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工程細(xì)胞生物學(xué)是細(xì)胞生物學(xué)的重要分支學(xué)科，是細(xì)胞生物學(xué)和細(xì)胞工程學(xué)的新興交叉邊緣學(xué)科。它以細(xì)胞生物學(xué)的理論和技術(shù)體系為基礎(chǔ)，以細(xì)胞工程學(xué)中工程細(xì)胞為對(duì)象，在分子、細(xì)胞等不同層面上，揭示工程細(xì)胞的各種生命活動(dòng)規(guī)律，以期按照人們的意圖對(duì)工程細(xì)胞的遺傳物質(zhì)、細(xì)胞組分及遺傳表型進(jìn)行重組改造，從而獲得有重要應(yīng)用價(jià)值的新型工程細(xì)胞表達(dá)產(chǎn)物（產(chǎn)品）。可以說(shuō)，工程細(xì)胞生物學(xué)是細(xì)胞生物學(xué)的應(yīng)用和拓展，同時(shí)又為細(xì)胞工程學(xué)的發(fā)展提供重要的理論和技術(shù)支撐。因此，工程細(xì)胞生物學(xué)不僅涉及細(xì)胞生物學(xué)的基本內(nèi)容，如生長(zhǎng)分化、增殖調(diào)控、運(yùn)輸分泌、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和衰老凋亡等基本生命現(xiàn)象，又涵蓋細(xì)胞工程相關(guān)內(nèi)容，如工程細(xì)胞改造及篩選、高密度培養(yǎng)條件、培養(yǎng)體系微環(huán)境中的代謝變化等。
《工程細(xì)胞生物學(xué)》著重介紹工程細(xì)胞生物學(xué)基本概念、主要內(nèi)容、研究方法和技術(shù)以及應(yīng)用現(xiàn)狀，并拓展介紹了部分重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)操作和工程知識(shí)。書(shū)中設(shè)計(jì)了部分知識(shí)拓展框，以豐富學(xué)科進(jìn)展方面的內(nèi)容。
《工程細(xì)胞生物學(xué)》可作為生命科學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生、研究生教材，也可供其他相關(guān)領(lǐng)域工作人員參考使用。

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第一章　緒　　論
1.1　工程細(xì)胞生物學(xué)的基本概念
工程細(xì)胞生物學(xué)是細(xì)胞生物學(xué)的重要分支學(xué)科，是細(xì)胞生物學(xué)和細(xì)胞工程學(xué)的新興交叉邊緣學(xué)科。工程細(xì)胞生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容不僅涉及細(xì)胞生物學(xué)的基本內(nèi)容，如細(xì)胞的生長(zhǎng)分化、增殖調(diào)控、運(yùn)輸分泌、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和衰老凋亡等基本生命現(xiàn)象；同時(shí)又涵蓋細(xì)胞工程相關(guān)內(nèi)容，如工程細(xì)胞的改造及篩選、高密度培養(yǎng)條件及優(yōu)化、培養(yǎng)體系微環(huán)境中的代謝變化及調(diào)節(jié)等。
1.1.1　細(xì)胞工程和工程細(xì)胞的基本概念和分類(lèi)
1.1.1.1　細(xì)胞工程的概念和研究范疇
細(xì)胞是包含了全部生命信息和體現(xiàn)生命所有基本特點(diǎn)的獨(dú)立生命單位，對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和活動(dòng)的研究是一切生命科學(xué)的重要基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代末至80年代初，隨著細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人類(lèi)已經(jīng)可以在探索細(xì)胞生命活動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，在細(xì)胞和基因的水平上干預(yù)和改造生物的遺傳性狀，從而依照人類(lèi)的意愿，設(shè)計(jì)出新的生物基因藍(lán)圖，然后據(jù)此制造出新的生命體。正如德國(guó)著名哲學(xué)家尤根?米特斯特拉斯所指出的：“我們的科學(xué)知識(shí)正在把我們逐漸推到一種不僅能夠知道我們的（生物）本質(zhì)，而且還能加以改變的位置上�！奔�(xì)胞工程就是這樣一門(mén)新型學(xué)科。
