王取南，趙玲俐，孫美芳，高 藍(lán)，張 程，王 華，張 君，徐德祥

[安徽醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生毒理學(xué)系(環(huán)境毒理學(xué)安徽高校省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，安徽合肥 230032]

毒理學(xué)研究主要以體外研究、整體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人體觀察相結(jié)合為主要手段。在研究過(guò)程中常常會(huì)使用大量動(dòng)物。如何盡可能減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物數(shù)量，減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的痛苦，并充分利用每只動(dòng)物，是每個(gè)毒理實(shí)驗(yàn)需要關(guān)注的內(nèi)容。毒理學(xué)中的“3R”原則指“優(yōu)化”(refinement)實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)，“減少”(reduction)受試動(dòng)物數(shù)量和痛苦和“替代”(replacement)整體動(dòng)物試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。通過(guò)3R原則，可明顯減少動(dòng)物的使用量[1]。以“3R”實(shí)驗(yàn)為導(dǎo)向設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法被定義為毒理學(xué)替代法。例如，傳統(tǒng)的LD50檢測(cè)方法需要使用大量的動(dòng)物，以“3R”原則為導(dǎo)向設(shè)計(jì)的“固定計(jì)量法”、急性毒性分級(jí)法、上下法等可以使動(dòng)物使用量大大減少[2]。但是，在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，“3R”原則還沒(méi)有真正落實(shí)，仍然存在使用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物數(shù)量過(guò)多和動(dòng)物利用不充分的問(wèn)題。

1 毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題及解決路徑

在本科毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一般開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程需要用到不少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，如染毒方法、生物材料采集、小鼠骨髓嗜多染紅細(xì)胞微核試驗(yàn)和精子畸形試驗(yàn)。除教師示教用小鼠外，每次每位學(xué)生至少使用1只小鼠，一般情況還得多準(zhǔn)備若干只小鼠備用。

每次課程有其特定的有限教學(xué)目的，小鼠也只能發(fā)揮較單一的作用。例如“生物材料采集實(shí)驗(yàn)”，主要目的是要求學(xué)生掌握小鼠臟器的位置和摘取方法，并計(jì)算部分臟器的臟器系數(shù)；“微核實(shí)驗(yàn)”每次都用同樣的樣品處理小鼠，并且在小鼠剖殺后，只取胸骨，擠出骨髓涂片染色觀察，其它臟器不被有效利用；精子畸形實(shí)驗(yàn)中，剖殺前35 d給藥，剖殺時(shí)只使用了附睪尾，處理時(shí)間長(zhǎng)，利用率低。為防止污染，備用小鼠在課程結(jié)束后不能再放回鼠房，通常使用頸椎脫臼處死[3]。

實(shí)驗(yàn)課程可以像科研課題那樣，選定某特定化學(xué)物，針對(duì)特定科學(xué)問(wèn)題，合理設(shè)計(jì)，將一些傳統(tǒng)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行合理整合，這樣就能通過(guò)一次實(shí)驗(yàn)課達(dá)到傳統(tǒng)單項(xiàng)課程多次課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，大大提高教授學(xué)生基礎(chǔ)毒理實(shí)驗(yàn)知識(shí)和訓(xùn)練基本實(shí)驗(yàn)技能的課程效率，還可以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程、方法和技術(shù)，減少使用動(dòng)物數(shù)量，用生物材料的檢測(cè)替代整體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“3R”原則。因?yàn)槭穷愃瓶蒲姓n題的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，還可以引導(dǎo)學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題或科學(xué)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新力。

在安徽醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院2015級(jí)食品質(zhì)量與安全專業(yè)的本科生實(shí)驗(yàn)中展開(kāi)了試點(diǎn)。受試物為鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)。

2 以“3R”原則為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)試點(diǎn)

2.1文獻(xiàn)檢索 DEHP是塑料中含量較高的一種塑化劑，以非共價(jià)結(jié)合方式存在于塑料中，很容易轉(zhuǎn)移到環(huán)境中。生活中，常用的塑料制品如水杯、碗筷和包裝袋等都含有DEHP，并能夠轉(zhuǎn)移到飲料、飯菜和零食里，進(jìn)入機(jī)體產(chǎn)生毒性作用，屬于食品毒理學(xué)范疇。為了解DEHP的相關(guān)毒性作用，首先布置學(xué)生進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)檢索和閱讀，認(rèn)識(shí)到DEHP有抗雄激素和擬雌激素作用，是環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，且具有生殖毒性、發(fā)育毒性和致癌作用；然后引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)DEHP的毒性作用特點(diǎn)，分析和提出一些小的科學(xué)問(wèn)題并設(shè)計(jì)相應(yīng)的解決方案，進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新研究設(shè)計(jì)。

