瀕危的物種通過離體細胞培養而不至於滅絕;新型農作物的培育通過細胞融合、細胞雜交等“美容整形手術”獲得更多的優良性狀;以往價格昂貴的抗生素通過細胞改良技術而得以大批量生產;通過細胞定向的“生物導彈”藥物,可以抑製腫瘤等惡性疾病病患處細胞的增殖和擴散。不難看出在當今的生物科技發展中,細胞工程起著舉足輕重的作用。
3.1細胞工程概述
細胞工程,顧名思義,就是在細胞水平上,按照人們的設計藍圖,應用細胞及分子生物學方法和技術,通過改變細胞內的遺傳物質而獲得新物種,或進行大規模細胞和組織培養而獲得特種細胞產物,是現代生物工程的一個重要組成部分。按照操作對象又可分為植物細胞工程和動物細胞工程。
細胞工程走過了以下的發展曆程:
1839年,德國植物學家施萊登和動物學家施旺提出“細胞學說”,認為所有有機體都是由一個個的細胞組成的;1902年,德國學者哈勃蘭特提出“細胞全能性”觀點,認為任何一個細胞都具有生長發育為完整個體的潛能。細胞工程就是以“細胞學說”和“細胞全能性學說”為理論基礎而發展起來的。
1912年,卡雷爾在細胞全能性學說的指導下,進行了雞胚胎心肌組織細胞的體外長期培養,厄爾於1940年進行了小鼠單個細胞培養,建立了小鼠結締組織。
1975年,西莎與喬治合作,將免疫過的小鼠脾細胞與小鼠骨髓瘤細胞融合,得到既能體外無限增殖又能產生特異性抗體的雜交瘤細胞,這是人類首次進行的細胞間融合實驗。
1978年,英國劍橋大學生理學家愛德華采用胚胎工程技術成功培育出世界首例試管嬰兒,這是細胞工程的重要內容——胚胎工程誕生的標誌性事件。其後,細胞工程進入了轉基因和細胞核移植研究階段。
1987年,戈登將人類某基因通過人工手段轉入小鼠中,成功構建了轉基因小鼠。
1997年2月,英國羅斯林研究所的維爾穆特博士科研組公布體細胞克隆羊“多莉”培育成功。“多莉”的克隆在核移植技術上沿襲了胚胎細胞核移植的全部過程,但它是世界上第一例經體細胞核移植出生的動物,是細胞工程技術領域研究的巨大突破。
目前,細胞工程的研究內容主要包括細胞融合、細胞重組、細胞核移植、染色體工程、原生質體誘變及細胞和組織培養技術。
3.2細胞工程的成果
3.2.1單克隆抗體技術
將能夠產生抗體的B淋巴細胞與骨髓瘤細胞雜交融合,獲得既能產生抗體,又能無限增殖的雜種細胞,這種技術被稱為單克隆抗體技術。
小鼠的骨髓瘤細胞可以在體外無限增殖但不能產生抗體,而經過抗原免疫處理後的B淋巴細胞可以產生特異性抗體但不能在體外進行無限分裂,若將這兩種細胞雜交會得到具有什麼特點的細胞呢?
1975年,分子生物學家科勒和米爾斯坦首先進行了這樣的細胞融合實驗,得到一個既能體外無限增殖又可以合成和分泌特異性抗體的雜種細胞,即雜交瘤細胞,它融合了兩個親本各自的優點。這種細胞產生的特異性抗體被稱為單克隆抗體。單克隆抗體技術實質就是細胞融合技術。科勒和米爾斯坦因開創的單克隆抗體技術是免疫學乃至醫學史上的重大突破,兩人也因此獲得了1984年的諾貝爾生理學或醫學獎。
單克隆抗體製備的流程大致如下:
1)對實驗動物進行免疫處理:給小鼠注射目的抗原,刺激其體內B淋巴細胞分化成可產生相應抗體的致敏B淋巴細胞。
2)在離體條件下進行細胞融合:小鼠脾髒細胞懸浮液中的淋巴細胞、骨髓瘤細胞在融合劑作用下發生融合形成雜交瘤細胞。
3)選擇發生融合而形成的雜交瘤細胞,剔除未發生融合的淋巴細胞和骨髓瘤細胞。
4)采用靈敏、快速、特異的免疫學方法篩選出可產生單克隆抗體的陽性細胞,並繼續培養。
5)篩選出的陽性細胞通過注射到動物體內誘生或在體外繼續培養而獲得大量單克隆抗體。
為什麼對單克隆抗體的研究與應用越來越深入而廣泛呢?這主要是由於單克隆抗體有以下三個方麵的突出優點:
1)特異性:對單一抗原高度的特異性使其能更加精準地結合並殺死靶細胞,且對於體內靶向性分布也能更快速準確地定位,這一特點更多地體現在抗腫瘤抗體藥物的研究中。
2)多樣性:主要有靶抗原的多樣性、抗體結構的多樣性和單克隆抗體作用機製的多樣性。
3)定向性:單克隆抗體類似於“生物導彈”,在臨床治療中,可以將抗體藥物運送至癌變部位等病害部位,從而達到定向的治療效果,減少對機體其他組織的傷害。
由於分子細胞生物學的發展及單克隆抗體獨有的特點,使其應用日益普及,滲透到生物學、醫學、農業、食品等研究的各個領域,主要有以下幾個方麵: