摘 要： 近年来, 随着细胞工程在制药、医疗、动物繁殖、植物育种等各领域的应用, 细胞工程技术也被广泛地应用到各个领域中, 并给各领域的发展带来了巨大的动力。常用的细胞工程技术包括动植物细胞培养技术、动植物细胞融合技术、克隆技术、干细胞移植技术等, 细胞工程技术通常会与基因工程技术联用, 如细胞生物反应器、转基因育种等。本文对上述的细胞工程技术在植物领域、动物领域、制药领域、医疗领域的具体应用进行了叙述并对未来细胞工程技术发展的阻力和美好前景进行了展望和讨论。
关键词： 细胞工程; 基因工程; 育种; 克隆;
Abstract： With the application of cell engineering in pharmaceutical, medical, animal breeding, plant breeding and other fields in recent years, cell engineering technology has been widely applied in various fields. Common cell engineering techniques include cell culture, cell fusion, cloning and stem cell transplantation. Cell engineering techniques are often used in conjunction with genetic engineering techniques, such as cell bioreactors and transgenic breeding. This paper summarizes and discusses the application of cell engineering technology.
Keyword： Cell engineering; Gene engineering; Breeding; Cloning;
细胞工程是应用细胞生物学、遗传学和分子生物学的理论和方法, 从细胞水平上对细胞进行大规模培养和分子水平上的基因改造。自从克隆羊多利的问世, 人们对细胞工程有了进一步的了解, 同时细胞工程技术也被应用到除克隆动物外的其他各领域中。近年来, 细胞工程技术成功应用的案例有单克隆抗体的制备、乳房生物反应器、试管婴儿、造血干细胞移植等, 其大都是在制药和医疗卫生方面的应用, 同时在牲畜育种和农作物优良品种的筛选和培育等方面也有应用。本文具体叙述细胞工程技术的应用范围。
1、 在植物领域的应用
1.1、 细胞工程技术在农作物育种上的应用
细胞工程技术作为一种新型的育种技术, 在细胞水平上对植株进行大规模培养, 并取得了非常大的进展和突破。细胞工程技术在农作物育种方面的广泛应用[1], 解决了许多育种上的难题, 很大程度上促进了农业的发展与进步。下面从细胞工程技术在育种上的应用进行简单介绍。
1.1.1、 原生质体在育种上的应用
原生质体是指采用酶解法等方法除去植物细胞壁后形成的以细胞膜为包裹的裸露球形细胞, 原生质体仍然具备细胞的特性, 但因没有细胞壁, 不同原生质体之间可以进行融合。原生质体也具有全能性, 一但遇到适合的生长环境, 原生质体细胞可以形成新的细胞壁, 也可发生再分化, 重新生成新的组织和器官, 进一步发育成完整的植株。文峰等[2]人先利用木薯的脆性愈伤组织继代培养5~10天后, 用酶水解分离出原生质体细胞, 再利用实验室纯化柑橘的方法对原生质体进行纯化, 然后利用液体浅层法将纯化的原生质体进行细胞悬浮培养形成致密的愈伤组织, 最后将大的愈伤组织挑出, 让其在特定的诱导培养基进行再分化形成完整的木薯植株。原生质体在育种上具有迅速、保持优良性状传代的优点。
