基于真實科研情境的“免疫調(diào)節(jié)”專題復(fù)習(xí)

趙清杰 張紅艷

（北京理工大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100089）

基于《中國高考評價體系》的科學(xué)規(guī)劃，生物學(xué)科確定考查知識與觀念、科學(xué)思維、探究與創(chuàng)新、責(zé)任與擔(dān)當(dāng)4 類學(xué)科素養(yǎng)；考查理解能力、實驗探究能力、解決問題能力、創(chuàng)新能力4 種關(guān)鍵能力；通過設(shè)置生活、學(xué)習(xí)和實踐情境、科學(xué)實驗和探究情境、生命科學(xué)史情境等3 類試題情境作為實現(xiàn)考查目標(biāo)的載體[1]。高三備考復(fù)習(xí)如何應(yīng)對這些新要求？筆者通過“免疫調(diào)節(jié)專題復(fù)習(xí)”一節(jié)區(qū)級研究課，將腫瘤移植經(jīng)典實驗和腫瘤免疫治療科學(xué)研究情境嵌入教學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生運用免疫學(xué)知識分析實驗現(xiàn)象，將已有知識與關(guān)鍵信息進(jìn)行綜合，建立“免疫平衡”的觀念，并以此觀念為指導(dǎo)，設(shè)想治療腫瘤的思路和措施，從中發(fā)展科學(xué)思維、訓(xùn)練科學(xué)探究，培養(yǎng)勇于創(chuàng)新、敢于擔(dān)當(dāng)?shù)谋貍淦犯窈完P(guān)鍵能力，并建立“免疫平衡”的觀念，達(dá)成了預(yù)期的教學(xué)效果。

1 教學(xué)任務(wù)分析

在制定教學(xué)目標(biāo)時，應(yīng)綜合考慮課程標(biāo)準(zhǔn)、高考要求、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生的知識儲備、認(rèn)知心理和認(rèn)知邏輯。免疫系統(tǒng)具有防御、監(jiān)視和自穩(wěn)功能，因此，免疫調(diào)節(jié)是高等動物和人體維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的一種重要調(diào)節(jié)方式。通過第1 輪復(fù)習(xí)，學(xué)生雖已熟悉免疫調(diào)節(jié)的過程、特點、意義及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，但尚不能熟練運用知識解決真實情境中的復(fù)雜問題。多數(shù)學(xué)生能說出人體“三道防線”的組成和作用，但對于免疫系統(tǒng)的監(jiān)視和自穩(wěn)功能則模糊不清，甚至存在盲區(qū)。教材只說明了特異性免疫應(yīng)答的“正向調(diào)節(jié)”過程：吞噬細(xì)胞將抗原呈遞后，便可激活相應(yīng)的T 淋巴細(xì)胞，使其增殖、分化；而科學(xué)研究表明，免疫系統(tǒng)除了“正向調(diào)節(jié)”外，還存在“負(fù)向調(diào)節(jié)”過程，即抗原呈遞細(xì)胞（主要是樹突狀細(xì)胞）表面表達(dá)PD-L1 分子與T淋巴細(xì)胞表面的PD-1 分子相互作用，促進(jìn)T 細(xì)胞凋亡，抑制T 細(xì)胞增殖。事實上，機(jī)體正是依賴于這種正向調(diào)節(jié)與負(fù)向調(diào)節(jié)之間微妙的平衡關(guān)系，才能維持T 細(xì)胞數(shù)量的相對穩(wěn)定，從而確保免疫系統(tǒng)能對抗病原體入侵、監(jiān)視和清除癌變細(xì)胞，但同時也不至于引發(fā)過度免疫反應(yīng)對人體自身的健康器官和組織造成破壞。因此，在組織“免疫調(diào)節(jié)”專題復(fù)習(xí)時，應(yīng)鎖定上述薄弱環(huán)節(jié)，通過援引腫瘤移植實驗和腫瘤免疫治療等科研資料，設(shè)置問題情境，促進(jìn)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)，增強(qiáng)復(fù)習(xí)過程的實際獲得感，力求知識有增量、觀念有領(lǐng)悟、思維有磨練、能力有提高、方法有心得、情感有共鳴。為此，制定本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)如下：

