生殖毒性虚拟仿真实验

马丽浙江大学上线时间:2024年
  • 所属专业类:药学类
  • 对应专业:药学
  • 课程类型:专业核心课
  • 实验类型:综合设计型
所属课程:药物研发综合实验

动物生殖毒性试验是评价孕期用药安全与否的重要环节,但因其存在实验周期长、场地限制大、实验成本高、操作难度大等问题,加上妊娠动物给药、解剖并制作胎仔标本带来的动物伦理问题,难以实现传统实验教学。 生殖毒性虚拟仿真实验项目依托浙江大学药学院药理学与毒理学学科优势,应用先进的信息技术,模拟出专业的实验环境,并以虚补实、虚实结合的原则优化实验内容、开展线上线下混合式实践教学,完善药物研发综合实验课程。

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  • 浏览量 7093
  • 实验人次 976
  • 实验人数 819
  • 实验平均用时 60'
  • 实验完成率 88%
  • 实验通过率 按人次 68.5%按人数 72.6%
按人次按人数
  • 优秀 44.88%
  • 达标 23.67%
  • 不达标 31.45%

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团队成员

实验教学目标实验原理实验教学过程与实验方法实验步骤实验结果与结论

本项目实验内容来源于新药创制重要环节中的药物生殖毒性科学研究一线,通过合理优化,设计了“实验设计教学+实验操作视频教学+实验场景仿真+虚拟实验仿真+科研实际案例”的实验架构,“理论讲解+操作演练+场景体验+虚拟实验学习”的教学方式和“实验预习测试性闯关+屏障场景互动操作式闯关+实验测试性考核+综合设计性考核”的多维度评分系统。实验旨在全面提升学生对生殖毒性实验的原理理解、实验设计和操作能力、个体数据评价能力、群体数据统计分析能力等。本项目使学生通过“预习模块教学”夯实生殖毒性实验的基础知识,通过其中的“实验操作视频教学”以及后续“屏障进出场景互动教学”加强对实验场景和规范操作的感性认知和知识扩充,最终在虚拟实验环境下进行“胚胎-胎仔发育毒性试验实际操作”。目标是提升学生的操作技能和对动物生殖毒性表现的判断能力,以更好地提高孕期安全用药意识,提升药物创新实践能力,培养全面发展的高素质药学人才。

通过本虚拟仿真实验,学生可达到以下知识和能力水平:

①全面掌握生殖毒性实验基础知识,以辨析大鼠胚胎-胎仔发育毒性特征为目标,实验方案中的知识点包括大鼠随机分组(分笼、标记、合笼、孕鼠检出)、给药设计(药物剂量、药液配制、给药方式、给药时间)、孕鼠给药期监测(体重、食量)和解剖后一般观察、胎仔内脏切片(八刀法)制作和观察、胎仔骨骼标本制作和畸形判断等,通过个体样本的观察和最终仿真数据的统计分析,全方位理解生殖毒性实验的科学性。

②真实感知生殖毒性实验室中屏障系统的一更、二更、风淋等重要无菌设施和操作规范,对无特殊病原体实验环境的设计有深刻的认识。通过虚拟实验操作全方位理解屏障系统的具体应用场景。

③深刻理解动物实验中正确配制药液对给药剂量准确的重要性,以实验室中口服药液配制为场景,把控配制操作关键点,具备动物实验特定给药剂量下药液配制的基本常识和配制能力。

④深刻理解生殖毒性实验中监测动物生理指标的重要性,以孕鼠给药为场景,熟悉给药方式、给药周期及给药期间的观察记录指标,具备动物给药操作和实验观察能力。

⑤掌握药物对胎仔内脏致畸作用的判断标准,以胎仔标本八刀法切片制作为场景,精准把握八刀法下刀位置,掌握每刀下不同内脏组织(头部、胸部、腹部)的畸形特征,具备生殖毒性八刀法实操能力,掌握关键技术难点。

⑥掌握药物对胎仔骨骼致畸作用的判断标准,以胎仔骨骼标本制作和观察为场景,把握胎仔头骨、枕骨、锁骨、坐骨、胸骨等部位的发育特征,具备对骨骼发育不全和未发育的判断能力。

(1)实验原理:

项目基于新药创制中孕期用药安全性评价的核心问题,根据生殖毒性试验、实验动物屏障系统、孕鼠制备、致畸敏感期给药、胚胎-胎仔发育毒性检查等五个实验主要原理知识点,设计了理论学习-屏障进出-虚拟实验的阶梯式实验环节,前两个环节作为第三个正式实验环境的闯关条件。通过对这些知识点的学习和虚拟实践,学生可以掌握生殖毒性研究的主要概念、实验设计思路、动物给药操作等,熟悉实验动物屏障系统专业的实验环境和规范的进出流程,掌握生殖毒性试验的实验设计、操作步骤和结果评判要点,学会动物致畸敏感期给药后妊娠动物和胚胎-胎仔实验数据的采集、处理及统计分析方法,并根据统计分析结果,客观评判虚拟受试物的生殖毒性。

图2.jpg


原理-2.png

知识点:
5
  1. 1. 生殖毒性试验:外源化学物可通过亲代影响生殖过程的一个或几个阶段,产生生殖毒性。根据影响生殖过程的阶段不同,药物生殖毒性试验可分为三段,其中Ⅱ段试验是胚胎-胎仔发育毒性(致畸敏感期生殖毒性)试验,在胚胎发育的致畸敏感期给药,考察母体孕期接触药物可能对胎儿造成的影响,是生殖毒性试验的重点考察内容。
  2. 2. 实验动物屏障系统:我国《新药注册管理办法》规定可能用于育龄人群的新药,均应进行动物生殖毒性研究,实验环境为药物安全评价中心GLP实验室的屏障系统,适用于饲养无特定病原体的实验动物。进入屏障系统的人、动物和物品必须经过严格的微生物控制。空气经过滤器进入屏障系统,结净度达到10000级。利用空调送风系统形成清洁走廊、动物房、污染走廊、室外的静压差梯度,以防止空气逆向形成的污染。空气、人、动物、物品的走向采用单向流通路线。实验者应穿戴无菌服、口罩、帽子、手套以尽量减少和动物的直接接触。
  3. 3. 孕鼠制备:动物交配和受孕是指将性成熟的雌性动物和雄性动物1:1合笼交配,次晨检查阴栓,并通过雌性动物阴道涂片检查精子提示受孕情况。雌性动物交配成功当日记为妊娠第0天(Gestation Day 0,GD0),并将其随机分配到各试验组和对照组中。
  4. 4. 致畸敏感期给药:是指对致畸作用最敏感的胚胎发育阶段(器官形成期)妊娠母体给药。一般认为人从妊娠三周到三个月期间为致畸敏感期。在动物致畸试验中一般于实验动物妊娠的前1/3期开始给药,给药至胚胎硬腭闭合形成胎仔,大鼠对应为妊娠第6-15天(GD6-15)。
  5. 5. 胚胎-胎仔发育毒性检查:将动物于分娩前一日(大鼠GD20)实施安乐死,沿腹中线剖开动物,暴露子宫角及卵巢,剖取胎仔检查其死活、性别,并观察外形、骨骼、内脏等有无畸形。主要检查内容如下: a胚胎-胎仔一般检查:辨认并记录活胎数、死胎数、着床数、吸收胎数、早期死胎、晚期死胎;借助放大镜观察黄体数(黄体是卵泡排卵后形成于卵巢表面、呈黄色鱼子状的突起,反映孕鼠的排卵数)。 b胎仔外观检查:根据肛殖距分辨活胎性别,测量身长、尾长和重量,并观察外观是否畸形。 c胎仔内脏检查:每窝孕鼠约一半活胎保存固定后进行内脏检查。用八刀法切开胎仔标本进行内脏检查。 d胎仔骨骼检查:每窝孕鼠约一半活胎保存固定后进行骨骼染色和检查,确认骨骼的骨化情况、常规计数、畸形改变等。
(2)核心要素仿真设计:
     ①基于实验动物屏障系统的场景仿真:对通过国家GLP认证和国际AAALAC认证的实验动物屏障系统进行3D虚拟仿真,展现严格的进出路线和无菌操作,为学习者提供身临其境的体验感,培养学生的生物安全意识及认真对待科研工作的责任感和使命感。
    ②基于科研数据获取的虚拟实验仿真:在屏障内仿真展示了动物入室、分笼标记、合笼、孕鼠检出、随机分组、孕鼠给药、体重和摄食量测定等交互步骤,高度模拟科研实验操作,结合科研的显微检查图片(能实不虚),并在屏障外的虚拟实验室仿真展示了药液配制步骤和要点,保证了学生真实操作的体验感,所学实验技能可迁移到线下的其他动物实验中。
    ③胚胎-胎仔发育毒性检查实验仿真:实验在虚拟仿真的解剖室内进行,孕鼠解剖过程高度仿真,取出胎仔后的黄体肉眼难以看清,对3D仿真黄体可实现放大缩小和360度旋转,便于计数。实验数据来源的核心是胎仔外观和骨骼染色标本的检查,因此对胎仔和骨骼标本进行了高度仿真,学生可对3D仿真标本进行缩放和旋转,进行多角度观察和测量,结合真实胎仔骨骼和内脏切片图片(能实不虚)对典型结果进行判断,实验结束后由系统给出全部仿真数据。
(1)学生交互性操作步骤:
共15 步
1动物入住屏障系统熟练掌握动物进入屏障系统和动物分组实际场景51.学生需进行实验操作,并完成客观题测试。 ·回答正确,得2分 ·错误不得分 2.学生自主设计动物分组。 ·第一次分组正确,得3分 ·第二次分组正确,得2分 ·第三次分组正确,得1分 ·大于三次不得分9
2动物合笼熟练操作动物合笼并做好合笼标记3学生操作完成合笼环节,并完成测试题3题。 ·回答正确得分 ·错误不得分6
3孕鼠检出熟练掌握孕鼠特征,检出孕鼠。3学生点击阴栓图片及阴道涂片,掌握孕鼠特征。 ·辨析正确,得4分 ·错误不得分4
4孕鼠按体重随机分组掌握孕鼠分组原则,完成监测孕鼠孕期数据3学生操作进行孕鼠分组,掌握分组要素,完成1道测试题。 ·回答正确,得分 ·错误不得分2
5药液配制掌握孕鼠给药剂量方案设计并准确配置。51.学生需根据给药剂量通过计算设计药液配制浓度及配制方法,并输入。 ·计算正确,得4分 ·错误不得分 2.学生需根据阳性对照品剂量通过计算设计合适的配制方法,并输入。 ·计算正确,得2分 ·错误不得分 3.学生需操作药物配制全过程,完成3道测试题 ·每道测试题2分,合计6分,正确得分 ·错误不得分12
6动物给药掌握孕鼠给药剂量和给药期节点。3学生需进行孕鼠灌胃给药操作,掌握孕鼠给药周期,完成测试题2道。 ·每道测试题2分,合计4分,正确得分 ·错误不得分4
7动物观察准确掌握孕鼠给药期间一般临床表现3学生需经理论学习完成3道测试题。 ·每道测试题正确得2分,合计6分 ·错误不得分6
8动物安乐死正确认识孕鼠安乐死,并掌握安乐死用药及给药途径原理2学生需对安乐死基础知识认知正确,完成相关知识点测试3题。 ·每道测试题正确得2分,合计6分 ·错误不得分6
9孕鼠解剖后一般检查熟练掌握孕鼠解剖后对子宫、黄体的观察及记录。3学生需解剖孕鼠腹部获取子宫及子宫两个腹侧顶端的卵巢黄体,客观题5题。 ·选择正确得分 ·错误不得分14
10胎仔外观检查熟练解剖子宫取出胎仔,掌握胎仔各项指标参数。观察胎仔外观并记录死胎、活胎数量,辨认活胎性别3学生需点击子宫进入解剖获得胎仔,操作3D胎仔模型,完成胎仔指标参数确定。 ·掌握公母辨析参数,得3分 ·错误不得分3
11胎仔测量熟练掌握游标卡尺测量胎仔顶臀长值3学生需点击游标卡尺对胎仔顶臀长进行测定,称量胎仔重量,并输入顶臀长测定结果,系统给出判定。 ·第一次输入正确,得2分 ·第二次输入正确,得1分 ·大于2次不得分 学生操作前选择测量工具 ·选择正确,得2分 ·错误不得分4
12胎仔标本制作掌握胎仔标本制作-固定法3学生通过虚拟实验完成胎仔标本制作,完成测试题。 ·选择正确,得6分 ·错误不得分6
13胎仔内脏检查熟练掌握胎仔标本八切法5学生需掌握八刀法准确下刀位置,熟悉每刀所得组织切片。 ·回答正确,得2分 ·错误不得分 2
14胎仔骨骼检查能够准确观察分析各类胎仔骨骼畸形特征5学生需点击胎仔骨骼标本(6组),1.熟悉并掌握骨骼畸形特征,完成3D骨骼畸形辨析,并输入正确答案 ·每组第一次输入正确,得2分 ·每组第二次输入正确,得1分 ·大于二次次不得分 2.完成科研真实生殖毒性骨骼畸形案例分析。 ·回答正确得分 ·回答错误不得分22
15数据处理与统计分析掌握真实科研数据处理与统计分析的关键点2每组分别获得不同的真实生殖毒性实验数据,用于统计分析和报告撰写0
(2)交互性步骤详细说明:

