细胞工程近十年的研究进展

细胞工程

细胞工程是生物工程的一个重要方面。总的来说，它是应用细胞生物学和分子生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。当前细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合、细胞拆合、染色体操作及基因转移等方面。通过细胞工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。

根据设计要求，按照需要改造的遗传物质的不同操作层次，可细胞工程学分为染色体工程、染色体组工程、细胞质工程和细胞融合工程等几个方面。

(1)染色体工程染色体工程是按人们需要来添加或削减一种生物的染色体，或用别的生物的染色体来替换。可分为动物染色体工程和植物染色体工程两种。动物染色体工程主要采用对细胞进行微操作的方法(如微细胞转移方法等)来达到

转移基因的目的。植物细胞工程目前主要是利用传统的杂交回交等方法来达到添加、消除或置换染色体的目的。

(2)染色体组工程梁色体组工程是整个改变染色体组数的技术。自从1937年秋水仙素用于生物学后，多倍体的工作得到了迅速发展，例如得到四倍体小麦，八倍体小黑麦等。

(3)细胞质工程又称细胞拆合工程，是通过物理或化学方法将细胞质与细胞核分开，再进行不同细胞间核质的重新组合，重建成新细胞。可用于研究细胞核与细胞质的关系的基础研究和育种工作。

(4)细胞融合工程是用自然或人工的方法使两个或几个不同细胞融合为一个

细胞的过程。可用于产生新的物种或品系(植物上用得多，动物上用得少)及产生单克隆抗体等。其中单克隆抗体技术利用克隆化的杂交瘤细胞分泌高度纯一的单克隆抗体，具有很高的实用价值，在诊断和治疗病症方面有着广泛的应用前途。

大规模的细胞培养可分为三个层次：单个细胞培养、组织培养和器官培养。植物细胞和原生质体培养技术可以用于育种，也可用于各类植物的快速繁殖，在培养无毒苗、长期贮存种子和生产次生代谢产物等方面发挥作用。动物细胞培养技术可用于制取许多有应用价值的细胞产品，如疫苗和生长因子等。利用细胞培养系统可进行毒品和药物检测；一些培养细胞可用于治疗。

细胞工程已经渗透到人类生活的许多领域，取得了许多具有开发性的研究成果，有的在生产中推广，收到了明显的经济和社会效益。随细胞工程技术研究的不断深入，它的前景和产生的影响将会日益地显示出来。

细胞工程

开放分类：科学、科研、基因工程、细胞工程、细胞生物学

细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过某种工程学手段，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。根据细胞类型的不同，可以把细胞工程分为植物细胞工程和动物细胞工程两大类。

植物细胞工程

常用技术手段：植物组织培养，植物体细胞杂交。

理论基础：植物细胞的全能性。

植物组织培养

植物组织培养技术的应用范围：快速繁殖、培育无病毒植物，通过大规模的植物细胞培养来生产药物、食品添加剂、香料、色素和杀虫剂等。

植物体细胞杂交

植物体细胞杂交是用两个来自于不同植物的体细胞融合成一个杂种细胞，并且把杂种细胞培育成新的植物体的方法。

动物细胞工程

常用的技术手段：动物细胞培养、动物细胞融合、单克隆抗体、胚胎移植、核移植等（动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础）

动物细胞培养

动物细胞能够分泌蛋白质，如抗体等。但是单个细胞分泌的蛋白质的量是很少的，要借助于大规模的动物细胞培养获得大量的分泌蛋白。

动物细胞培养技术的应用

生产许多有重要价值的蛋白质生物制品，如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等。

动物细胞融合

动物细胞融合技术最重要的用途，是制备单克隆抗体。

单克隆抗体

要想获得大量的单一抗体，必须用单个B淋巴细胞进行无性繁殖，也就是通过克隆，形成细胞群，这样的细胞群就有可能产生出化学性质单一、特异性强的抗体——单克隆抗体。

单克隆抗体的应用

“生物导弹”，将药物定向带到癌细胞所在部位，消灭了癌细胞不伤害健康细胞。

生物技术发展到今天，细胞则成了科学家们随意发挥想象力的乐园，他们甚至可以把生命像积木那样组装起来，进行细胞水平上的生命组合游戏。生命组合的一个最具代表性的游戏是美国耶鲁大学教授克莱白特·L·马格特和罗伯特·M·彼德斯的杰作。他们在黑毛鼠、白毛鼠、黄毛鼠的受精卵分裂成8个细胞时用特制的吸管把8细胞胚吸出输卵管，然后用一种酶将包裹在各个胚胎上的粘液溶解，再把这三种鼠的8细胞胚放在同一溶液中使之组装成一个具有24个细胞的“组装胚”。马格特和彼德斯把“组装胚”移植到一只老鼠的子宫内，不久，一只奇怪的组装鼠问世了，这只组装鼠全身披着黄、白、黑三种不同颜色的皮毛。迄今为止，除组