1）運用特異性免疫原理科學(xué)地解釋腫瘤移植實驗現(xiàn)象，并設(shè)計實驗方案檢驗細(xì)胞免疫對腫瘤的監(jiān)視和清除作用。

2）通過分析PD-L1 分子對T 細(xì)胞增殖影響等科研資料，建立“免疫平衡”觀念，并以此觀念為指導(dǎo)，推測腫瘤免疫逃逸的可能機(jī)制。

3）設(shè)計實驗方案檢驗對腫瘤免疫逃逸機(jī)制的推測，并設(shè)想腫瘤免疫治療的基本思路和具體措施。

2 教學(xué)過程

2.1 科學(xué)解釋，實驗求證 援引20 世紀(jì)20年代研究人員所做的腫瘤移植實驗（圖1、圖2），用化學(xué)致癌劑甲基膽蒽（MCA）誘導(dǎo)小鼠形成腫瘤后，將腫瘤分別移植給切除腫瘤的同品系小鼠（A組）、未免疫的正常同系小鼠（B 組）、注射射線滅活腫瘤細(xì)胞進(jìn)行免疫的同品系小鼠（C 組）。設(shè)置系列問題引發(fā)學(xué)生思考：

圖1 同種腫瘤移植實驗（實驗1）[2]

圖2 異種腫瘤移植實驗（實驗2）[3]

1）A、B 2 組小鼠移植了同一種腫瘤后，為什么A 組小鼠發(fā)生免疫排斥而B 組小鼠卻有腫瘤生長？

2）為什么C 組小鼠也無腫瘤生長？綜合實驗1和實驗2，說明了特異性免疫有何特點？

3）如何通過實驗證實A、C 2 組小鼠發(fā)生的免疫排斥現(xiàn)象主要是細(xì)胞免疫應(yīng)答的結(jié)果？

解答問題1，學(xué)生需要明確細(xì)胞免疫在清除癌細(xì)胞的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。腫瘤細(xì)胞刺激活化A 組小鼠的T 細(xì)胞，使之增殖分化為記憶T細(xì)胞和效應(yīng)T 細(xì)胞。將切下的腫瘤重新移植給小鼠時，效應(yīng)T 細(xì)胞就會立刻啟動對腫瘤細(xì)胞的殺傷過程，而記憶T 細(xì)胞遇到相同抗原后也會快速、高效地引發(fā)二次免疫應(yīng)答，從而排斥腫瘤。而B組小鼠沒有經(jīng)腫瘤細(xì)胞免疫，當(dāng)體內(nèi)出現(xiàn)腫瘤細(xì)胞時，因缺乏激活的免疫系統(tǒng)的監(jiān)視作用，腫瘤細(xì)胞就難以被及時有效地清除。因此，問題1 能訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)解釋能力，檢測其是否真正理解細(xì)胞免疫應(yīng)答的過程和作用，具有很好的診斷評價功能。

設(shè)置問題2，旨在讓學(xué)生認(rèn)識到是腫瘤細(xì)胞上的特異性抗原誘導(dǎo)了特異性免疫應(yīng)答，且特異性免疫應(yīng)答具有記憶性和特異性的特點。

解決問題3，需要在細(xì)胞水平上證實細(xì)胞免疫的發(fā)生，即進(jìn)行T 細(xì)胞轉(zhuǎn)移實驗。學(xué)生經(jīng)獨立思考、相互交流后，形成如下實驗方案（圖3）：

圖3 T 淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)移實驗

實驗組用MCA 誘導(dǎo)1 號小鼠形成腫瘤；給2號小鼠注射含有經(jīng)滅活的腫瘤的緩沖液，一段時間后提取T 細(xì)胞，注射到1 號小鼠的血液中，觀測腫瘤體積變化。

對照組用MCA 誘導(dǎo)3 號小鼠形成腫瘤；給4號小鼠注射不含經(jīng)滅活的腫瘤的緩沖液，一段時間后提取T 細(xì)胞，注射到3 號小鼠的血液中，觀測腫瘤體積變化。