虚拟实验步骤分为5个模块,共15个交互步骤。见图2。

图11 虚拟实验的5个模块和15个交互步骤.png

图2 虚拟实验的5个模块和15个步骤

模块1:动物进入屏障系统(1个步骤)

交互步骤1:动物入住屏障系统

动物通过传递窗进入屏障系统,分笼饲养,填写笼位标签。见图3。

图17.jpg

图3 动物入住屏障后分笼饲养

模块2:动物交配和受孕分组(3个步骤)

交互步骤2:动物合笼

动物合笼并填写合笼动物笼位标签。见图4。

图13 雌雄动物合笼并填写合笼动物笼位标签.png

图4 雌雄动物合笼并填写合笼动物笼位标签

交互步骤3:孕鼠检出

检查阴栓,并通过阴道涂片查精子,检出孕鼠。示例见图5。

阴栓.png

图5 阴栓和阴道涂片检查

交互步骤4:孕鼠按体重随机分组

孕鼠称重并记录体重,从大到小排序后随机分组,填写孕鼠笼位标签。示例见图6。

图15 孕鼠按体重随机分组.png

图6 孕鼠按体重随机分组

模块3:致畸敏感期给药和观察(3个步骤)

交互步骤5:药液配制

按照实验提示配制药液,检测浓度,保存。配制过程示例见图7。

配药.png

图7 药液配制过程示例

交互步骤6:动物给药

胚胎-胎仔生殖毒性试验GD6-15给药,并做好称重和给药记录。示例见图8。

图17 动物给药和记录.png

图8 动物给药示例

交互步骤7:动物观察

给药期间观察动物症状,记录体重、摄食量等。

模块4:胚胎-胎仔发育毒性检查(7个步骤)

交互步骤8:动物安乐死

分娩前一天(GD20)处死孕鼠。考核动物用戊巴比妥钠麻醉安乐死的知识点。动物解剖室场景示例见图9

安乐死.png

图9 动物解剖室场景

交互步骤9:孕鼠解剖后一般检查

解剖动物,取出子宫称重。剪开子宫,取出胎仔,称取活胎及胎盘重量,记录死胎、活胎数量。借助放大镜观察并计算黄体数,记录。示例见图10。

图19 孕鼠一般检查.png

图10 孕鼠一般检查

交互步骤10:胎仔外观检查

小心剖取胎仔,仔细观察胎仔外观有无畸形,记录。示例见图11。

图20 胎仔外观检查.png

图11 胎仔外观检查

交互步骤11:胎仔测量

    称量胎仔体重,并用游标卡尺测量胎仔顶臀长,记录。示例见图12。

顶臀比.png

图12 胎仔身长和尾长测量

交互步骤12:胎仔标本制作

将胎仔按性别分开,每种性别的一半固定,做内脏检查。另一半胎仔固定后染色,制成骨骼标本,做骨骼畸形检查。示例见图13。

图27.jpg

图13胎仔标本制作

交互步骤13:胎仔内脏检查

胎仔固定2周后,用八刀法检查胎仔内脏。示例见图14。

第1刀:从两唇间向两耳下缘方向横切,一般舌附在上腭表面,摘舌后检查上腭部。主观察舌有无畸形,有无腭裂。

第2刀:两眼与鼻尖部1/2处作一垂直切面,主要检查两鼻孔和鼻中隔。

第3刀:眼球中央垂直穿过眼睛作一垂直切面,主要检查眼球有无、大小、位置等。

第4刀:头顶最高处向两耳正中作一垂直切面,主要检查脑室(侧脑室和第3脑室)的扩大或萎缩等。

第5刀:在下颌下缘向颈后作一横断切面,主要检查气管、食管和脊髓。

第6刀:从剑突中向后作一横断切面,主要检查肺、心室、心室中隔等。

第7刀:沿胸骨正中线纵行切开胸腔,主要检查胸腺、肺、心脏、膈肌等。

第8刀:沿腹正中线纵行切开腹腔,逐项摘取和检查肝、脾、胃肠、肾、肾上腺、膀胱、生殖器等。

图23 胎仔内脏检查.png

图14 胎仔内脏检查

交互步骤14:胎仔骨骼检查

观察胎仔骨骼标本,记录畸形情况。示例见图15

骨骼畸形.png

图15 胎仔骨骼检查

模块5:数据处理与统计分析(1个步骤,前面4个模块完成后可解锁)