細(xì)胞工程，是指應(yīng)用現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳和發(fā)育生物學(xué)等理論與方法，通過(guò)類(lèi)似工程學(xué)的步驟，在細(xì)胞整體水平和細(xì)胞器水平上進(jìn)行遺傳操作，重組細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和內(nèi)含物，按照人們的意愿改變生物的結(jié)構(gòu)和功能，即通過(guò)細(xì)胞融合、核質(zhì)移植、染色體或基因移植以及組織、細(xì)胞培養(yǎng)等方法，快速繁殖和培養(yǎng)出人們所需要的新物種、新產(chǎn)品的生物工程技術(shù)。通俗地講，細(xì)胞工程是在細(xì)胞水平上做手術(shù)，也稱(chēng)細(xì)胞操作技術(shù)。例如，細(xì)胞融合技術(shù)避免了分離、提純、剪切、拼接等基因操作，只需將細(xì)胞遺傳物質(zhì)直接轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞中，就能形成雜交細(xì)胞，因而能提高基因轉(zhuǎn)移效率。
目前細(xì)胞工程的主要研究領(lǐng)域包括：①動(dòng)、植物細(xì)胞和組織培養(yǎng)；②細(xì)胞融合育種與單克隆抗體；③細(xì)胞核移植與克�。虎苋旧w工程育種；⑤發(fā)育基因調(diào)控與人體器官培養(yǎng)技術(shù)等。細(xì)胞工程涉及的技術(shù)領(lǐng)域是對(duì)細(xì)胞不同結(jié)構(gòu)層次的改造，包括細(xì)胞整體層次，如細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞融合等；細(xì)胞器層次，如核移植、細(xì)胞拆合、染色體倍性或組成改變等；分子層次，如基因操作技術(shù)等。隨著基因工程技術(shù)、基因轉(zhuǎn)移技術(shù)和干細(xì)胞工程技術(shù)的發(fā)展，細(xì)胞工程在理論和應(yīng)用兩方面獲得了快速發(fā)展。
根據(jù)細(xì)胞類(lèi)型的不同，細(xì)胞工程具體分為動(dòng)物細(xì)胞工程、植物細(xì)胞工程和微生物細(xì)胞工程。首先，動(dòng)物細(xì)胞與植物細(xì)胞相比，在遺傳和生理特性等方面都有很大的不同：①動(dòng)物細(xì)胞沒(méi)有葉綠體和細(xì)胞壁，其物質(zhì)與能量代謝途徑與植物細(xì)胞不同；②高等動(dòng)物的細(xì)胞在動(dòng)物體內(nèi)生長(zhǎng)時(shí)，既相互依賴(lài)又相互制約，在神經(jīng)及體液調(diào)節(jié)下形成了一種非常復(fù)雜的內(nèi)環(huán)境，動(dòng)物細(xì)胞在體內(nèi)受整體調(diào)節(jié)制約的程度和復(fù)雜度，都是植物細(xì)胞不能相比的；③動(dòng)物細(xì)胞分化的程度和類(lèi)別也比植物細(xì)胞更高、更復(fù)雜，脫分化非常困難；④與植物細(xì)胞不同，動(dòng)物細(xì)胞除卵細(xì)胞外，都只有遺傳上的全能性而沒(méi)有細(xì)胞上的全能性；⑤在體外培養(yǎng)時(shí)，除癌細(xì)胞和血細(xì)胞外，正常的動(dòng)物細(xì)胞都有貼附于支持物生長(zhǎng)的特性，并且發(fā)生接觸抑制，而停止分裂和增殖；⑥所有高等動(dòng)物細(xì)胞都是有壽限的，細(xì)胞分裂最多不能超過(guò)50代次分化，而植物細(xì)胞沒(méi)有壽限。隨著細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)和細(xì)胞遺傳學(xué)研究的日益深入及相關(guān)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，動(dòng)物細(xì)胞工程得到了迅速發(fā)展，并且在醫(yī)學(xué)研究和實(shí)踐應(yīng)用中應(yīng)用日益廣泛。當(dāng)今，動(dòng)物細(xì)胞工程對(duì)提高人類(lèi)的生活質(zhì)量和健康水平，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