實驗預(yù)期：1 號小鼠腫瘤體積明顯縮小，3 號小鼠腫瘤體積繼續(xù)變大。

2.2 分析資料，建立觀念 既然免疫細(xì)胞能特異性識別腫瘤抗原并進(jìn)行清除，為什么人還會患腫瘤？這是日常生活中的問題，極易激發(fā)學(xué)生的探究興趣。由于受所學(xué)免疫學(xué)知識的限制，學(xué)生尚不能科學(xué)地解釋腫瘤免疫逃逸的機(jī)理。因此，需要教師循循善誘、因勢利導(dǎo)：為什么腫瘤細(xì)胞會逃脫免疫系統(tǒng)的監(jiān)視？除了免疫系統(tǒng)功能減弱外，腫瘤細(xì)胞可否通過抑制免疫細(xì)胞發(fā)揮作用而逃逸？正常機(jī)體怎樣維持免疫細(xì)胞數(shù)量相對穩(wěn)定（穩(wěn)態(tài)）？從而導(dǎo)入“資料分析”教學(xué)環(huán)節(jié)。

資料1：1992年，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)T 細(xì)胞中存在PD-1基因，所表達(dá)的PD-1 分子分布于T 細(xì)胞表面，并證實PD-1 分子的作用是抑制T 細(xì)胞增殖，促進(jìn)T 細(xì)胞凋亡。

資料2：1999年，中國科學(xué)家陳列平發(fā)現(xiàn)了一種在存在于吞噬細(xì)胞表面的蛋白——PD-L1。在活化的吞噬細(xì)胞表面PD-L1 分子表達(dá)水平明顯增加，并定量研究了PD-L1 分子對T 細(xì)胞增殖的影響[4]（圖4）。

圖4 PD-L1 分子對T 細(xì)胞增殖的影響[5]

教學(xué)過程的組織：

1）任務(wù)驅(qū)動：閱讀上述資料，分析圖4所示的實驗結(jié)果，你認(rèn)為PD-L1 分子抑制T 細(xì)胞增殖的機(jī)理是什么？闡明作出這一判斷的依據(jù)。

2）分析數(shù)據(jù)：①以PD-1+/+（野生型）小鼠為實驗材料進(jìn)行實驗，A、B 2 條曲線說明了什么？②PD-L1 分子和PD-1 分子均能抑制T 細(xì)胞增殖，它們是分別抑制T 細(xì)胞增殖，還是二者相互作用發(fā)揮抑制作用（圖5）？如何解決這個問題？③如果是PD-L1 分子和PD-1 分子相互作用抑制T 細(xì)胞增殖，敲除PD-1基因后，則這種抑制作用將不會發(fā)生。以PD-1-/-（基因敲除）小鼠為實驗材料進(jìn)行實驗，C、D 2 條曲線說明了什么？④綜合以上結(jié)論，試推斷PD-L1 分子抑制T 細(xì)胞增殖的機(jī)制是什么？B、D 2 條曲線顯示的實驗結(jié)果是否支持這一推斷？如此組織教學(xué)，就能讓學(xué)生在分析、解決問題的過程中，最終得出合乎邏輯的結(jié)論：PD-L1 分子與PD-1 分子相互作用，共同抑制T 細(xì)胞增殖。

圖5 PD-1 和PD-L1 抑制T 細(xì)胞增殖的可能途徑

欲全面分析數(shù)據(jù)，作出合理判斷，需首先確認(rèn)變量，明確實驗分組方式，然后根據(jù)單一變量原則解讀數(shù)據(jù)，并基于證據(jù)進(jìn)行邏輯推理。因此，資料分析活動能有效訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維，從中學(xué)習(xí)科學(xué)家解決問題的基本思路和方法：“假設(shè)-演繹”法能為實驗設(shè)計指明方向（如果是PD-L1分子和PD-1 分子相互作用抑制T 細(xì)胞增殖，敲除PD-1基因后，則這種抑制作用將不會發(fā)生）；除“加法原理”外，“減法原理”（與常態(tài)比較，人為除去某種影響因素，例如，敲除PD-1基因）也是控制自變量的常用方法。

