間的橋梁———生物信息學，提供了廣闊的應用空間。對生物信息學人才的熱切需求，以及上述機遇和挑戰導致了生物信息學專業在全世界的蓬勃發展。以美國為例，在1999年之前，全美只有6所大學設置有計算生物學與生物信息學專業，而到2002年，則有31所大學設置了計算生物學與生物信息學專業博士學位，其中有12所大學是在2001年～2002年之間設置的這門專業［1］。這些大學通常以生物學、生物統計學、計算機科學或者生物醫學信息學為依托設置這門專業，不同大學對該專業學生的培養模式也有所不同。在我國，很多高等院校將生物信息學作為專業課程設立，醫學高等院校也逐步將其作為基礎課程或選修課設立。作為一門新生學科，生物信息學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，來自前期已畢業學生和用人單位的反饋意見對生物信息學教育模式的總結提高具有重要意義。作為一名臨床醫師和醫學研究人員，筆者深刻體會到在實際工作中，無論是自身合理應用生物信息學知識進行思考和設計，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專業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，結合文獻和思考，對我國醫學生物信息學人才培養列舉了一些意見和建議，希望能夠在生物信息學教學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在醫學領域中的應用，側重于醫院信息管理和信息系統建設方面的醫學信息學（Medical　Informatics）不在本文討論范圍內。理想的醫學生物信息學人才培養目標應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、數據庫結構和相關知識框架，以及硬件知識；②生物信息學專家，具有熟練應用計算機儲存、處理、分析和整合相關生物信息的能力；③基礎研究或臨床工作者，具有查閱文獻，提出生物學或臨床醫學問題，合理使用上述生物信息學來思考、設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據。結合我國實際情況，想讓臨床醫學專業學生或醫學生物信息學專業學生同時完成以上3個方面的培訓顯然不切實際。理想的培訓模式，是通過對臨床醫學專業和醫學生物信息學專業學生不同側重的培訓，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。對醫學院校學生，尤其是醫學研究生，生物信息學培訓的內容應側重于對其計算思維能力和信息學應用能力的培養，目的是使其能熟練地從生物信息學角度發現和提出生物學或臨床醫學方面的科學假設，針對該假設設計合理的研究方案，并為后續研究提供正確的初始數據；對以生物醫學為中心的信息學專業人才培養，內容應側重于對其計算機技術和生物信息學在醫學實踐應用方面能力的培養，目的是與前者配合，指導并幫助其完成科學假設的設計，對前者提供的初始數據進行管理、存儲、檢索、分析和整合，以及完成更高要求的計算機技術方面的應用，例如應用軟件的設計，生物系統和結構的建模，等等。

1　醫學生的計算生物學與生物信息學思維培養

本部分特指醫學專業學生的生物信息學教學，部分醫學院校開設的醫學生物信息學專業教學將在下一部分中提及。無論是醫學基礎研究，還是以循證醫學為代表的臨床研究，生命科學研究的一般過程，都遵循發現問題→資料查詢→預實驗→提出科學假設→設計實驗驗證假說→資料查詢和結果分析→科學理論總結的基本思路［3］。在這個過程中，計算生物學與生物信息學不僅是進行資料查詢和結果分析的重要工具，更應是在提出科學假設和實驗設計階段就需要貫徹執行的理念和思維方式。換言之，具體的生物信息學與分子生物學實驗一樣都是驗證生物醫學假說的實驗方法，是將一個生命科學假設用計算和信息學思維方式表達和實現的過程。在我國，絕大部分醫學基礎研究和臨床研究課題都是由醫學院校畢業的臨床工作者設計和申請的。由于臨床醫師大都承擔了繁重的臨床工作，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據管理、存儲、檢索、分析和整合多由研究生或實驗室工作人員負責。因此結合我國的實際情況，將生物信息學與具體課題耦合，即將一個科學假設用計算和信息學表示并有效實施的思維和實踐培訓，才是醫學生生物信息學培訓的中心內容。由于我國臨床醫學教學采用長學制（5年、7年或8年）教學，對實踐性和針對性都很強的生物信息學而言，過早或過于籠統的培訓都顯得意義不大，所以筆者認為針對醫學生的生物信息學培訓安排在研究生階段是比較合適的，教育中心是以醫學研究需求為指導，強調信息學思維培訓和實踐操作。具體提出的建議有兩點，一是根據學生專業背景調整理論教學內容。醫學院校學生的數理基礎、計算機基礎及統計學理論基礎不能和工科院校的學生相比，醫學專業包括基礎醫學、臨床醫學、口腔、預防等專業，涉及廣泛，各個專業背景的學生對這門課程的需求不盡相同。因此在理論課程上，要根據不同的專業背景和研究內容形成“個性化”的培養方案，目的是讓學生有選擇有針對性地掌握相關生物信息學內容，例如數據庫的類型和選擇，常用軟件的種類和應用等，同時又不會對過于高深的生物信息學理論產生反感。二是結合研究生階段的課題，開展研究內容模擬和實踐操作練習。為了更好的配合研究生階段的課題，可將《生物信息學》開課時間調整到研究生階段的第三學期，即在學生進入課題研究階段之后，讓學生在清楚面臨的課題內容后，有針對性地學習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引物設計，基因功能、結構預測，調控元件及轉錄因子預測，蛋白質基本理化性質分析，跨膜區及信號肽預測，二級結構和空間三維結構的預測等。這樣學生的學習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授課老師加入導師組成員，通過網上教學和答疑、夜間授課、集中授課與個別指導結合等多種方式靈活解決。