装鼠外，英国和美国还组装成功了绵羊和山羊的嵌合体——绵山羊。据说，世界各国科研人员热情高涨，正在组装“五位一体”。“六位一体”的生物，实在想象不出那样的生物会是什么样子。

细胞工程的应用

细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，成为必不可少的配套技术。在农林、园艺和医学等领域中，细胞工程正在为人类做出巨大的贡献。

1.粮食与蔬菜生产

利用细胞工程技术进行作物育种，是迄今人类受益最多的一个方面。我国在这一领域已达到世界先进水平，以花药单倍体育种途径，培育出的水稻品种或品系有近百个，小麦有30个左右。其中河南省农科院培育的小麦新品种，具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等优良性状。

在常规的杂交育种中，育成一个新品种一般需要8～10年，而用细胞工程技术对杂种的花药进行离体培养，可大大缩短育种周期，一般提前2～3年，而且有利优良性状的筛选。前面已介绍过的微繁殖技术，在农业生产上也有广泛的用途，其技术比较成熟，并已取得较大的经济效益。例如，我国已解决了马铃薯的退化问题，日本麒麟公司已能在1000升容器中大量培养无病毒微型马铃薯块茎作为种薯，实现种薯生产的自动化。通过植物体细胞的遗传变异，筛选各种有经济意义的突变体，为创造种质资源和新品种的选育发挥了作用。现已选育出优质的番茄、抗寒的亚麻、以及水稻、小麦、玉米等新品系。有希望通过这一技术改良作物的品质，使它更适合人类的营养需求。

蔬菜是人类膳食中不可缺少的成分，它为人体提供必需的维生素、矿物质等。蔬菜通常以种子、块根、块茎、插扦或分根等传统方式进行繁殖，化费成本低。但是，在引种与繁育、品种的种性提纯与复壮、育种过程的某些中间环节，植物细胞工程技术仍大有作为。例如，从国外引进蔬菜新品种，最初往往只有几粒种子或很少量的块根、块茎等。要进行大规模的种植，必须先大量增殖，这就可应用微繁殖技术，在较短时间内迅速扩大群体。在常规育种过程中，也可应用原生质体或单倍体培养技术，快速繁殖后代，简化制种程序。另外，还可结合植物基因工程技术，改良蔬菜品种。

2.园林花卉

在果树、林木生产实践中应用细胞工程技术主要是微繁殖和去病毒技术。几乎所有的果树都患有病毒病，而且多是通过营养体繁殖代代相传的。用去病毒试管苗技术，可以有效地防止病毒病的侵害，恢复种性并加速繁殖速度。目前，香蕉、柑橘、山楂、葡萄、桃、梨、荔枝、龙眼、核桃等十余种果树的试管苗去病毒技术，已基本成熟。香蕉去病毒试管苗的微繁殖技术已成为产业化商品化的先例之一。因为香蕉是三倍体植物，必须通过无性繁殖延续后代，传统方法一般采用芽繁殖，感病严重，繁殖率低；而采用去病毒的微繁殖技术不仅改进了品质，亩产量约提高30％～50％，很容易被蕉农接受。

近年来，对经济林木组织培养技术的研究也受到很大的重视。采用这一技术可比常规方法提前数年进行大面积种植。特别是有些林木的种子休眠期很长，常规育种十分费时。据不完全统计，现已研究成功的林木植物试管苗已达百余种，如松属、桉树属、杨属中的许多种，还有泡桐、槐树、银杏、茶、棕榈、咖啡、椰子树等。其中桉树、杨树和花旗松等大面积应用于生产，澳大利亚已实现桉树试管苗造林，用幼芽培养每年可繁殖40万株。

植物细胞工程技术使现代花卉生产发生了革命性的变化。1960年，科学家首次利用微繁殖技术将兰花的愈伤组织培养成植株后，很快形成了以组织培养技术为基础的工业化生产体系——兰花工业。现在，世界兰花市场上有150多种产品，其中大部分都是用快速微繁殖技术得到的试管苗。从此，市场供应摆脱了气候、地理和自然灾害等因素的限制。至今，已报道的花卉试管苗有360余种。已投入商业化生产的有几十种。我国对康乃馨、月季、唐昌蒲、菊花、非洲紫罗兰等品种的研究较为成熟，有的也已商品化，并有大量产品销往港澳及东南亚地区。