1.1.2、 植物组织培养技术在育种上的应用[3]
植物组织培养是指将植物组织、器官在适当培养条件下诱导长成完整植株的技术。植物组织培养再生植物的理论基础是植物细胞有全能性, 细胞全能性的高低与细胞分化程度有关, 一般情况下是分化程度越高, 细胞的全能性越低;植物细胞的全能性高于动物细胞。目前, 植物组织培养技术再生植株主要通过胚胎培养, 这种途径有取材方便、操作简单、产量大、缩短育种周期等优势。如利用花粉进行单倍体育种[4], 花粉 (植物的雄性生殖细胞) 是单倍体细胞。对花粉进行培养改变了花粉原有的发育成植株的途径, 利用花粉进行人工离体无菌培养过程培育出幼苗先诱导花粉形成愈伤组织, 再经过再分化, 发育成单倍体幼苗。
1.2 、细胞工程技术在农作物品种改良上的应用
1.2.1 、细胞融合技术在品种改良上的应用
细胞融合是指使用人工的方法使两个以上的细胞合并形成一个细胞的技术。细胞融合[5]具体的过程是先将两种具有不同优良性状的植物细胞的细胞壁除去, 形成两种原生质体细胞, 再利用生物法、化学试剂、电融合等方法将这两种原生质体细胞融合, 形成具有两种细胞的染色体的杂种细胞[6], 使优良性状能在同一个细胞中表达且能够稳定地遗传给下一代。因为植物细胞具有全能性, 杂种细胞可在诱导培养基上重新生出细胞壁, 在此基础上进行再分化, 形成新品种植株, 此植株拥有两种细胞的优良性状。细胞融合技术的优点是消除了种间杂交的障碍, 提高了物种的变异率, 培育新物种的概率也提高, 大大缩小了育种周期。
1.2.2、 体细胞培养在品种改良上的应用
植物体细胞培养是在离体条件下, 将分离的植物细胞通过继代培养增殖获得大量细胞群的一种技术。利用植物体细胞进行培养的具体过程是先将植物组织进行酶解, 释放出细胞, 然后将细胞诱导成愈伤组织, 继代培养使愈伤组织大量增殖, 再诱导愈伤组织形成胚状体, 进一步形成新的植株。在愈伤组织生长成新植株过程中, 体细胞的基因易发生突变, 染色体也会发生重新组合的现象, 这就使得再生植株的性状发生改变, 且其中优良的性状会遗传给下一代[7]。所以, 在植物体细胞培养过程中会发生较高突变率的遗传变异, 然后在其中筛选出有优良性状的突变体, 将其培育成植株, 即可选育出新品种。
2、 在动物领域的应用
2.1、 细胞工程技术在牲畜繁殖上的应用
目前, 细胞工程技术已在我国家畜繁殖中取得了非常重大的成就并获得了可观的经济效益[8]。用于家畜繁殖的细胞工程技术有体外受精技术、胚胎移植技术、精液冷冻技术、细胞核移植技术、胚胎性别鉴定技术等, 下面就细胞工程技术在牲畜育种上的应用进行简单介绍。
2.1.1、 体外受精技术在牲畜繁殖中的应用
体外受精是指将哺乳动物的精子和卵子在体外人工控制的环境中完成受精的技术。一般将体外受精动物培育分为5个步骤:精子采集与体外获能和卵子采集与成熟培养、体外受精、重组胚激活与体外培养、胚胎移植、体内发育与出生。体外受精技术[9]能发挥优良母畜的繁殖潜力、提高家畜改良的速度、保存遗传资源, 尤其是在保护濒临灭绝的野生动物上发挥重要作用。例如, 对于奶牛这种单胎生且能带来较大经济价值大的动物, 利用体外受精技术能有效地增加奶牛数量, 为奶牛养殖户带来更大的经济效益。体外受精技术已经成为我国畜牧业扩大养殖规模的主要手段。同时由于繁殖成本的降低, 奶制品、牛羊肉的价格也有所下降。
2.1.2、 胚胎性别控制技术在牲畜繁殖中的应用
