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(jì)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(jì)算機(jī)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(shí)間，但在實(shí)際應(yīng)用中，仍存在教育理論與實(shí)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(duì)醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)人才培養(yǎng)的需求，提出從加強(qiáng)醫(yī)學(xué)生生物信息學(xué)思維培養(yǎng)，強(qiáng)化醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)專業(yè)人才實(shí)踐和綜合能力培訓(xùn)兩個(gè)方面對(duì)醫(yī)學(xué)生物信息學(xué)教育模式進(jìn)行改進(jìn)，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(jì)算機(jī)學(xué)、信息管理學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)及統(tǒng)計(jì)學(xué)等多門學(xué)科相互交叉而形成，本質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決生物學(xué)問題，通過信息的處理和整合實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。它主要包括以下3個(gè)方面的內(nèi)容：①生物數(shù)據(jù)的收集、整理、存儲(chǔ)、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(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，這個(gè)范圍還在不斷的擴(kuò)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(jì)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(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)，也對(duì)海量的生物學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地挖掘和整合提出了嚴(yán)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(duì)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(duì)生物信息學(xué)人才的熱切需求，以及上述機(jī)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(jì)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(jì)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(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)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(duì)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(duì)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(huì)到在實(shí)際工作中，無論是自身合理應(yīng)用生物信息學(xué)知識(shí)進(jìn)行思考和設(shè)計(jì)，還是找到能夠迅速融入并滿足實(shí)驗(yàn)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(huì)，結(jié)合文獻(xiàn)和思考，對(duì)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(jì)算機(jī)專家，掌握計(jì)算機(jī)算法、計(jì)算機(jī)語言、軟件、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和相關(guān)知識(shí)框架，以及硬件知識(shí)；②生物信息學(xué)專家，具有熟練應(yīng)用計(jì)算機(jī)儲(chǔ)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(xiàn)，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(jì)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(shí)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(shí)完成以上3個(gè)方面的培訓(xùn)顯然不切實(shí)際。理想的培訓(xùn)模式，是通過對(duì)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(gè)方面的需求。對(duì)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(duì)其計(jì)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(duì)該假設(shè)設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)其計(jì)算機(jī)技術(shù)和生物信息學(xué)在醫(yī)學(xué)實(shí)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(jì)，對(duì)前者提供的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲(chǔ)、檢索、分析和整合，以及完成更高要求的計(jì)算機(jī)技術(shù)方面的應(yīng)用，例如應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，生物系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的建模，等等。

1　醫(yī)學(xué)生的計(jì)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(shí)驗(yàn)→提出科學(xué)假設(shè)→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(gè)過程中，計(jì)算生物學(xué)與生物信息學(xué)不僅是進(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)一樣都是驗(yàn)證生物醫(yī)學(xué)假說的實(shí)驗(yàn)方法，是將一個(gè)生命科學(xué)假設(shè)用計(jì)算和信息學(xué)思維方式表達(dá)和實(shí)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(jì)和申請(qǐng)的。由于臨床醫(yī)師大都承擔(dān)了繁重的臨床工作，申請(qǐng)者親自完成課題的機(jī)會(huì)很少，獲批課題的具體實(shí)施及數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)、檢索、分析和整合多由研究生或?qū)嶒?yàn)室工作人員負(fù)責(zé)。因此結(jié)合我國的實(shí)際情況，將生物信息學(xué)與具體課題耦合，即將一個(gè)科學(xué)假設(shè)用計(jì)算和信息學(xué)表示并有效實(shí)施的思維和實(shí)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(zhǎng)學(xué)制（5年、7年或8年）教學(xué)，對(duì)實(shí)踐性和針對(duì)性都很強(qiáng)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(rèn)為針對(duì)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(qiáng)調(diào)信息學(xué)思維培訓(xùn)和實(shí)踐操作。具體提出的建議有兩點(diǎn)，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(jì)算機(jī)基礎(chǔ)及統(tǒng)計(jì)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(gè)專業(yè)背景的學(xué)生對(duì)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?jī)?nèi)容形成“個(gè)性化”的培養(yǎng)方案，目的是讓學(xué)生有選擇有針對(duì)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(shí)又不會(huì)對(duì)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?jī)?nèi)容模擬和實(shí)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(shí)間調(diào)整到研究生階段的第三學(xué)期，即在學(xué)生進(jìn)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(duì)性地學(xué)習(xí)在完成課題過程中要使用到的知識(shí)、工具和解決問題的思路，包括文獻(xiàn)查閱、保存、編輯，核酸序列查找和同源性比對(duì)及進(jìn)化分析，PCR引物設(shè)計(jì)，基因功能、結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，調(diào)控元件及轉(zhuǎn)錄因子預(yù)測(cè)，蛋白質(zhì)基本理化性質(zhì)分析，跨膜區(qū)及信號(hào)肽預(yù)測(cè)，二級(jí)結(jié)構(gòu)和空間三維結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)等。這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率會(huì)大大提高。為了解決上課時(shí)間與課題時(shí)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(gè)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(duì)醫(yī)學(xué)生進(jìn)行生物信息學(xué)教育的目的是使其學(xué)會(huì)將一個(gè)生命科學(xué)假設(shè)用計(jì)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(huì)用計(jì)算機(jī)學(xué)和信息學(xué)處理并證實(shí)科學(xué)假設(shè)的過程。具體的內(nèi)容包括，與實(shí)驗(yàn)室工作人員和臨床醫(yī)生配合，從計(jì)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(jì)；在課題實(shí)施階段對(duì)后者提供的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲(chǔ)、檢索、分析和整合，以及滿足后者更高要求的計(jì)算機(jī)技術(shù)的需求，例如應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，生物系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的建模，等等。目前，計(jì)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(gè)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(shí)際情況選擇一個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(jìn)入課題階段之前會(huì)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(xì)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(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)等，甚至包括部分醫(yī)學(xué)課程，后期實(shí)踐階段通常選擇一個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(shì)相符，也符合以醫(yī)學(xué)為中心計(jì)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(shí)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(rèn)為，這種現(xiàn)象可以從三個(gè)方面加以改進(jìn)：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(gè)性化”的專業(yè)方向和培養(yǎng)方案。②加強(qiáng)師資力量的建設(shè)，形成以課程為中心的教學(xué)團(tuán)隊(duì)?，F(xiàn)有醫(yī)學(xué)生物學(xué)教材內(nèi)容寬泛、偏重理論，對(duì)實(shí)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(bǔ)充和完善。這對(duì)授課教師的素質(zhì)提出了更高要求，要求其能根據(jù)實(shí)際情況因材施教，有所取舍，強(qiáng)化重點(diǎn)。目前，各院校教學(xué)團(tuán)隊(duì)和師資力量配備受限，建議可以課程為中心，培養(yǎng)、引進(jìn)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(tuán)隊(duì)。③實(shí)踐教學(xué)與綜合能力的培養(yǎng)。生物信息學(xué)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，要將“學(xué)有所長(zhǎng)，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(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，建設(shè)實(shí)踐教學(xué)基地等方式盡可能強(qiáng)化實(shí)踐操作訓(xùn)練［4］，后期部分學(xué)生可以結(jié)合個(gè)人興趣，本著雙向選擇的原則，將實(shí)踐階段訓(xùn)練固定到導(dǎo)師和實(shí)驗(yàn)室，并安排其參與完成某一項(xiàng)課題的設(shè)計(jì)、實(shí)施和總結(jié)，在整個(gè)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(qiáng)調(diào)知識(shí)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］。

參考文獻(xiàn)：

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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