細(xì)胞工程技術(shù)的應(yīng)用

邱忠毅

（山西醫(yī)科大學(xué)，山西晉中 030600）

細(xì)胞工程是應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的理論和方法，從細(xì)胞水平上對(duì)細(xì)胞進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)和分子水平上的基因改造。自從克隆羊多利的問(wèn)世，人們對(duì)細(xì)胞工程有了進(jìn)一步的了解，同時(shí)細(xì)胞工程技術(shù)也被應(yīng)用到除克隆動(dòng)物外的其他各領(lǐng)域中。近年來(lái)，細(xì)胞工程技術(shù)成功應(yīng)用的案例有單克隆抗體的制備、乳房生物反應(yīng)器、試管嬰兒、造血干細(xì)胞移植等，其大都是在制藥和醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用，同時(shí)在牲畜育種和農(nóng)作物優(yōu)良品種的篩選和培育等方面也有應(yīng)用。本文具體敘述細(xì)胞工程技術(shù)的應(yīng)用范圍。

1 在植物領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 細(xì)胞工程技術(shù)在農(nóng)作物育種上的應(yīng)用

細(xì)胞工程技術(shù)作為一種新型的育種技術(shù)，在細(xì)胞水平上對(duì)植株進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)，并取得了非常大的進(jìn)展和突破。細(xì)胞工程技術(shù)在農(nóng)作物育種方面的廣泛應(yīng)用[1]，解決了許多育種上的難題，很大程度上促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。下面從細(xì)胞工程技術(shù)在育種上的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1.1.1 原生質(zhì)體在育種上的應(yīng)用

原生質(zhì)體是指采用酶解法等方法除去植物細(xì)胞壁后形成的以細(xì)胞膜為包裹的裸露球形細(xì)胞，原生質(zhì)體仍然具備細(xì)胞的特性，但因沒(méi)有細(xì)胞壁，不同原生質(zhì)體之間可以進(jìn)行融合。原生質(zhì)體也具有全能性，一但遇到適合的生長(zhǎng)環(huán)境，原生質(zhì)體細(xì)胞可以形成新的細(xì)胞壁，也可發(fā)生再分化，重新生成新的組織和器官，進(jìn)一步發(fā)育成完整的植株。文峰等[2]人先利用木薯的脆性愈傷組織繼代培養(yǎng)5～10天后，用酶水解分離出原生質(zhì)體細(xì)胞，再利用實(shí)驗(yàn)室純化柑橘的方法對(duì)原生質(zhì)體進(jìn)行純化，然后利用液體淺層法將純化的原生質(zhì)體進(jìn)行細(xì)胞懸浮培養(yǎng)形成致密的愈傷組織，最后將大的愈傷組織挑出，讓其在特定的誘導(dǎo)培養(yǎng)基進(jìn)行再分化形成完整的木薯植株。原生質(zhì)體在育種上具有迅速、保持優(yōu)良性狀傳代的優(yōu)點(diǎn)。

1.1.2 植物組織培養(yǎng)技術(shù)在育種上的應(yīng)用[3]

植物組織培養(yǎng)是指將植物組織、器官在適當(dāng)培養(yǎng)條件下誘導(dǎo)長(zhǎng)成完整植株的技術(shù)。植物組織培養(yǎng)再生植物的理論基礎(chǔ)是植物細(xì)胞有全能性，細(xì)胞全能性的高低與細(xì)胞分化程度有關(guān)，一般情況下是分化程度越高，細(xì)胞的全能性越低；植物細(xì)胞的全能性高于動(dòng)物細(xì)胞。目前，植物組織培養(yǎng)技術(shù)再生植株主要通過(guò)胚胎培養(yǎng)，這種途徑有取材方便、操作簡(jiǎn)單、產(chǎn)量大、縮短育種周期等優(yōu)勢(shì)。如利用花粉進(jìn)行單倍體育種[4]，花粉（植物的雄性生殖細(xì)胞）是單倍體細(xì)胞。對(duì)花粉進(jìn)行培養(yǎng)改變了花粉原有的發(fā)育成植株的途徑，利用花粉進(jìn)行人工離體無(wú)菌培養(yǎng)過(guò)程培育出幼苗先誘導(dǎo)花粉形成愈傷組織，再經(jīng)過(guò)再分化，發(fā)育成單倍體幼苗。

1.2 細(xì)胞工程技術(shù)在農(nóng)作物品種改良上的應(yīng)用

1.2.1 細(xì)胞融合技術(shù)在品種改良上的應(yīng)用

細(xì)胞融合是指使用人工的方法使兩個(gè)以上的細(xì)胞合并形成一個(gè)細(xì)胞的技術(shù)。細(xì)胞融合[5]具體的過(guò)程是先將兩種具有不同優(yōu)良性狀的植物細(xì)胞的細(xì)胞壁除去，形成兩種原生質(zhì)體細(xì)胞，再利用生物法、化學(xué)試劑、電融合等方法將這兩種原生質(zhì)體細(xì)胞融合，形成具有兩種細(xì)胞的染色體的雜種細(xì)胞[6]，使優(yōu)良性狀能在同一個(gè)細(xì)胞中表達(dá)且能夠穩(wěn)定地遺傳給下一代。因?yàn)橹参锛?xì)胞具有全能性，雜種細(xì)胞可在誘導(dǎo)培養(yǎng)基上重新生出細(xì)胞壁，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行再分化，形成新品種植株，此植株擁有兩種細(xì)胞的優(yōu)良性狀。細(xì)胞融合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是消除了種間雜交的障礙，提高了物種的變異率，培育新物種的概率也提高，大大縮小了育種周期。

1.2.2 體細(xì)胞培養(yǎng)在品種改良上的應(yīng)用

植物體細(xì)胞培養(yǎng)是在離體條件下，將分離的植物細(xì)胞通過(guò)繼代培養(yǎng)增殖獲得大量細(xì)胞群的一種技術(shù)。利用植物體細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)的具體過(guò)程是先將植物組織進(jìn)行酶解，釋放出細(xì)胞，然后將細(xì)胞誘導(dǎo)成愈傷組織，繼代培養(yǎng)使愈傷組織大量增殖，再誘導(dǎo)愈傷組織形成胚狀體，進(jìn)一步形成新的植株。在愈傷組織生長(zhǎng)成新植株過(guò)程中，體細(xì)胞的基因易發(fā)生突變，染色體也會(huì)發(fā)生重新組合的現(xiàn)象，這就使得再生植株的性狀發(fā)生改變，且其中優(yōu)良的性狀會(huì)遺傳給下一代[7]。所以，在植物體細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生較高突變率的遺傳變異，然后在其中篩選出有優(yōu)良性狀的突變體，將其培育成植株，即可選育出新品種。

2 在動(dòng)物領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 細(xì)胞工程技術(shù)在牲畜繁殖上的應(yīng)用

目前，細(xì)胞工程技術(shù)已在我國(guó)家畜繁殖中取得了非常重大的成就并獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益[8]。用于家畜繁殖的細(xì)胞工程技術(shù)有體外受精技術(shù)、胚胎移植技術(shù)、精液冷凍技術(shù)、細(xì)胞核移植技術(shù)、胚胎性別鑒定技術(shù)等，下面就細(xì)胞工程技術(shù)在牲畜育種上的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1.1 體外受精技術(shù)在牲畜繁殖中的應(yīng)用

體外受精是指將哺乳動(dòng)物的精子和卵子在體外人工控制的環(huán)境中完成受精的技術(shù)。一般將體外受精動(dòng)物培育分為5個(gè)步驟：精子采集與體外獲能和卵子采集與成熟培養(yǎng)、體外受精、重組胚激活與體外培養(yǎng)、胚胎移植、體內(nèi)發(fā)育與出生。體外受精技術(shù)[9]能發(fā)揮優(yōu)良母畜的繁殖潛力、提高家畜改良的速度、保存遺傳資源，尤其是在保護(hù)瀕臨滅絕的野生動(dòng)物上發(fā)揮重要作用。例如，對(duì)于奶牛這種單胎生且能帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)價(jià)值大的動(dòng)物，利用體外受精技術(shù)能有效地增加奶牛數(shù)量，為奶牛養(yǎng)殖戶帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。體外受精技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)畜牧業(yè)擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模的主要手段。同時(shí)由于繁殖成本的降低，奶制品、牛羊肉的價(jià)格也有所下降。

2.1.2 胚胎性別控制技術(shù)在牲畜繁殖中的應(yīng)用

性別控制是用人工的方式控制繁殖出來(lái)的動(dòng)物的性別，其對(duì)畜牧業(yè)的生產(chǎn)具有重要意義。常用的性別控制方法[10]有流式細(xì)胞儀分離法、離心分離法、免疫學(xué)分離法、PCR擴(kuò)增法等。不同性別的牲畜在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中表現(xiàn)出的應(yīng)用價(jià)值也不同，如雄性動(dòng)物生長(zhǎng)速度快，適合用于肉類(lèi)的供應(yīng)；而雌性動(dòng)物更適合用于蛋奶的供應(yīng)。此外，在牲畜選育過(guò)程中，根據(jù)品種性別差異繁育后代，可提高選育強(qiáng)度；通過(guò)品種性別預(yù)測(cè)，可控制伴性遺傳病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。所以在牲畜繁殖過(guò)程中利用性別控制技術(shù)及時(shí)淘汰不需要性別的動(dòng)物，可提高畜牧業(yè)的生產(chǎn)效益。