性别控制是用人工的方式控制繁殖出来的动物的性别, 其对畜牧业的生产具有重要意义。常用的性别控制方法[10]有流式细胞仪分离法、离心分离法、免疫学分离法、PCR扩增法等。不同性别的牲畜在实际生产过程中表现出的应用价值也不同, 如雄性动物生长速度快, 适合用于肉类的供应;而雌性动物更适合用于蛋奶的供应。此外, 在牲畜选育过程中, 根据品种性别差异繁育后代, 可提高选育强度;通过品种性别预测, 可控制伴性遗传病的发病风险。所以在牲畜繁殖过程中利用性别控制技术及时淘汰不需要性别的动物, 可提高畜牧业的生产效益。
2.2 、细胞工程技术在动物克隆上的应用
当提到克隆动物人们都不陌生, 最先想到的就是克隆羊多利。克隆动物的产生都归功于细胞核移植技术的发展, 现在我国已经通过此技术克隆出与人类亲缘更近的灵长类动物猴[11], 这就说明离克隆人已不是很遥远了。
细胞核移植是利用显微镜操作技术将一种动物的细胞核移入同种或异种动物的去核成熟卵细胞内的技术。细胞核移植技术是动物克隆中的关键技术, 要想克隆出动物还要与胚胎移植技术联用。克隆动物培育的大致流程如下:核供体细胞 (体细胞或胚胎细胞) 的获得与取核、受体细胞 (MⅡ期成熟卵细胞) 的获得与去核、细胞核移植、重组胚胎激活、重组胚胎培养与移植。克隆出的动物与供核的亲本表现的性状相同, 所以可以通过此技术将优良性状进行遗传扩增, 但因克隆动物完全的继承了供核亲本的性状, 此动物也继承了亲本的年龄, 虽然克隆动物看起来年轻但寿命短, 这也是在这领域需要攻克的难题。
3、 在制药领域的应用
生物制药是运用微生物、动植物细胞、动物体等生产有效生物活性物质对某些特定的疾病进行治疗和预防, 而细胞工程技术在制药领域[12]的应用使得生物制药产业得到了巨大的发展, 也改变了传统制药领域的生产方式, 不只是运用微生物进行发酵, 还可通过培养细胞繁殖使药物产量增加。如今, 生物制药与细胞工程已紧密地联系在一起, 在生物制药中细胞工程占据重要地位。随着人们将细胞工程技术不断应用到生物制药中, 制药行业迅速发展, 给这领域带来了巨大的经济效益, 据统计全球销售前十的药物有7个是生物制品。
3.1、 细胞工程技术在单抗药物生产上的应用
单克隆抗体是基于杂交瘤技术生产出的一类具有特异性强、理化性质单一的单一性抗体。杂交瘤技术是指将骨髓瘤细胞与免疫的动物脾脏细胞融合得到既能分泌抗体又能在体外长期繁殖的杂交瘤细胞, 再经过克隆化培养得到可以分泌单克隆抗体的杂交瘤细胞的技术。制备单克隆抗体的大致流程如下:制备免疫脾脏细胞、骨髓瘤细胞筛选、细胞融合、杂交瘤细胞筛选、克隆化培养、单克隆抗体鉴定。近年来, 单抗的制备方法也发生了改变, 如利用基因工程构建单抗的表达载体, 将其导入到宿主细胞中, 再用细胞培养技术将宿主细胞大规模培养, 使其大量分泌单抗。但此方法有弊端, 如单抗产量没有杂交瘤细胞大, 所以就要对表达载体进行优化[13]。
3.2、 细胞工程技术在转基因动物生物反应器上的应用
转基因动物生物反应器是指利用转基因活体动物中某种能够高效表达外源蛋白的器官或者组织来生产活性蛋白的技术。最主要的生物反应器是乳腺生物反应[14], 其是将目的蛋白的基因置于乳腺特异性调节序列之下, 使之在乳腺中表达, 然后通过回收乳汁获得有价值的目的蛋白。乳腺生物反应器有以下几个特点:产量高、易提纯、表达产品安全性高、表达产品有生物活性。在整个生物反应器的构建过程中, 细胞工程技术主要运用在转基因动物培育上, 通过体外受精和胚胎移植技术实现转基因动物反应器的大规模生产, 生产出的产品能够满足市场的需求。
4、 在医疗领域的应用
4.1、 细胞工程技术在干细胞移植上的应用
