細胞工程技術(shù)的應(yīng)用

邱忠毅

（山西醫(yī)科大學(xué)，山西晉中 030600）

細胞工程是應(yīng)用細胞生物學(xué)、遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的理論和方法，從細胞水平上對細胞進行大規(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世，人們對細胞工程有了進一步的了解，同時細胞工程技術(shù)也被應(yīng)用到除克隆動物外的其他各領(lǐng)域中。近年來，細胞工程技術(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 細胞工程技術(shù)在農(nóng)作物育種上的應(yīng)用

細胞工程技術(shù)作為一種新型的育種技術(shù)，在細胞水平上對植株進行大規(guī)模培養(yǎng)，并取得了非常大的進展和突破。細胞工程技術(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，很大程度上促進了農(nóng)業(yè)的發(fā)展與進步。下面從細胞工程技術(shù)在育種上的應(yīng)用進行簡單介紹。

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胞壁后形成的以細胞膜為包裹的裸露球形細胞，原生質(zhì)體仍然具備細胞的特性，但因沒有細胞壁，不同原生質(zhì)體之間可以進行融合。原生質(zhì)體也具有全能性，一但遇到適合的生長環(huán)境，原生質(zhì)體細胞可以形成新的細胞壁，也可發(fā)生再分化，重新生成新的組織和器官，進一步發(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)體細胞，再利用實驗室純化柑橘的方法對原生質(zhì)體進行純化，然后利用液體淺層法將純化的原生質(zhì)體進行細胞懸浮培養(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。

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)是植物細胞有全能性，細胞全能性的高低與細胞分化程度有關(guān)，一般情況下是分化程度越高，細胞的全能性越低；植物細胞的全能性高于動物細胞。目前，植物組織培養(yǎng)技術(shù)再生植株主要通過胚胎培養(yǎng)，這種途徑有取材方便、操作簡單、產(chǎn)量大、縮短育種周期等優(yōu)勢。如利用花粉進行單倍體育種[4]，花粉（植物的雄性生殖細胞）是單倍體細胞。對花粉進行培養(yǎng)改變了花粉原有的發(fā)育成植株的途徑，利用花粉進行人工離體無菌培養(yǎng)過程培育出幼苗先誘導(dǎo)花粉形成愈傷組織，再經(jīng)過再分化，發(fā)育成單倍體幼苗。

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

1.2.1 細胞融合技術(shù)在品種改良上的應(yīng)用

細胞融合是指使用人工的方法使兩個以上的細胞合并形成一個細胞的技術(shù)。細胞融合[5]具體的過程是先將兩種具有不同優(yōu)良性狀的植物細胞的細胞壁除去，形成兩種原生質(zhì)體細胞，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)體細胞融合，形成具有兩種細胞的染色體的雜種細胞[6]，使優(yōu)良性狀能在同一個細胞中表達且能夠穩(wěn)定地遺傳給下一代。因為植物細胞具有全能性，雜種細胞可在誘導(dǎo)培養(yǎng)基上重新生出細胞壁，在此基礎(chǔ)上進行再分化，形成新品種植株，此植株擁有兩種細胞的優(yōu)良性狀。細胞融合技術(shù)的優(yōu)點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 體細胞培養(yǎng)在品種改良上的應(yīng)用

植物體細胞培養(yǎng)是在離體條件下，將分離的植物細胞通過繼代培養(yǎng)增殖獲得大量細胞群的一種技術(shù)。利用植物體細胞進行培養(yǎng)的具體過程是先將植物組織進行酶解，釋放出細胞，然后將細胞誘導(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，進一步形成新的植株。在愈傷組織生長成新植株過程中，體細胞的基因易發(fā)生突變，染色體也會發(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)良的性狀會遺傳給下一代[7]。所以，在植物體細胞培養(yǎng)過程中會發(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 在動物領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 細胞工程技術(shù)在牲畜繁殖上的應(yīng)用

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

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)。一般將體外受精動物培育分為5個步驟：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，尤其是在保護瀕臨滅絕的野生動物上發(fā)揮重要作用。例如，對于奶牛這種單胎生且能帶來較大經(jīng)濟價值大的動物，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)殖戶帶來更大的經(jīng)濟效益。體外受精技術(shù)已經(jīng)成為我國畜牧業(yè)擴大養(yǎng)殖規(guī)模的主要手段。同時由于繁殖成本的降低，奶制品、牛羊肉的價格也有所下降。

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的動物的性別，其對畜牧業(yè)的生產(chǎn)具有重要意義。常用的性別控制方法[10]有流式細胞儀分離法、離心分離法、免疫學(xué)分離法、PCR擴增法等。不同性別的牲畜在實際生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出的應(yīng)用價值也不同，如雄性動物生長速度快，適合用于肉類的供應(yīng)；而雌性動物更適合用于蛋奶的供應(yīng)。此外，在牲畜選育過程中，根據(jù)品種性別差異繁育后代，可提高選育強度；通過品種性別預(yù)測，可控制伴性遺傳病的發(fā)病風(fēng)險。所以在牲畜繁殖過程中利用性別控制技術(shù)及時淘汰不需要性別的動物，可提高畜牧業(yè)的生產(chǎn)效益。

2.2 細胞工程技術(shù)在動物克隆上的應(yīng)用

當(dāng)提到克隆動物人們都不陌生，最先想到的就是克隆羊多利?？寺游锏漠a(chǎn)生都歸功于細胞核移植技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在我國已經(jīng)通過此技術(shù)克隆出與人類親緣更近的靈長類動物猴[11]，這就說明離克隆人已不是很遙遠了。

細胞核移植是利用顯微鏡操作技術(shù)將一種動物的細胞核移入同種或異種動物的去核成熟卵細胞內(nèi)的技術(shù)。細胞核移植技術(shù)是動物克隆中的關(guān)鍵技術(shù)，要想克隆出動物還要與胚胎移植技術(shù)聯(lián)用?？寺游锱嘤拇笾铝鞒倘缦拢汉斯w細胞（體細胞或胚胎細胞）的獲得與取核、受體細胞（MⅡ期成熟卵細胞）的獲得與去核、細胞核移植、重組胚胎激活、重組胚胎培養(yǎng)與移植?？寺〕龅膭游锱c供核的親本表現(xiàn)的性狀相同，所以可以通過此技術(shù)將優(yōu)良性狀進行遺傳擴增，但因克隆動物完全的繼承了供核親本的性狀，此動物也繼承了親本的年齡，雖然克隆動物看起來年輕但壽命短，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

生物制藥是運用微生物、動植物細胞、動物體等生產(chǎn)有效生物活性物質(zhì)對某些特定的疾病進行治療和預(yù)防，而細胞工程技術(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，不只是運用微生物進行發(fā)酵，還可通過培養(yǎng)細胞繁殖使藥物產(chǎn)量增加。如今，生物制藥與細胞工程已緊密地聯(lián)系在一起，在生物制藥中細胞工程占據(jù)重要地位。隨著人們將細胞工程技術(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)域帶來了巨大的經(jīng)濟效益，據(jù)統(tǒng)計全球銷售前十的藥物有7個是生物制品。

3.1 細胞工程技術(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)出的一類具有特異性強、理化性質(zhì)單一的單一性抗體。雜交瘤技術(shù)是指將骨髓瘤細胞與免疫的動物脾臟細胞融合得到既能分泌抗體又能在體外長期繁殖的雜交瘤細胞，再經(jīng)過克隆化培養(yǎng)得到可以分泌單克隆抗體的雜交瘤細胞的技術(shù)。制備單克隆抗體的大致流程如下：制備免疫脾臟細胞、骨髓瘤細胞篩選、細胞融合、雜交瘤細胞篩選、克隆化培養(yǎng)、單克隆抗體鑒定。近年來，單抗的制備方法也發(fā)生了改變，如利用基因工程構(gòu)建單抗的表達載體，將其導(dǎo)入到宿主細胞中，再用細胞培養(yǎng)技術(shù)將宿主細胞大規(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)量沒有雜交瘤細胞大，所以就要對表達載體進行優(yōu)化[13]。

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

轉(zhuǎn)基因動物生物反應(yīng)器是指利用轉(zhuǎn)基因活體動物中某種能夠高效表達外源蛋白的器官或者組織來生產(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，然后通過回收乳汁獲得有價值的目的蛋白。乳腺生物反應(yīng)器有以下幾個特點：產(chǎn)量高、易提純、表達產(chǎn)品安全性高、表達產(chǎn)品有生物活性。在整個生物反應(yīng)器的構(gòu)建過程中，細胞工程技術(shù)主要運用在轉(zhuǎn)基因動物培育上，通過體外受精和胚胎移植技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)基因動物反應(yīng)器的大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)出的產(chǎn)品能夠滿足市場的需求。

4 在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 細胞工程技術(shù)在干細胞移植上的應(yīng)用

在臨床治療中，有許多疾病不能通過平常的化學(xué)藥物和物理療法進行治療，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。這時就可以運用干細胞培養(yǎng)法生產(chǎn)出骨髓造血干細胞，用于白血病的治療。此法用的干細胞是由患者細胞脫分化形成的，在體外的環(huán)境下誘導(dǎo)干細胞分化成單能骨髓造血干細胞，再將骨髓造血干細胞注入到患者的骨髓中。在整個過程中所有的細胞都來自患者本身，這樣患者就不會產(chǎn)生免疫反應(yīng)而達到有效的治療。

4.2 細胞工程技術(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)生歸功于細胞工程技術(shù)的發(fā)展，因為試管嬰兒是體外受精和胚胎技術(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題，尤其是男性不育問題[15]，同時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)花費高，許多普通家庭支付不起。

5 討論及展望

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