2　以醫學為中心的生物信息學專業人才培養

如果說對醫學生進行生物信息學教育的目的是使其學會將一個生命科學假設用計算和信息學表示，并正確提供初始數據，那么以醫學為中心的生物信息學專業人才培養的目的，就是使其學會用計算機學和信息學處理并證實科學假設的過程。具體的內容包括，與實驗室工作人員和臨床醫生配合，從計算生物學與生物信息學角度指導并幫助其完成科學假設和課題內容設計；在課題實施階段對后者提供的初始數據進行管理、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的需求，例如應用軟件的設計，生物系統和結構的建模，等等。目前，計算生物學與生物信息學專業研究生的培養模式主要有3種：①以生物學為中心的多學科培養模式。理論教育以生物學為中心，在6～9個學期內陸續完成生物學部分課程（相當于普通生物學系1／3～1／4課程）的選修，然后根據興趣和實際情況選擇一個相關實驗室完成研究生課題。這種培養模式被大多數綜合大學采納。②以工程設計為中心的培養模式。③以醫學為中心的培養模式。指以醫學研究和臨床應用為中心設置計算生物學和生物信息學，絕大多數由醫學院校設置，側重生物信息學與臨床醫學的結合。在進入課題階段之前會有1～2年臨床相關概念和信息的培訓，主要開設的課程包括生物學、細胞生物學、分子生物學與基因組學、化學與物理學、計算機科學、數學和統計學等，甚至包括部分醫學課程，后期實踐階段通常選擇一個相關實驗室完成研究生課題。總的看來，醫學生物信息學基礎課程設置與國際趨勢相符，也符合以醫學為中心計算生物學與生物信息學的培訓要求。但從近年生物信息學專業研究生就業情況來看，確實存在素質參差不齊，學不能致用，不能很快融入研究工作等問題。筆者認為，這種現象可以從三個方面加以改進：①以職業發展和學位教育為導向，建立多層次、多形式的醫學信息學教育和繼續教育體系。各醫學院?？稍诮y一專業培養目標和定位的基礎上，根據自身的學科基礎和特色，結合學生畢業后的工作領域和就業方向，形成“個性化”的專業方向和培養方案。②加強師資力量的建設，形成以課程為中心的教學團隊。現有醫學生物學教材內容寬泛、偏重理論，對實踐環節的指導較少，需要授課老師有選擇的挑選合適的內容并予以補充和完善。這對授課教師的素質提出了更高要求，要求其能根據實際情況因材施教，有所取舍，強化重點。目前，各院校教學團隊和師資力量配備受限，建議可以課程為中心，培養、引進學術帶頭人，從其他專業挑選骨干教師兼任等多種形式，形成以課程為中心的教學團隊。③實踐教學與綜合能力的培養。生物信息學是一門實踐性非常強的學科，要將“學有所長，學以致用”作為人才培養的最終目的?？梢酝ㄟ^構建開放式實踐教學平臺，建設實踐教學基地等方式盡可能強化實踐操作訓練［4］，后期部分學生可以結合個人興趣，本著雙向選擇的原則，將實踐階段訓練固定到導師和實驗室，并安排其參與完成某一項課題的設計、實施和總結，在整個過程中要特別注意培養學生的學習興趣和自學能力，強調知識的自我更新。

綜上所述，醫學生物信息學人才培養的最終目的是使生物信息學能滿足現代醫療和醫學研究發展的需要，使醫學生物信息學人才成為有效連接基礎研究與臨床醫療的橋梁，為現代醫學的發展提供新途徑［5］。

參考文獻：

［1］Mark　Gerstein，Dov　Greenbaum，Kei　Cheung　and　Perry　L．Miller．An　interdepartmental　Ph．D．program　in　computa－tional　biology　and　bioinformatics：The　Yale　perspective［J］．Journal　of　Biomedical　Informatics，2007，40：73－79．

［2］倪青山，胡福泉，饒賢才，等．醫學院校生物信息學實踐教學初探［J］．基礎醫學教育，2011，13（6）：538－539．

［3］張樂平，馮紅玲，宋茂海，等．生物信息學教學與醫科學生計算思維培養［J］．計算機教育，2012，19（4）：12－16．

［4］尋萌，陳艷炯，楊娥，等．《生物信息學》教學實踐探討［J］．西北醫學教育，2011，19（6）：1220－1223．

［5］Michael　P．Cummings，Glena　G．Temple．Broader　incorpo－ration　of　bioinformatics　in　education：opportunities　andchallenges［J］．Briefings　in　Bioinformatics，2006，11（6）：537－543

作者：胡炯宇 張東霞 韓健 單位：第三軍醫大學西南醫院內分泌科、大坪醫院婦產科