在临床治疗中, 有许多疾病不能通过平常的化学药物和物理疗法进行治疗, 如白血病患者就需要骨髓的移植才能从根本上治疗, 但因骨髓来源有局限性, 又因找到能够与患者配型的骨髓更是少之又少。这时就可以运用干细胞培养法生产出骨髓造血干细胞, 用于白血病的治疗。此法用的干细胞是由患者细胞脱分化形成的, 在体外的环境下诱导干细胞分化成单能骨髓造血干细胞, 再将骨髓造血干细胞注入到患者的骨髓中。在整个过程中所有的细胞都来自患者本身, 这样患者就不会产生免疫反应而达到有效的治疗。
4.2、 细胞工程技术在试管婴儿上的应用
试管婴儿是指卵子与精子在体外受精, 培养发育成早期胚胎, 再植回受体子宫内发育出生的婴儿。试管婴儿的产生归功于细胞工程技术的发展, 因为试管婴儿是体外受精和胚胎技术紧密集合的结果。试管婴儿应用在临床上解决了不孕不育的问题, 尤其是男性不育问题[15], 同时试管婴儿也解决了不育女性想拥有孩子的想法, 但是试管婴儿技术花费高, 许多普通家庭支付不起。
5、 讨论及展望
根据对工程技术的持续关注, 观察到细胞工程技术在各个领域的应用已经给人类的生活和生产带来了巨大的便捷, 十年后克隆人就可能问世、器官移植的技术问题就能解决、平时吃的食物喝的牛奶就可以治疗疾病、会有大量的生物制品药物上市并且价格低。但细胞工程技术也带来了很多问题, 如安全问题、伦理问题等, 其中最主要的就是伦理问题, 这也是制约细胞工程技术发展的主要阻力, 伦理问题主要表现在克隆技术和体外受精技术上, 但人类社会能发展到今天不是固步自封的结果而是人类勇于突破常理的结果, 可能在将来会有另一套伦理规则来解决目前人们不敢突破的伦理问题, 这样细胞工程技术就能够再一次发生突破性的改变, 为人类的发展造福。细胞工程技术有很好的发展前景、并且会给持有技术的人带来可观的经济效益。
参考文献
[1] 李轩逸.细胞工程技术在作物育种中的应用[J].现代经济信息, 2017 (21) :318.
[2]文峰, 肖诗鑫, 聂扬眉, 等.木薯脆性胚性愈伤组织原生质体培养与植株再生[J].中国农业科学, 2012, 45 (19) :4050-4056.
[3]段莹星.植物组织培养技术的应用[J].农村经济与科技, 2018 (12) :33.
[4]祝剑峰.植物组织培养在育种中的应用[J].安徽农业科学, 2014, 42 (35) :12415-12417.
[5]李琦.植物原生质体融合方法的研究进展[J].种子科技, 2018, 36 (06) :38+40.
[6]唐红, 周平, 张宾, 等.动物细胞工程在动物生物技术中的应用[J].新疆农垦科技, 2011 (6) :25-29.
[7]李轩逸.细胞工程技术在作物育种中的应用[J].现代经济信息, 2017 (21) :318.
[8]岳奎忠.细胞工程技术和基因工程技术在我国家畜繁殖育种上的应用[J].黑龙江动物繁殖, 1994 (2) :31-32.
[9]刘旗.体外受精技术及其在家畜繁殖中的应用[J].农业技术与装备, 2011 (15) :60-63.
[10]赵玥, 蒋宏伟, 李成虎.家畜性别控制技术的应用[J].中国畜牧兽医文摘, 2016, 32 (9) :62-63.
[11]叶水送.克隆动物庄园:从多莉羊到克隆猴[N].北京科技报, 2018-01-29.
[12]陈劼.细胞工程在生物制药工业中的地位[J].中国高新区, 2018 (3) :50.
[13]惠开元, 高向东, 徐晨.单克隆抗体制备的细胞工程学研究进展[J].中国生物工程杂志, 2012, 32 (2) :90-95.
[14]毛婕.乳腺生物反应器在生物制药领域研究进展[J].西部皮革, 2016, 38 (6) :29-30.
[15]张春影.生殖细胞工程技术在男性不育中的应用前景研究[J].中国男科学杂志, 2006 (1) :1-4, 10
