细胞工程前沿技术

小细胞

第四军医大学细胞工程研究中心
) y* M; `7 Q" \% k. @, S米力 王贤辉 李玲 陈志南 2 g3 n0 e! M; y' Y
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细胞工程（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。细胞工程的优势在于避免了分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将细胞遗传物质直接转移到受体细胞中就能够形成杂交细胞，因而能够提高基因的转移效率。通俗地讲，细胞工程是在细胞水平上动手术，也称细胞操作技术。包括细胞融合技术、细胞器移植、染色体工程和组织培养技术。通过细胞融合技术，可以培育出新物种，打破了传统的只有同种生物杂交的限制，实现种间的杂交。这项技术不仅可以把不同种类或者不同来源的植物细胞或者动物细胞进行融合，还可以把动物细胞与植物细胞融合在一起。这对创造新的动、植物和微生物品种具有前所未有的重大意义。 ' Q& W3 U6 Z! {/ x

4 w& C) L$ Y2 T2 M" Y; J" r& ^# `一、细胞融合
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细胞融合（cell fusion）又称细胞杂交（cell hybridization）。它是指用人工方法使2种或2种以上的体细胞合并形成一个细胞，不经过有性生殖过程而得到杂种细胞的方法，在自然情况下，体内或体外培养细胞间所发生的融合，称为自然融合。而在体外用人工方法（使用融合诱导因子）促使相同或不同的细胞间发生融合，称为人工诱导融合。
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1975年Milstein和konler将小鼠骨髓瘤细胞与羊红血球免疫过的小鼠淋巴细胞融合形成杂种细胞能分泌抗羊红血球抗体，用于制备单克隆抗体。由于这一创新性工作，他们获得了1984年诺贝尔生理和医学奖。8 N; `' u1 r8 F1 J# C" I
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二、克隆技术8 n6 o* k% \& S4 ?0 ^5 K
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1997年2月23日，英国罗斯林研究所的试验室里诞生了一条取名为多莉的小羊。"多莉"的诞生（图2），意味着人类可以利用动物的一个组织细胞，像翻录磁带或复印文件一样，大量产出相同的生命体，这无疑是基因工程研究领域的一大突破。人们剪下植物枝条，扦插到土里，不久就会发芽，长出新的植株，这些植株是遗传物质组成完全相同的植株，这就是"克隆"，即独立细胞繁殖系，指后代完全由一个细胞复制具有完全相同的遗传物质。5 ?) z1 Q9 g' [- D% g1 ~( Q/ h7 W3 z
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% n8 R2 H7 X: S) e4 J三、染色体工程  ]. Y3 J4 n& [' p; A6 F

7 W; g3 e) L6 B' U! F: H# a染色体工程是按照预先的设计，添加、消除或替代同种或异种染色体的全部或一部分，从而达到定向改变生物遗传性状或选育新品种的目的。他是从染色体水平改变细胞遗传组成的细胞工程技术。目前主要应用于植物遗传育种领域。
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染色体组工程是在人为设计的技术路线下添加、消除同种或异种染色体组以达到定向改变生物遗传性状的目的。
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' J! X, J6 N. V  S/ U四、干细胞工程
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/ W2 j, {! U: e# L# O2 l; S干细胞工程是在细胞培养技术的基础上发展起来的一项新的细胞工程。它是利用干细胞的增殖特性，多分化潜能及其增殖分化的高度有序性，通过体外培养干细胞、诱导干细胞定向分化或利用转基因技术处理干细胞以改变其特性的方法，以达到利用干细胞为人类服务的目的。
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其主要研究内容一方面是胚胎干细胞的研究，如建立ES细胞系并利用ES细胞的发育多能性即环境因素对细胞分化发育的影响，定向诱导细胞分化为特定的细胞如肌细胞、神经细胞等作为细胞移植的新来源。另一方面成体干细胞的研究主要包括成体组织干细胞的分离培养体内和植入体内，更新机体病变的组织器官恢复正常功能；并用干细胞作为基因治疗的靶细胞；研究体内有效活化组织干细胞的方法，增强其功能。
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五、大规模细胞培养技术
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# u+ b2 U' e; i; \) Z+ o大规模细胞培养技术是细胞工程中重要的组成部分，是在人工条件下高密度大规模培养的用动、植物细胞来生产生物产品的技术。如今这一技术已广泛应用于现代生物制药的研究和生产中。它的应用大大减少了用于疾病预防、治疗和诊断的实验动物，为生产疫苗、细胞因子、生物产品乃至人造组织等产品提供了强有力的工具。
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根据细胞的生长特性可分为贴壁细胞和悬浮细胞，就其培养方法而言可概括为悬浮培养和固定化培养。就操作方式而言，可分为分批式、补料-分批或流加式、半连续式、连续和灌流式四种操作方式。大规模培养技术的建立是生产各种生物制品得到了很大的发展，例如单克隆抗体、红细胞生成素、疫苗和病毒杀虫剂等。