微生物作為可以獨(dú)立存在的個(gè)體，其生長(zhǎng)代謝的特點(diǎn)與植物、動(dòng)物有著顯著的區(qū)別，可由其自身完成其基本功能。微生物細(xì)胞工程以微生物細(xì)胞為研究對(duì)象，利用微生物發(fā)酵作用，通過(guò)現(xiàn)代工程技術(shù)手段來(lái)生產(chǎn)有用物質(zhì)，或者把微生物直接應(yīng)用于生物反應(yīng)器技術(shù)。此外，對(duì)微生物細(xì)胞的改造也屬于微生物細(xì)胞工程的研究?jī)?nèi)容，在遺傳育種、微生物發(fā)酵、環(huán)境保護(hù)和農(nóng)藥生產(chǎn)工業(yè)上具有重要意義。其應(yīng)用從人們?nèi)粘ｏ嬘玫木�、乳酸、調(diào)味的醋、醬油，到抗生素、激素、疫苗等，無(wú)一不是微生物發(fā)酵的產(chǎn)物；在農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護(hù)方面，用于土壤改良，減少土壤里的殘毒，增加土壤肥力和制造對(duì)人無(wú)毒副作用的微生物農(nóng)藥、微生物肥料和微生物飼料；在農(nóng)藥生產(chǎn)方面，利用細(xì)菌、病毒、真菌等病原微生物防治作物的病蟲(chóng)害本身就是一種無(wú)污染的新興生物農(nóng)藥。
1.1.1.2　細(xì)胞工程的主要研究?jī)?nèi)容
細(xì)胞工程依遺傳操作的不同，可分為細(xì)胞融合工程、基因工程、細(xì)胞拆合工程、染色體及染色體組工程；依培養(yǎng)技術(shù)的不同，可分為大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)和干細(xì)胞工程。
1）細(xì)胞融合工程
細(xì)胞融合（cellfusion）又稱(chēng)細(xì)胞雜交（cellhybridization）。它是指在自然條件下或用人工方法（生物的、物理的、化學(xué)的），使兩種或兩種以上的體細(xì)胞合并形成一個(gè)細(xì)胞，這是一種不經(jīng)過(guò)有性生殖過(guò)程而得到雜種細(xì)胞的方法。在多細(xì)胞生物中，它是一種基本的發(fā)育與生理活動(dòng)。
自發(fā)的動(dòng)物細(xì)胞融合概率很低，1962年日本學(xué)者岡田善雄發(fā)現(xiàn)滅活的仙臺(tái)病毒可誘導(dǎo)小鼠艾氏腹水癌細(xì)胞彼此融合。20世紀(jì)60年代后期，研究人員發(fā)明了只讓雜種細(xì)胞存活并傳代的技術(shù)，該技術(shù)使未發(fā)生融合的親本細(xì)胞及非兩親本融合的細(xì)胞在傳代過(guò)程中被淘汰。1975年，Milstein和Kohler將小鼠骨髓瘤細(xì)胞與羊紅細(xì)胞免疫過(guò)的小鼠淋巴細(xì)胞融合，形成雜種細(xì)胞，能分泌抗羊紅細(xì)胞抗體，用于制備單克隆抗體。細(xì)胞融合可實(shí)現(xiàn)任意細(xì)胞間的融合而不受親緣關(guān)系的限制，這就拓寬了遺傳變異的范圍。細(xì)胞融合技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力，如醫(yī)學(xué)上的單克隆抗體的生產(chǎn)和植物界新物種的培育等。盡管細(xì)胞融合的重要性如此之大，但細(xì)胞的融合過(guò)程是如何在基因控制下發(fā)生和發(fā)展的，人們一直沒(méi)有搞清楚。
2）基因工程
基因工程即重組DNA技術(shù)，是從基因水平改造生物遺傳組成，進(jìn)而改變細(xì)胞的表型，所以將其納入細(xì)胞工程的范疇。它是一種按照人類(lèi)的意愿，定向改變生物遺傳性狀的技術(shù)工程，即采用類(lèi)似工程設(shè)計(jì)的方法，按照預(yù)先設(shè)計(jì)將不同來(lái)源的目的基因在體外切割、拼接和重新組合，形成重組基因，然后通過(guò)運(yùn)載體導(dǎo)入宿主細(xì)胞，使其在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制和表達(dá)以獲得新生物產(chǎn)品、改變生物原有的遺傳特性或創(chuàng)造出具有新遺傳性狀的生物新品種。
3）染色體工程和染色體組工程
染色體工程是按照預(yù)先的設(shè)計(jì)，添加、消除或替代同種或異種染色體的全部或一部分，從而達(dá)到定向改變生物遺傳性狀或選育新品種的目的。它是從染色體水平改變細(xì)胞遺傳組成的細(xì)胞工程技術(shù)，主要分為動(dòng)物染色體工程和植物染色體工程兩種。動(dòng)物染色體工程主要采用對(duì)細(xì)胞進(jìn)行顯微操作的方法來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)移基因的目的；而植物染色體工程目前主要是利用傳統(tǒng)的雜交、回交等方法來(lái)達(dá)到改變?nèi)旧w的目的。染色體工程目前主要應(yīng)用于植物遺傳育種領(lǐng)域。
染色體組工程是在人為設(shè)計(jì)的技術(shù)路線下添加、消除同種或異種染色體組以達(dá)到定向改變生物遺傳性狀的目的。
4）細(xì)胞拆合工程
