中藥代謝組學研究在教學改革中的轉化研究

摘" 要：隨著新時期的教學和科研的發展，代謝組學在中藥領域展現出了巨大的研究和應用潛力。研究人員結合生物和化學方法研究內源小分子的變化，更深入地理解中藥作用機理。學校已在中藥學專業增設中藥代謝組學相關課程和實驗，補充傳統植物生理學、分子生藥學課程，以適應“四新”研究與改革實踐。研究方法中，研究人員通過代謝組學研究各類中藥，分析代謝物變化，探索藥效，并建立多模塊式課程和立體式實踐教學體系，提升科研成果向教學轉化能力。中藥代謝組學研究和教學對提高學生理論和實踐能力發揮了重要作用，這種教學模式有助于培養學生的創新和獨立思考能力，為他們的未來工作和研究打下堅實基礎。學校的教學改革目標明確，成效顯著，將繼續推動改革，為“四新”研究和改革實踐貢獻力量。

關鍵詞：代謝組學；中藥學；教學轉化；實踐教學；組學平臺

中圖分類號：G642" "文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）05-0073-04

代謝組學是生命科學、分析化學、統計學、化學計量學和工程學知識相結合的跨學科研究方向，主要是對生物體內代謝流動態變化的宏觀描述。代謝組學的最終目標是對生物體中的所有代謝小分子進行定性和定量分析，并提供生物體在特定條件下的清晰代謝途徑［1］。由于中藥化學成分的復雜性和藥代動力學的差異性，很難從單一方面科學地闡明中藥的有效性和安全性。為了臨床療效的綜合評價，就必須闡明如何控制中藥質量、如何探索中藥療效以及如何進行中藥安全性評價等問題［2］。代謝組學作為一種系統的研究方法，采用“自下而上”的策略，從整體上反映生物系統代謝網絡的根源。本研究將從代謝組學的研究現狀、研究背景、建設目標和預期效果四個方面進行分析。

一、代謝組學的研究現狀

中藥是中華民族的瑰寶，據考證已有六千年的使用歷史。中藥的臨床療效、不良反應和預后效果具有西藥無法比擬的優勢［3］。中藥是中醫臨床遣方用藥的主要組成形式，但因化學組成相對復雜，大多是從藥用植物中提取得到的［4］。中藥功效因子的發現是中藥現代化重點關注的課題之一，為中藥質量控制、作用機制、配伍規律等諸多科學問題的研究提供了解決方案，并助推現代臨床應用［5］。中藥現代化是將傳統的中藥和現代科學技術相結合，繼承和發揚傳統中醫藥的優勢和特色，彌補了西方醫學在治療上的不足之處，使中藥產業逐步走向規模化、規范化、科學化、市場化，并最終推動中藥產業迅速發展［6］。如今中藥材資源開發、中藥炮制、中藥制備工藝以及劑型開發在生物制藥領域發展迅速，但也存在諸多瓶頸，如中藥藥效的物質基礎、中藥療效的科學評價，以及中藥栽培的質量控制等棘手問題［7］。上述問題背后的最根本原因之一是缺乏一套更加符合中藥自身特點的研究體系。2000年，“代謝組學”概念的提出，讓基于中醫學整體觀念的系統研究體系煥發出新的生機［8］。

近年來，國內代謝組學的研究逐漸受到重視。Web of Science數據庫統計得出，2010—2020年的十年間，共收錄代謝組學領域相關論文33000余篇，美國、中國和德國占據發文數量前三位。其中，中藥代謝組學有關文獻近1100篇，被引用近15000次，特別是近三年呈現迸發式增長。國內多家單位已先后開展代謝組學的研究工作，如中國科學院大連化學物理研究所、中國藥科大學、海南大學、上海交通大學、天津藥物研究院等多家單位開展了研究，并利用代謝組學方法在中藥資源、中藥復方作用機理和安全性等方面取得了一系列進展［9］。目前，多個高校院所已經建立基于核磁共振和色譜-質譜聯用技術的實驗平臺，擁有對痕量物質、代謝中間物進行結構解析和鑒定的能力。一些課題組開展了使用化學計量學和生物信息學方法解決代謝組學數據處理的問題，配置了進行代謝組學研究所需要的關鍵儀器設備。這些條件都為代謝組學的中藥現代化研究提供了良好的前期基礎。中國科學院大連化學物理研究所于2005年成立“代謝組學研究中心”。中國科學院植物研究所和中國林業科學院林業研究所圍繞植物代謝組學開展大量研究工作。SpringerLink出版社出版的學術期刊“Metabolomics”由中國科學院大連化物所許國旺研究員擔任雜志編委。相關研究人員先后在國際著名的Metabolo-mics， Protein amp; Cell， Journal of Proteome Research等雜志發表學術論文，充分體現了國內的研究越來越受到國際同行的重視。