3）建立觀念：“分析資料”活動另一項重要目的，是引導(dǎo)學(xué)生將新、舊知識進(jìn)行整合和升華，建立“T 細(xì)胞免疫平衡”觀念（圖6）。吞噬細(xì)胞呈遞抗原促進(jìn)T 細(xì)胞活化、增殖和分化；而PD-L1 和PD-1 結(jié)合則能抑制T 細(xì)胞增殖，正是由于2 種信號在機(jī)體內(nèi)同時存在，才使得T 細(xì)胞整體上能維持免疫平衡。

圖6 T 細(xì)胞免疫平衡正向與負(fù)向調(diào)節(jié)機(jī)制

2.3 大膽猜測，實驗檢驗 該環(huán)節(jié)主要是引導(dǎo)學(xué)生基于所建立的“T 細(xì)胞免疫平衡”觀念，大膽猜測腫瘤細(xì)胞免疫逃逸的原因，并設(shè)計實驗方案、預(yù)期實驗結(jié)果，以檢驗猜測是否成立，從而訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)探究能力。

1）核心問題：既然免疫系統(tǒng)能精確調(diào)控，表現(xiàn)得如此“完美”，腫瘤細(xì)胞為什么還會發(fā)生免疫逃逸？請根據(jù)“T 細(xì)胞免疫平衡”的觀念，推測其原因。

2）大膽猜測：腫瘤細(xì)胞表面也可能表達(dá)了PD-L1 分子，與T 細(xì)胞表面的PD-1 分子結(jié)合，從而抑制T 細(xì)胞增殖而逃脫免疫細(xì)胞的追殺。

3）提供證據(jù)：教師提供研究資料，以佐證學(xué)生的猜測。腫瘤組織切片染色中，利用免疫組織化學(xué)染色（一種特殊的抗原-抗體雜交法）發(fā)現(xiàn)：與正常組織相比，腫瘤細(xì)胞表面確實會表達(dá)PDL1 分子。

4）設(shè)計實驗：有學(xué)生提出質(zhì)疑：雖然腫瘤細(xì)胞表面表達(dá)PD-L1，但其能否與T 細(xì)胞表面的PD-1 結(jié)合，進(jìn)而發(fā)揮抑制T 細(xì)胞的功能？為了檢驗猜測、回應(yīng)質(zhì)疑，可讓學(xué)生選擇適當(dāng)?shù)膶嶒灢牧虾推鞑模▓D7），設(shè)計實驗方案，并預(yù)期實驗結(jié)果。

圖7 實驗材料與器材

學(xué)生經(jīng)獨立思考，相互交流，對實驗方案達(dá)成共識：將腫瘤細(xì)胞分別注射給野生型小鼠和PD-1基因敲除小鼠，待小鼠長出腫瘤后切除腫瘤進(jìn)行稱重并計數(shù)。如果假設(shè)成立，則PD-1 敲除的小鼠與野生型小鼠相比，體內(nèi)腫瘤數(shù)量更少；T 淋巴細(xì)胞數(shù)量更多。隨后，教師提供真實的研究結(jié)果（圖8），以印證學(xué)生的預(yù)期。

圖8 WT 和PD-1-/-腫瘤數(shù)目及T 細(xì)胞數(shù)目[6]

2.4 設(shè)想思路，制定對策 為了培育“責(zé)任與擔(dān)當(dāng)”等學(xué)科素養(yǎng)，訓(xùn)練解決問題能力和創(chuàng)新能力等關(guān)鍵能力，實現(xiàn)單克隆抗體等相關(guān)知識的遷移應(yīng)用，構(gòu)建免疫調(diào)節(jié)完善的知識網(wǎng)絡(luò)。教師可采用任務(wù)驅(qū)動方式組織學(xué)習(xí)活動，讓學(xué)生設(shè)想腫瘤免疫治療的基本思路和具體措施。

1）任務(wù)驅(qū)動：既然腫瘤細(xì)胞表達(dá)的PD-L1 會與T 細(xì)胞表面PD-1 結(jié)合，從而抑制T 細(xì)胞功能，如何根據(jù)這一機(jī)理對腫瘤患者進(jìn)行免疫治療？

2）基本思路：只要阻斷PD-L1 與PD-1 之間的相互結(jié)合，就能解除對T 細(xì)胞的抑制作用，從而增強(qiáng)T 細(xì)胞對腫瘤細(xì)胞的殺傷作用。

3）具體措施：可利用單克隆抗體特異性強(qiáng)的優(yōu)勢，制備抗PD-1 抗體和抗PD-L1 抗體。

4）提供資料：科學(xué)家已成功制備了針對T 細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞抗原的特異阻斷抗體，且臨床實驗結(jié)果證實，單獨使用PD-1 阻斷抗體、PD-L1 阻斷抗體或2 種抗體聯(lián)合使用，可在一定程度上阻斷腫瘤細(xì)胞對T 細(xì)胞的抑制作用，促進(jìn)T 細(xì)胞的正常增殖，最終發(fā)揮免疫細(xì)胞清除腫瘤的作用，尤其對實體腫瘤（例如，黑色素瘤）療效顯著。提供上述資料不僅可印證學(xué)生的設(shè)想，使其感受創(chuàng)新思維帶來的喜悅，并領(lǐng)悟生命科學(xué)基礎(chǔ)研究成果的科學(xué)價值和社會價值。PD-1 是一個主要表達(dá)在活化T 細(xì)胞表面的分子，其有PD-L1 和PD-L2 2 個配體。PD-L1 廣泛組成性地表達(dá)于免疫細(xì)胞及多種類型的腫瘤細(xì)胞上，而PD-L2 僅表達(dá)于活化的巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞和個別腫瘤細(xì)胞。PD-1 與其配體PD-L1 和PD-L2 結(jié)合后，可抑制T細(xì)胞的功能。許多類型的腫瘤通過上調(diào)PD-L1 的表達(dá)，以達(dá)到免疫逃逸的目的。針對PD-1/PD-L1的阻斷抗體，使T 細(xì)胞的功能重新被激活，從而解除對免疫系統(tǒng)的抑制，阻斷腫瘤并消滅腫瘤。

5）歸納總結(jié)：將正常的免疫平衡、異常的免疫逃逸和免疫抑制劑的應(yīng)用組成完整的知識網(wǎng)絡(luò)（圖9），以板書的形式展現(xiàn)，以方便學(xué)生反思和梳理，達(dá)到事半功倍的教學(xué)功效。

圖9 PD-L1 和PD-1 阻斷抗體聯(lián)合阻斷抑制信號機(jī)制圖

3 感悟與反思

1）在真實問題情境中培育學(xué)科素養(yǎng)。以腫瘤移植實驗為問題情境，調(diào)動學(xué)生運用特異性免疫原理分析腫瘤免疫排斥的原因，從而深刻理解特異性免疫所具有的“特異性”和“記憶性”顯著特點及其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。以腫瘤免疫逃逸為問題情境，將PD-L1 分子抑制T 細(xì)胞增殖的探究實驗引入教學(xué)中，通過“資料分析”等學(xué)習(xí)活動，訓(xùn)練科學(xué)探究、發(fā)展科學(xué)思維，并與已有免疫學(xué)知識相聯(lián)系，建立“T 細(xì)胞免疫平衡”的觀念。由此可見，情境不僅是學(xué)科知識轉(zhuǎn)化為學(xué)科素養(yǎng)的必要媒介，也是測評學(xué)科素養(yǎng)的良好載體。

2）在解決問題過程中訓(xùn)練關(guān)鍵能力。以“T細(xì)胞免疫平衡”的觀念為指導(dǎo)，引發(fā)學(xué)生對腫瘤免疫逃逸的原因進(jìn)行大膽猜測，并設(shè)計實驗方案、預(yù)期實驗結(jié)果，以檢驗猜測是否成立，從中訓(xùn)練學(xué)生的實驗探究能力，領(lǐng)悟“大膽地假設(shè)、小心的求證”科學(xué)探究的精髓。基于腫瘤免疫逃逸機(jī)制和單克隆抗體的相關(guān)知識，設(shè)計腫瘤治療方案，以歷練學(xué)生的解決問題能力，感受生命科學(xué)技術(shù)的社會價值和應(yīng)承擔(dān)的社會責(zé)任。因此，只有在分析和解決問題的過程中，必備知識才能轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵能力。

致謝：衷心感謝北京市特級教師蘇明學(xué)老師對本文的指導(dǎo)。