3.临床医学与药物

自1975年英国剑桥大学的科学家利用动物细胞融合技术首次获得单克隆抗体以来，许多人类无能为力的病毒性疾病遇到了克星。用单克隆抗体可以检测出多种病毒中非常细微的株间差异，鉴定细菌的种型和亚种。这些都是传统血清法或动物免疫法所做不到的，而且诊断异常准确，误诊率大大降低。例如，抗乙型肝炎病毒表面抗原（HBsAg）的单克隆抗体，其灵敏度比当前最佳的抗血清还要高100倍，能检测出抗血清的60％的假阴性。

近年来，应用单克隆抗体可以检查出某些还尚无临床表现的极小肿瘤病灶，检测心肌梗死的部位和面积，这为有效的治疗提供方便。单克隆抗体并已成功地应用于临床治疗，主要是针对一些还没有特效药的病毒性疾病，尤其适用于抵抗力差的儿童。人们正在研究“生物导弹”——单克隆抗体作载体携带药物，使药物准确地到达癌细胞，以避免化疗或放射疗法把正常细胞与癌细胞一同杀死的副作用。

单克隆抗体可以精确地检测排卵期。新一代免疫避孕药也在研制之中，其基本原理是用精子，卵透明带或早期胚胎来制备单克隆抗体，将它们注入妇女体内，人体就会产生对精子的免疫反应，从而起到避孕作用。人类体外受精技术的日趋成熟，使人类对生育活动有了较大的选择余地，促进优生优育，提高人口素质，也为不孕症患者或不宜生育的人带来福音。

生物药品主要有各种疫苗、菌苗、抗生素、生物活性物质，抗体等，是生物体内代谢的中间产物或分泌物。过去制备疫苗是从动物组织中提取，得到的产量低而且很费时。现在，通过培养、诱变等细胞工程或细胞融合途径，不仅大大提高了效率，还能制备出多价菌苗，可以同时抵御两种以上的病原菌的侵害。用同样的手段，也可培养出能在培养条件下长期生长、分裂并能分泌某种激素的细胞系。1982年美国科学家用诱变和细胞杂交手段，获得了可以持续分泌干扰素的体外培养细胞系，现已走向应用。

4.繁育优良品种

目前，人工受精、胚胎移植等技术已广泛应用于畜牧业生产。精液和胚胎的液氮超低温（-196摄氏度）保存技术的综合使用，使优良公畜、禽的交配数与交配范围大为扩展，并且突破了动物交配的季节限制。另外，可以从优良母畜或公畜中分离出卵细胞与精子，在体外受精，然后再将人工控制的新型受精卵种植到种质较差的母畜子宫内，繁殖优良新个体。综合利用各项技术，如胚胎分割技术、核移植细胞融合技术、显微操作技术等，在细胞水平改造卵细胞，有可能创造出高产奶牛、瘦肉型猪等新品种。特别是干细胞的建立，更展现了美好的前景。

Cell engineering：是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，以改变生物的结构和功能，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。

细胞工程研究的进展

细胞是生物体的结构单位和功能单位。细胞工程就是利用细胞的全能性，采用组织与细胞培养技术对动、植物进行修饰，为人类提供优良品种、产品和保存珍贵物种。细胞工程主要包括体细胞融合，核移植，细胞器摄取和染色体片段的重组等。

体细胞融合是指两个不同种类的细胞，加上融合剂，在一定条件下，彼此融合成杂交细胞，使来自两个亲本细胞的基因有可能都被表达，这就打破了远缘生物不能杂交的屏障，提供了创造新物种的可能。用这种体细胞融合的技术，如今已在动物间实现了小鼠和田鼠，小鼠和小鸡，甚至于小鼠和人等许多远缘和超远缘的体细胞杂交（如图2-18-2）。虽然目前动物的杂交细胞还只停留在分裂传代的水平，不能分化发育成完整的个体，但在理论研究和基因定位上都有重大意义。而植物间的体细胞融合所得到的杂交细胞，已达到了完整的植株水平，获得了新的杂交植物，如我们所熟悉的“西红柿马铃薯”、“拟南芥油菜”和“蘑菇白菜”等。

细胞核移植对动物优良杂交种的无性繁殖具有重大意义。1981年瑞士学者伊梅恩斯等用灰鼠的细胞核注入到除去了精核和卵核的黑鼠的受精卵内，然后再将这个由黑鼠细胞质和灰鼠细胞核组成的卵体外培养4?/FONT>5天，形成胚胎后再移植到白色雌鼠的子宫里，经过21天的发育，得到的仔鼠是灰色的（见图2-18-3）。说明仔鼠的性状取决于细胞核的来源。这一技术的成功与完善对于优良家禽的无性繁殖和濒临绝迹的珍贵动物的传种意义重大。