二、中藥代謝組學的研究背景

中醫的一個顯著特點是“協同作用”，即復方的作用大于單方的作用。然而，這一特點不僅是中醫藥的優勢，也是中醫藥研究的障礙，正是因其復雜的化學成分及其相互作用，以及對應人體的多個靶點，使得中藥運用現代醫學體系難以闡明其治病機理［10］。系統生物學是當今生命科學的熱點，符合中醫的整體觀念和實踐，有助于理解其分子機制。作為系統生物學的一個分支，代謝組學提供了一個精確的表型動態表征，用來發掘潛在的生物標記物。通過對復雜生物體系和中草藥樣品進行指紋圖譜分析，可以全面了解中藥的炮制機理、安全性和有效性［11］。中藥代謝組學是一門新興的技術，它結合了中藥學和代謝組學的原理和方法，并以此為基礎研究中藥在人體內的代謝過程和藥效成分的作用機制。這種技術的應用具有廣泛的潛力和前景［12］。

在代謝組學領域，中藥代謝組學可以被用來探究中藥對維持人體健康的作用。通過分析中藥在人體內的代謝產物及其濃度變化，研究人員可以得出中藥對人體的作用和副作用，甚至可以揭示中藥與疾病之間相互作用的機制，從而更好地設計中藥治療方案和優化中藥配伍。中藥代謝組學也可以被用來探索中藥的多樣性和復雜性。中藥是由數百種化學成分組成的復雜混合物，其中每種成分都可能在人體內發揮不同的作用。通過代謝組學技術，研究人員可以系統地分析中藥中各種成分的代謝產物，揭示中藥成分之間的相互關系和作用機制，為深入研究中藥的藥理學奠定基礎。

當代藥學研究中，中藥代謝組學已成為一個備受關注的領域。它結合了中藥學、代謝組學和計算生物學等多個領域的知識，通過綜合分析中藥在人體內的代謝產物及其濃度變化，為中藥的藥理學研究提供更有深度的認識。除此之外，中藥代謝組學也可以被用于探索中藥與現代醫學之間的聯系，為中西醫結合提供更加科學的依據。例如在研究中藥治療癌癥方面，中藥代謝組學不僅可以揭示中藥成分之間的相互作用和藥物代謝的途徑，還可以評估化療方案的效果并提供更好的治療策略。

中藥代謝組學是一個具有廣泛應用前景的領域，它為中藥學、藥理學和臨床醫學等領域提供了新的研究方法和技術手段。隨著技術的不斷發展和完善，中藥代謝組學將會在更多方面發揮重要作用，為人們帶來更多的驚喜與突破。

三、課程建設目標

（一）瞄準成果轉化方向

為了有效地將代謝組學的研究成果融入教學實踐，讓學生在實踐中提升分析和解決問題的能力，研究人員需要構建一個旨在將教學和科研緊密結合的體系。首先對現有的共性課程進行整合，按照學科方向進行模塊化設計。每個模塊圍繞一個特定的科學問題或研究領域，以便引導學生系統地學習和理解。其次，研究人員要建立一個高校與企業、科研院所或公共實驗中心的合作平臺。通過這個平臺，研究人員可以有效地利用豐富的實踐教學資源，讓學生有機會在實踐中應用和深化在課堂上學到的理論知識。最后，研究人員需要找到與社會生產需求和行業發展瓶頸密切相關的問題，并找到解決這些問題的策略和方法。學生在參與這些實踐活動的過程中，不僅可以提高自身的專業技能和素養，還可以增強自身的問題解決能力和創新能力。

（二）完善課程平臺構架

以學校“中藥學”省級高峰學科平臺為基礎，建立多種中藥材代謝組學數據庫集成平臺。構建中藥代謝組學系列專業課程實驗一體化，囊括中藥代謝指紋圖譜構建、中藥藥用成分代謝輪廓分析、中藥靶向代謝組學分析等教學模塊及實驗課程，將多門具有共性的課程實驗融合，開發綜合型、有深度、有系統性的研究性實驗項目［13-14］。依托省級石斛產業化協同創新中心、省中藥資源保護和持續利用工程實驗室、省中藥生態工程研究中心等科研平臺，進一步融合科研與教學，實施多途徑、多手段、多形式的實踐教學模式。目前已建成中藥活性成分分離純化、色譜/質譜技術下的藥材質量控制、中藥功效因子代謝譜三個代謝組學分析平臺，建立道地藥材霍山石斛色譜檢測平臺等［15］，為專業課程實驗一體化提供支持。

（三）加強理論與實踐結合

通過將科研成果與課程章節、實驗項目結合，提高學生動手綜合實踐及解決問題的能力。以“研究平臺+模塊化”組合式課程體系為載體，將中藥代謝組學科研成果擴展至專業課程教學。針對儀器分析、分子生藥學、中藥學幾門課程的教學內容，在一些課程教學中添加相關內容。儀器分析課程是學院生物工程、食品科學等專業的核心課程，主要是利用高精尖儀器對物質進行定性、定量和表征，其中涉及的光譜法和色譜法課程部分與代謝組學密切相關。分子生藥學課程主要讓學生熟悉各類藥用植物，掌握植物天然產物生物合成關鍵酶的鑒定和功能分析等實驗技能，宏觀層面的研究方向集中在天然產物積累規律的代謝譜分析、不同品種和產地藥用植物的品種區分和質量評價等方面，以上都需要使用代謝組學技術。中藥學是醫藥類專業的專業核心課程之一，是為培養具有中藥與中醫基礎知識背景，系統掌握中醫藥學的基本理論，掌握中藥研制的基本技能及現代醫藥學的相關知識的中藥學專門人才。課程中涉及的中藥及復方藥效的物質基礎，道地藥材生產質量規范，中藥炮制加工，中藥與復方機理作用，中藥藥物體內代謝等部分都與中藥代謝組學密切關聯。

（四）強化內部管理機制

作為工科院校，學校一直以來重視本科生實踐能力的培養，提倡將課堂所學知識靈活地運用到課后生產實踐中，提升學生在本專業領域解決實際問題的能力，培養合格的創新型人才。本項目基于“研究平臺+模塊化”課程體系建設和多模塊立體式實踐教學體系，將中藥代謝組學研究成果以授課方式滲透至生物化學、儀器分析、植物細胞工程、植物天然產物開發、中藥學、生物物質分離工程等課程教學中。對課程體系建設、培養方案和教學大綱修訂、實踐教學體系搭建、專業教育階段的多模式設計、教學管理完善等方面進行綜合改革，構建創新人才培養體系，培養符合企業和高校急需的工科應用型人才。設計具有專業特征的學科教學環節，建立一套具有可操作性的運行機制和管理機制，達到在生物工程、生物制藥、食品加工領域培養高素質、創造性專業人才的目的。

四、預期效果

（一）整合相關學科方向

研究人員構建了一個以“研究平臺+模塊化”為核心的組合式課程體系，旨在將中藥代謝組學的科研成果擴展至中藥學、儀器分析、植物天然產物開發等課程中。這個體系的核心是模塊化立體式實踐教學，這種創新的教學方式旨在讓學生在學習過程中能更深入地了解和掌握代謝組學的研究方向和方法。

在課程設計上，研究人員強調實踐操作和實驗技能的訓練。學生將有機會設計并實施代謝組學的基礎實驗，從而深入理解和掌握這一領域的基本研究方法和技術。研究人員還會讓學生學習和掌握常見分析儀器的使用規范和注意事項，以確保他們在實驗操作過程中的科學操作與實驗安全。

為了提高學生的主觀能動性和邏輯思維能力，研究人員鼓勵本科生積極參與研究性學習課題或大學生創新創業訓練項目。通過這種方式，學生可以將所學知識用于解決實際問題，培養創新思維和實踐能力。

這種模塊化立體式實踐教學體系的目標是將技術創新轉化為學生的實踐運用能力，使他們在學習過程中能更好地將理論知識與實踐操作相結合，提高綜合能力和專業素養，為學生未來在科研和工作中獨立解決問題打下堅實的基礎。

（二）深化教學課程改革

加強精品課程建設，爭取申報校級乃至省級精品課程。建立虛擬仿真實驗教學、網絡教學等智慧型教學工具，使理論問題形象化、立體化，豐富實踐教學過程，提升教學質量。著重在中藥學、儀器分析、植物天然產物開發等課程章節和實驗課程適當增加代謝組學課程講授，介紹有關技術和前沿進展。創新教改教研思路，提升精品課程質量和層次，打造形象化、立體化和個性化的智慧型教學。

（三）提升師資教學水平

通過整合目前市面“代謝組學”相關教材和期刊資源，理論課程緊跟前沿研究科技成果，凝練一批代謝組學技術轉化生產應用成果，努力將教學與科研資源一體化融合，輔助精品課程建設等教學改革舉措。培養年輕教師隊伍，通過培訓或進修方式，對接有關高校、科研院所、企業校外實習培訓基地，完善授課教師對組學分析大型儀器的了解和使用，強化代課教師對中藥代謝組學數據處理和分析方法的掌握。

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（薦稿人：金青，安徽農業大學生命科學學院教授）

（責任編輯：淳潔）