2.2小科學(xué)問(wèn)題的提出和解決方案分析 (1)與非遺傳毒性致癌物不同，遺傳毒性致癌物通常具有致突變性。DEHP是否有致突變作用？致突變作用是發(fā)生在體細(xì)胞還是生殖細(xì)胞中呢？本科生實(shí)驗(yàn)中的“小鼠骨髓嗜多染紅細(xì)胞微核試驗(yàn)”是用于檢測(cè)DNA斷裂劑和非整倍體誘變劑的致突變性檢測(cè)方法，可檢測(cè)外源化學(xué)物對(duì)體細(xì)胞的致突變性；“小鼠精子畸形”實(shí)驗(yàn)可以反映雄性生殖毒性，陽(yáng)性結(jié)果還提示受試物可能具有生殖細(xì)胞致突變性。(2)DEHP是環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，是否會(huì)影響動(dòng)物血清中的性激素水平？可以通過(guò)麻醉下經(jīng)眼內(nèi)眥取血方法，保留血液樣品，制備血清超低溫保存?zhèn)溆?，后期用ELISA法檢測(cè)激素水平，獲得DEHP影響內(nèi)分泌的血清學(xué)證據(jù)。(3)具有內(nèi)分泌干擾特性的DEHP是否影響組織器官性激素受體表達(dá)？小鼠麻醉取血后脫頸處死，摘取各臟器，部分多聚甲醛固定備后期冰凍切片用于性激素受體的免疫組織化學(xué)；部分超低溫保存，后期勻漿提取蛋白和核酸，用于Western-blotting和RT-qPCR檢測(cè)性激素受體蛋白和mRNA的表達(dá)水平。

2.3實(shí)驗(yàn)方法的選擇和設(shè)計(jì) (1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目：課堂教學(xué)完成實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生物材料的采集、小鼠骨髓嗜多染紅細(xì)胞微核試驗(yàn)和小鼠精子畸形制片；課后有興趣的學(xué)生跟隨碩士研究生進(jìn)行ELISA法檢測(cè)激素水平，激素受體的免疫組化、Western-blotting和RT-qPCR等拓展項(xiàng)目。(2)染毒方法：因?yàn)椤靶∈缶踊巍睂?shí)驗(yàn)從給藥到剖殺耗時(shí)較長(zhǎng)，且教學(xué)中主要訓(xùn)練學(xué)生制片方法，因此依據(jù)小鼠骨髓嗜多染紅細(xì)胞微核試驗(yàn)的急性染毒進(jìn)行。小鼠禁食后，根據(jù)雌雄各半的原則和按體重半隨機(jī)分組法分為5組，包括陽(yáng)性對(duì)照組，腹腔注射環(huán)磷酰胺；陰性對(duì)照組，灌胃給予不加DEHP的乳糜制劑；低、中、高劑量組，灌胃給予不同劑量的DEHP乳糜制劑。提前24 h給藥1次。(3)實(shí)驗(yàn)流程：給藥24 h后，稱體重，麻醉下經(jīng)眼內(nèi)眥取血，常規(guī)制備血清，超低溫保存?zhèn)溆?。完成取血后，脫頸處死小鼠，胸骨骨髓涂片行微核試驗(yàn)，取附睪尾行精子制片備后續(xù)染色觀察，摘取各臟器稱重，部分多聚甲醛固定備用，部分先液氮速凍，后轉(zhuǎn)移到-80 ℃超低溫保存?zhèn)溆谩?/p>

2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果 傳統(tǒng)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生物材料采集、小鼠骨髓嗜多染紅細(xì)胞微核試驗(yàn)和小鼠精子畸形是單獨(dú)開(kāi)設(shè)的三次實(shí)驗(yàn)課，試點(diǎn)試驗(yàn)課通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和流程，將它們整合為一次課程，落實(shí)了3R原則中的“優(yōu)化”原則；實(shí)驗(yàn)動(dòng)物數(shù)量只需要傳統(tǒng)課程需要量的三分之一，節(jié)約了三分之二的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，體現(xiàn)了3R原則中“減少”的應(yīng)用(表1)；部分同學(xué)基于試點(diǎn)試驗(yàn)，申請(qǐng)DEHP環(huán)境內(nèi)分泌干擾作用機(jī)制的創(chuàng)新研究項(xiàng)目，直接利用保存的生物材料樣品，代替整體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了3R原則中“替代”的應(yīng)用。

表1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，在完成既定教學(xué)任務(wù)基礎(chǔ)上，學(xué)生初步了解了科學(xué)研究的一般過(guò)程，了解了毒理學(xué)中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和方法的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，懂得了陽(yáng)性對(duì)照和陰性對(duì)照的設(shè)計(jì)意義。學(xué)生后續(xù)完成了小鼠精子染色觀察，部分學(xué)生跟隨研究生進(jìn)行了后續(xù)的形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)(免疫組化)和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的科研興趣，激發(fā)了學(xué)生的科研熱情，部分學(xué)生組隊(duì)申請(qǐng)了大學(xué)生創(chuàng)新研究項(xiàng)目。

3 總結(jié)與展望

本次試點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用從單純的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)化為在完成基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)小的科學(xué)研究。這種轉(zhuǎn)化不僅充分利用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，貫徹了“3R”原則，還提升了學(xué)生們的創(chuàng)新科學(xué)思維，為他們將來(lái)可能經(jīng)歷的科研道路做了鋪墊。

在毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)中還有一些可以轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)與科學(xué)研究共同進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)學(xué)習(xí)為科學(xué)研究提供了實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)，而科學(xué)研究提升了實(shí)驗(yàn)操作的價(jià)值。系統(tǒng)化的操作過(guò)程，為學(xué)生在未來(lái)參與科研課題時(shí)開(kāi)拓了視野[4]。這些實(shí)驗(yàn)如果都能轉(zhuǎn)化為解決某個(gè)科學(xué)問(wèn)題的手段，那么學(xué)生能真正從簡(jiǎn)單接受知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)的被動(dòng)學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)尋找科學(xué)問(wèn)題、積極參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，有利于激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用課堂所學(xué)，思考和解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的熱情和能力。

針對(duì)學(xué)科特定的科學(xué)問(wèn)題，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)課程整合為綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，或可稱為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科研化。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程科研化改革，必將為大學(xué)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)更多的生機(jī)和活力。