细胞器的移植主要是指中绿体和线粒体的移植。如卡尔森用白化型原生质体摄取正常的中绿体，进而发育成正常的绿色植物；或有人用抗药型草履虫的线粒体植敏感的草履虫细胞，使后者获得抗药性等。

染色体工程则是利用染色体替换来改变生物遗传特性，如利用染色体的易位、缺体、三体等方法，获得新的染色体组合。

干细胞生物工程研究进展_2843

新生心畦组织的电特性和机械性。这项实验证明：细胞移植治疗心畦病的可能性是巨大的过去一直认为当心畦细胞受到损害后，不能自行修复，此项发现，对治疗世界上最主要的一种致命疾病可能具有重大意义。2骨髓干细胞育出肾脏组织英国科学家近日报道，他们已经用骨髓干细胞培育出了肾脏组织，这在器官移植手术中是一个重大突破这一突破，使那些等待器官移植的病人不必再依赖于器官捐献，医生可通过修补受损肾畦来达到治疗的目的。同时，也是第一次证明了成人骨髓干细胞可以发育成成熟的肾畦细胞3．成人干细胞治心梗德国医生近日宣布，他们使用病人自己的干细胞治疗心肌梗塞取得了可喜恢复白血病患者造血功能的细胞。自t998年以来．从眙盘和脐带血中提取出来的血液已挽救了数百人的生命。5．皮肤干细胞我国研究人员已发现人体烧伤皮肤原位处存在着皮肤干细胞．利用它在一定药剂

调控下能使烧伤皮肤原位再生，修复如初．这是我国在皮肤干细胞研究殴其临床应用上的重大突破。6．神经组织细胞瑞典神经学家Biorklund及其同事应用从流产胎儿脑中分离的神经组织细胞，移植八患者的脑中来治疗帕金森症．经对术后10年的病人进行跟踪研究，发现移植的神经元仍然存活，并继续产生多巴胺，而且患者的症状得到明显改善7胰岛干细胞美国佛罗里遗大学教授Ramiya及其同事从尚未发病的糖屎病小鼠的胰岛导管中分离出胰岛干细胞，并在体外诱导这些细胞分化成为产生胰岛素的B细胞．移植实验表明．接受移植的糖尿病鼠血糖浓度控制良好而对照的小鼠死千糖尿病。这为干细胞治疗糖尿病奠定了实验基础。上例子表明用干细胞治疗许多疑难病症、提供器官移植，以及康复、保腱，减轻老化、恢复青春活力等等广泛应用干临床已为期不远的成果。三干细胞是、4脐血干细胞―竺鱼堕兰茎由于脐带血和胎盘含有大量的干细胞，而干细胞又具有极强的造血功能，因而受到越来越多医生的重视和利用。1979年，医学界首次发现脐带血中含有PIV ol_3No．36·2OO2干细胞是目前细胞工程研究最活跃的领域．随着基础研究、应用研究的进一步深化，这项技术将会在相当大程度上引发医学领域的重大变革，它已成为21世纪生命科学领域的一个热点。造血干细胞是最早发现，研究最多和最先用于治疗疾病的成体干细胞，长期以来，一直认为干细胞只属于造血系统，随着干细胞的不断深八研究，近年来，几乎在所有组织中都发现了干细胞，干细胞生物学和干细胞生物工程已成为继人类基因组大规模删序之后最具活力，最有影响和最有应用前景的生命学科。美国政府已批准投入巨资，给予支持人体胚胎干细胞的研究，并在短短的两年中，成立了几十家以干细胞研究应用为主的生物工程公司，并在美国上市。日本在2000年度启动的千年世纪工程中把干细胞工程作为四大重点之一，并投人大量资金，鼓励有关科学家进行研究。英国在2000年以多数票通过了允许克隆人类早期胚胎，并从中提取干细胞，进行医疗上的研究等等。在我国党和政府也十分重视并大力支持有关研究院所与学校积极开展这项研究工作和成立专门研究干细胞基地，已在北京、上海、天津分别成立干细胞研究中心近年来北京大学、协和医科大学、上海二医大和军事医学科学院等单位在造血干细胞研究和成体干细胞建库等方面已有相当的基础，并积累了大量经验相信我国的科学家在不久的将来，在干细胞生物工程研究上必将取得辉煌成就。另外，在垒球的干细胞生物工程研究中，由于胚眙干细胞来源干人类胚胎，必然会遇到来自社会各方面的制约与争论，因此，有些国家对于是否支持干细胞的研究，一直是一个颇有争议的问题，然而随着干细胞生物工程研究的不段深入与发展，相信这些问题都会得到的妥善解决。