中国生物化学与分子生物学会

人体免疫防御机制与分子生物学基础实验的科普实践——面向小学三年级学生的科学启蒙课程

上海营养与健康研究所

本次科普活动分为科普课程与实验室动手操作两个板块，系统融合了免疫学基础、临床概念辨析以及分子生物学基本实验技能。旨在将抽象的免疫学与分子生物学概念，转化为孩子们能感知、能操作的具象体验，在他们心中播下科学理性的种子。

课程环节以人体免疫系统的“三道防线”为主线展开。我首先从孩子们日常生活中“皮肤受伤后伤口红肿”等现象切入，引入人体免疫系统的“三道防线”概念。我用“城墙和守城士兵”比喻皮肤和黏膜的物理屏障作用，用“巡逻兵”解释非特异性免疫细胞的吞噬与炎症反应，介绍单核细胞、树突状细胞、巨噬细胞和嗜中性粒细胞的作用和寿命。最后用“精确制导的导弹部队”阐述特异性免疫中B细胞和T细胞如何精准识别并记忆病原体。并用“王牌特工”类比这两种细胞，通过最近文献论证T细胞的存活寿命。同时介绍中枢免疫器官胸腺、骨髓和外周免疫器官脾脏和淋巴结。通过这样的类比，孩子们迅速理解了人体从通用防御到精准打击的层层递进保护机制。

随后，课程聚焦于免疫系统的异常应答——食物过敏。我解释了过敏本质上是机体对无害食物蛋白（如牛奶、花生、鸡蛋）产生的过度、误判的以IgE介导为主的免疫反应，分为IgE介导、非IgE介导和混合介导。我通过示意图展示了肥大细胞脱颗粒、释放组胺从而导致皮肤瘙痒、呼吸道水肿甚至过敏性休克的全过程。在症状描述环节，我系统罗列了皮肤荨麻疹、口唇血管性水肿、呼吸道喘息与喉头水肿、消化道呕吐腹泻等多系统表现。在概念辨析环节，我将食物过敏、食物不耐受与食物中毒三者进行了明确区隔：食物过敏涉及免疫机制，微量即可触发，起病迅速；食物不耐受多为酶缺乏等非免疫因素所致，如乳糖不耐受因乳糖酶不足引起，症状通常限于消化道且与摄入量相关；食物中毒则由摄入被细菌毒素或病原体污染的食物引起，属感染性或毒性反应，机制截然不同。这一系统性的概念厘清，有效避免了公众日常语境中三者混用的误区。另外，我通过最近研究文献讲解了介导过敏反应的细胞：Thetis细胞(RORγt)，为耐受之路的“总设计师”。在预防措施方面，我强调严格规避已知过敏原为当前最有效的一级预防手段，同时介绍了口服免疫治疗、舌下含服免疫治疗、抗IgE治疗等其他措施的意义。

仪器认知环节，我将实验室比喻为免疫细胞的“健身房”和“武器库” ，将科研设备比作探索微观世界的专业工具，逐一介绍了金属浴与水浴锅等控温加热设备、用于DNA指数级扩增的PCR仪、利用相对离心力分离颗粒物的离心机，以及通风橱、超净台和生物安全柜三种安全防护设备的功能差异：超净台以层流洁净空气保护样品，适用于无菌操作；生物安全柜通过内吸气流与HEPA过滤排风同步保护操作者、样品及环境，是处理细胞、处理潜在生物危害材料的必备装置；通风橱则依靠负压排风移除有害化学挥发性气体，专用于保护操作者免受化学试剂侵害。三者适用场景与保护逻辑各有边界。孩子们对这些仪器充满了好奇，也初步建立了“工欲善其事，必先利其器”的认知。

讲课结束后，活动进入了高潮——实验室动手操作。此环节分四个小实验穿插进行，由我指导和演示，并确保每个孩子都有充分的操作机会。

第一组，我让小朋友们化身“小小基因工程师”，进行基因编辑载体LMA质粒的酶切实验。我向孩子们解释，这个过程就如同用一把极其精确的分子剪刀（BbsI），在一个环形“密码本”（质粒）的特定位点将其剪开并线性化，为后续连入新的基因序列做准备。采用NEB公司的BbsI-HF限制性内切酶，在37℃条件下对环状LMA质粒进行单酶切线性化，反应时长为1小时(该步骤于讲课前操作)。我们随后完成0.8%琼脂糖凝胶的配制全流程，从称量琼脂糖粉、加热溶解、加核酸染料Gel Red、倒胶冷却到上样。当接通电源，看见DNA loading中的溴酚蓝指示剂在凝胶中缓缓迁移时，他们直观地理解了电荷、分子筛效应，并在紫外照胶仪下观察到代表线性化载体的清晰、单一条带。与DNA ladder和未酶切的LMA载体进行对比，发现酶切后的载体条带由于分子量变小而位移更长，使“分子剪刀定点剪切环形DNA”的抽象概念获得直观视觉验证。

第二组，我让小朋友们利用自己“精准的魔法手”，聚焦微量移液操作训练。任务设定固定目标体积为1256.8μL，要求各个学生自行设计不同量程移液枪的组合方案以完成移取，比如可以通过1000μL+200μL+56.8μL组合，并对各方案的速度与准确度进行比较。该实验既检验了参与者对移液枪量程选择原则与标准操作方法的掌握，也强化了“精确计量是实验科学基石”的认知。这不仅锻炼了他们手部的精细控制力，更重要的是培养了“每一次移取都需专注、精确、避免交叉污染”的严谨实验习惯。

第三组使用离心机处理AKR人食管癌细胞悬液。在严格配平的前提下，设定统一转速 (2000rpm) 与时间 (5min) 进行离心，结束后对比不同初始细胞数量条件下的沉淀形态与体积差异。离心完成后，他们观察到管底明显的白色细胞沉淀，五百万个细胞比一百万个细胞的沉淀更多，而上清液则清澈透明。这个实验让他们亲身验证了课程中关于离心机原理的讲解。

第四组配制FACS缓冲液。使用精密分析天平准确称取5克牛血清白蛋白（BSA），溶解于磷酸盐缓冲液（PBS）中，充分混匀后使用注射器配合0.22微米滤膜进行过滤除菌，获得可用于流式细胞分选的无菌工作液。整套操作串联了精密称量、溶液配制与无菌处理三个关键步骤，对他们来说是“零失误挑战”，帮助孩子们建立起试剂制备的基本逻辑链条。

整场活动历时三个多小时，小学生们全程保持高度专注与积极互动。在课后总结时，小朋友们已经记住核心知识点，几乎可以对答如流。活动将前沿免疫学概念转化为可理解、可操作的具象内容，以严谨的科学态度和适龄的表达方式，实现了科学传播的知识传递与兴趣激发双重目标。

整个活动过程中，我看到的是孩子们眼中闪烁的好奇与专注。他们没有因概念的陌生而退缩，反而在亲手“剪切”DNA、制作凝胶、离心细胞时表现出了极高的热情。作为一名博士生，我深感科普不仅是知识的单向输出，更是对科学思维、严谨态度和探索精神的一种传承。