交互步骤15:数据处理与统计分析

模块5必须在前4个模块完成后才能解锁,以获取虚拟实验中的仿真数据。根据各项记录数据,系统生成4张数据表,分别为:

(1)致畸试验的受试动物检查记录表

(2)致畸试验的胎仔外观检查记录表

(3)致畸试验的胎仔内脏检查记录表

(4)致畸试验的胎仔骨骼检查记录表

    在项目中选择数据处理和统计分析方法,进行初步的数据处理,然后在项目外选用专业统计软件进行统计分析,撰写出符合专业要求的实验报告,并进一步完成线上线下结合的实验课程教学过程。

1实验教学过程

本项目根据生殖毒性实验教学内容多、实验场地要求严格、操作步骤多、胚胎-胎仔标本观察难度高等特点,构建了“实验设计教学+实验操作视频教学+实验场景仿真+虚拟实验仿真+科研实际案例”的实验架构,以生殖毒性科研实际操作和数据为蓝本,通过虚拟仿真技术构建了GLP实验动物屏障环境,学生可身临其境般地沉浸在该环境中,体验和认知生殖毒性实验的操作步骤和观测细节。实验采用了“理论讲解+操作演练+场景体验+虚拟实验学习”的教学方式,以及“实验预习测试性闯关+屏障场景互动操作式闯关+实验测试性考核+综合设计性考核”的考核方式。在实验教学过程中,采用了师生问答、视频演示、场景漫游、操作提示、问题探究、案例展示等教学方法,将各知识点分解到基础训练和综合设计虚拟实验模块中。虚拟实验教学结合胚胎-胎仔发育毒性试验真实数据,通过动物入住屏障系统准备孕鼠并分组给药、药液配制、给药结束后解剖观察等三个不同场景的实验操作,观察和分析实验现象,完成实验考核后可获取整套科研真实数据用于统计分析训练,使学生全面理解和掌握新药生殖毒性评价相关理论和技能,满足“基本原理学习、综合能力提高、创新实践训练”的教学目标。如以下实验教学过程及实验方法图所示。见图1。

图1.png

图1 实验教学过程及实验方法图

(2)实验方法

本项目综合采用观察法、自主设计法、比较辨别法、测量法等实验方法,使学生全面掌握胚胎-胎仔发育毒性实验的精髓。

观察法主要应用于帮助学生理解生殖毒性实验动物进入屏障系统以及雌性交配检出孕鼠的科学原理和规范操作,训练学生在新药生殖毒性评价中所应具备的高阶性思维,培养学生的新药创制热情和妊娠期安全用药意识。

综合设计法主要用于动物分组和药液配制实验,学生根据给定的动物数和剂量,设计每组动物数和药液配制方法,让学生参与实验的设计过程,有助于培养学生的专业思维和专业意识。

比较辨别法主要用于胎仔发育特征观察实验,将来源于科研的“能实不虚”的正常和畸形的真实图片展示给学生学习。由于每只孕鼠都可生育大量胎仔,而每个剂量组的实验孕鼠有20只之多,胎仔数量庞大,学生很难一一观察。为此,在实验中学生可以结合知识点提示,对照典型图片对系统给出的相关标本进行比较辨别,符合学生实际实验的认知规律。

    测量法主要用于胎仔顶臀长的测量,可以训练学生对游标卡尺的正确使用。学生应先正确将游标卡尺固定在3D仿真的胎仔顶部和臀部适当位置,然后准确度读出游标卡尺的两个尺度的读数并进行加和。顶臀长是胎仔发育是否正常的一项重要指标,该实验方法可培养学生认真严谨的实验态度。

为了凸显线下实验小组的团队合作精神,我们在线上实验中设置了团队合作功能,学生学习小组可以选择同一小组的实验(图16),不同的小组将得到不同的来自科研一线的真实实验结果,通过统计分析得出相应的结论。如果小组成员对实验结果出现错误的分析,将影响小组实验报告中结论的正确性,以此鼓励小组成员之间加强讨论、开展同伴教学。

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图16 选择小组功能

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  • 开课课程情况3
  • 开设班级数量2
  • 覆盖学校数量3
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