2.2 細(xì)胞工程技術(shù)在動(dòng)物克隆上的應(yīng)用

當(dāng)提到克隆動(dòng)物人們都不陌生，最先想到的就是克隆羊多利。克隆動(dòng)物的產(chǎn)生都?xì)w功于細(xì)胞核移植技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)通過(guò)此技術(shù)克隆出與人類(lèi)親緣更近的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物猴[11]，這就說(shuō)明離克隆人已不是很遙遠(yuǎn)了。

細(xì)胞核移植是利用顯微鏡操作技術(shù)將一種動(dòng)物的細(xì)胞核移入同種或異種動(dòng)物的去核成熟卵細(xì)胞內(nèi)的技術(shù)。細(xì)胞核移植技術(shù)是動(dòng)物克隆中的關(guān)鍵技術(shù)，要想克隆出動(dòng)物還要與胚胎移植技術(shù)聯(lián)用。克隆動(dòng)物培育的大致流程如下：核供體細(xì)胞（體細(xì)胞或胚胎細(xì)胞）的獲得與取核、受體細(xì)胞（MⅡ期成熟卵細(xì)胞）的獲得與去核、細(xì)胞核移植、重組胚胎激活、重組胚胎培養(yǎng)與移植。克隆出的動(dòng)物與供核的親本表現(xiàn)的性狀相同，所以可以通過(guò)此技術(shù)將優(yōu)良性狀進(jìn)行遺傳擴(kuò)增，但因克隆動(dòng)物完全的繼承了供核親本的性狀，此動(dòng)物也繼承了親本的年齡，雖然克隆動(dòng)物看起來(lái)年輕但壽命短，這也是在這領(lǐng)域需要攻克的難題。

3 在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用

生物制藥是運(yùn)用微生物、動(dòng)植物細(xì)胞、動(dòng)物體等生產(chǎn)有效生物活性物質(zhì)對(duì)某些特定的疾病進(jìn)行治療和預(yù)防，而細(xì)胞工程技術(shù)在制藥領(lǐng)域[12]的應(yīng)用使得生物制藥產(chǎn)業(yè)得到了巨大的發(fā)展，也改變了傳統(tǒng)制藥領(lǐng)域的生產(chǎn)方式，不只是運(yùn)用微生物進(jìn)行發(fā)酵，還可通過(guò)培養(yǎng)細(xì)胞繁殖使藥物產(chǎn)量增加。如今，生物制藥與細(xì)胞工程已緊密地聯(lián)系在一起，在生物制藥中細(xì)胞工程占據(jù)重要地位。隨著人們將細(xì)胞工程技術(shù)不斷應(yīng)用到生物制藥中，制藥行業(yè)迅速發(fā)展，給這領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，據(jù)統(tǒng)計(jì)全球銷(xiāo)售前十的藥物有7個(gè)是生物制品。

3.1 細(xì)胞工程技術(shù)在單抗藥物生產(chǎn)上的應(yīng)用

單克隆抗體是基于雜交瘤技術(shù)生產(chǎn)出的一類(lèi)具有特異性強(qiáng)、理化性質(zhì)單一的單一性抗體。雜交瘤技術(shù)是指將骨髓瘤細(xì)胞與免疫的動(dòng)物脾臟細(xì)胞融合得到既能分泌抗體又能在體外長(zhǎng)期繁殖的雜交瘤細(xì)胞，再經(jīng)過(guò)克隆化培養(yǎng)得到可以分泌單克隆抗體的雜交瘤細(xì)胞的技術(shù)。制備單克隆抗體的大致流程如下：制備免疫脾臟細(xì)胞、骨髓瘤細(xì)胞篩選、細(xì)胞融合、雜交瘤細(xì)胞篩選、克隆化培養(yǎng)、單克隆抗體鑒定。近年來(lái)，單抗的制備方法也發(fā)生了改變，如利用基因工程構(gòu)建單抗的表達(dá)載體，將其導(dǎo)入到宿主細(xì)胞中，再用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)將宿主細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)，使其大量分泌單抗。但此方法有弊端，如單抗產(chǎn)量沒(méi)有雜交瘤細(xì)胞大，所以就要對(duì)表達(dá)載體進(jìn)行優(yōu)化[13]。

3.2 細(xì)胞工程技術(shù)在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生物反應(yīng)器上的應(yīng)用

轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生物反應(yīng)器是指利用轉(zhuǎn)基因活體動(dòng)物中某種能夠高效表達(dá)外源蛋白的器官或者組織來(lái)生產(chǎn)活性蛋白的技術(shù)。最主要的生物反應(yīng)器是乳腺生物反應(yīng)[14]，其是將目的蛋白的基因置于乳腺特異性調(diào)節(jié)序列之下，使之在乳腺中表達(dá)，然后通過(guò)回收乳汁獲得有價(jià)值的目的蛋白。乳腺生物反應(yīng)器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：產(chǎn)量高、易提純、表達(dá)產(chǎn)品安全性高、表達(dá)產(chǎn)品有生物活性。在整個(gè)生物反應(yīng)器的構(gòu)建過(guò)程中，細(xì)胞工程技術(shù)主要運(yùn)用在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物培育上，通過(guò)體外受精和胚胎移植技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物反應(yīng)器的大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)出的產(chǎn)品能夠滿足市場(chǎng)的需求。

4 在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 細(xì)胞工程技術(shù)在干細(xì)胞移植上的應(yīng)用

在臨床治療中，有許多疾病不能通過(guò)平常的化學(xué)藥物和物理療法進(jìn)行治療，如白血病患者就需要骨髓的移植才能從根本上治療，但因骨髓來(lái)源有局限性，又因找到能夠與患者配型的骨髓更是少之又少。這時(shí)就可以運(yùn)用干細(xì)胞培養(yǎng)法生產(chǎn)出骨髓造血干細(xì)胞，用于白血病的治療。此法用的干細(xì)胞是由患者細(xì)胞脫分化形成的，在體外的環(huán)境下誘導(dǎo)干細(xì)胞分化成單能骨髓造血干細(xì)胞，再將骨髓造血干細(xì)胞注入到患者的骨髓中。在整個(gè)過(guò)程中所有的細(xì)胞都來(lái)自患者本身，這樣患者就不會(huì)產(chǎn)生免疫反應(yīng)而達(dá)到有效的治療。

4.2 細(xì)胞工程技術(shù)在試管嬰兒上的應(yīng)用

試管嬰兒是指卵子與精子在體外受精，培養(yǎng)發(fā)育成早期胚胎，再植回受體子宮內(nèi)發(fā)育出生的嬰兒。試管嬰兒的產(chǎn)生歸功于細(xì)胞工程技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)樵嚬軏雰菏求w外受精和胚胎技術(shù)緊密集合的結(jié)果。試管嬰兒應(yīng)用在臨床上解決了不孕不育的問(wèn)題，尤其是男性不育問(wèn)題[15]，同時(shí)試管嬰兒也解決了不育女性想擁有孩子的想法，但是試管嬰兒技術(shù)花費(fèi)高，許多普通家庭支付不起。

5 討論及展望

根據(jù)對(duì)工程技術(shù)的持續(xù)關(guān)注，觀察到細(xì)胞工程技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)給人類(lèi)的生活和生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的便捷，十年后克隆人就可能問(wèn)世、器官移植的技術(shù)問(wèn)題就能解決、平時(shí)吃的食物喝的牛奶就可以治療疾病、會(huì)有大量的生物制品藥物上市并且價(jià)格低。但細(xì)胞工程技術(shù)也帶來(lái)了很多問(wèn)題，如安全問(wèn)題、倫理問(wèn)題等，其中最主要的就是倫理問(wèn)題，這也是制約細(xì)胞工程技術(shù)發(fā)展的主要阻力，倫理問(wèn)題主要表現(xiàn)在克隆技術(shù)和體外受精技術(shù)上，但人類(lèi)社會(huì)能發(fā)展到今天不是固步自封的結(jié)果而是人類(lèi)勇于突破常理的結(jié)果，可能在將來(lái)會(huì)有另一套倫理規(guī)則來(lái)解決目前人們不敢突破的倫理問(wèn)題，這樣細(xì)胞工程技術(shù)就能夠再一次發(fā)生突破性的改變，為人類(lèi)的發(fā)展造福。細(xì)胞工程技術(shù)有很好的發(fā)展前景、并且會(huì)給持有技術(shù)的人帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。