細(xì)胞拆合工程又稱(chēng)細(xì)胞質(zhì)工程，研究真核細(xì)胞的核、質(zhì)相互關(guān)系，以及細(xì)胞器，細(xì)胞胞質(zhì)基因的轉(zhuǎn)移等細(xì)胞拆合的技術(shù)。該技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容是進(jìn)行細(xì)胞組分的分離和融合，研究細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器的添加和替代。具體操作方法是通過(guò)物理或化學(xué)方法將細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核分開(kāi)，再進(jìn)行不同細(xì)胞間核質(zhì)的重新組合，重建成新細(xì)胞。常用的技術(shù)就是細(xì)胞核移植、胞質(zhì)體（去核細(xì)胞）與完整細(xì)胞的融合、細(xì)胞器導(dǎo)入完整細(xì)胞及大分子直接導(dǎo)入細(xì)胞等。其目的是創(chuàng)造出細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核的雜種細(xì)胞，這種雜種細(xì)胞便有可能出現(xiàn)遺傳的變異，出現(xiàn)胞質(zhì)遺傳與胞核遺傳的重新組合。細(xì)胞拆合最成功的例子是克隆羊“多莉”的誕生。它是通過(guò)無(wú)性繁殖制備與母體在遺傳上一致的克隆動(dòng)物，即將其母體體細(xì)胞的核與去核卵子的細(xì)胞質(zhì)人工重組，借助于卵子的發(fā)育能力，制造成的高等動(dòng)物克隆。
5）干細(xì)胞工程
干細(xì)胞工程是在細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的細(xì)胞工程。它是利用干細(xì)胞的增殖特性、多分化潛能及其增殖分化的高度有序性，通過(guò)體外培養(yǎng)干細(xì)胞、誘導(dǎo)干細(xì)胞定向分化或利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)處理干細(xì)胞改變其特性的方法，以達(dá)到利用干細(xì)胞為人類(lèi)服務(wù)的目的。
其主要研究?jī)?nèi)容，一方面，胚胎干細(xì)胞的研究，如建立胚胎干細(xì)胞（embryonicstemcell，ES）系，并利用ES細(xì)胞的發(fā)育多能性即環(huán)境因素對(duì)細(xì)胞分化發(fā)育的影響，定向誘導(dǎo)細(xì)胞分化為特定的細(xì)胞，如肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等，作為細(xì)胞移植的新來(lái)源。另一方面，成體干細(xì)胞的研究主要包括：成體組織干細(xì)胞的分離培養(yǎng)和植入體內(nèi)，更新機(jī)體病變的組織器官恢復(fù)正常功能；成體組織干細(xì)胞作為基因治療的靶細(xì)胞；研究體內(nèi)有效激活成體組織干細(xì)胞的方法，增強(qiáng)其功能。
6）大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)
大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是細(xì)胞工程中重要的組成部分，是在人工條件下高密度大規(guī)模培養(yǎng)動(dòng)、植物細(xì)胞，用來(lái)生產(chǎn)生物技術(shù)產(chǎn)品的技術(shù)。如今這一技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生物制藥的研究和生產(chǎn)中。它的應(yīng)用大大減少了用于疾病預(yù)防、治療和診斷的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，為生產(chǎn)疫苗、細(xì)胞因子、生物產(chǎn)品乃至人造組織等產(chǎn)品提供了強(qiáng)有力的工具。
根據(jù)細(xì)胞的生長(zhǎng)特性，可分為貼壁細(xì)胞和懸浮細(xì)胞。就其培養(yǎng)方法而言可概括為懸浮培養(yǎng)和固定化培養(yǎng)。就操作方式而言，可分為分批式、補(bǔ)料?分批或流加式、半連續(xù)式、連續(xù)灌流式4種操作方式。大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)的建立，使各種生物制品，如單抗、紅細(xì)胞生成素、疫苗和病毒殺蟲(chóng)劑等的生產(chǎn)得到了很大的發(fā)展。
1.1.1.3　工程細(xì)胞的概念和分類(lèi)
經(jīng)典意義上，工程細(xì)胞即基因工程細(xì)胞，是經(jīng)過(guò)改造并被轉(zhuǎn)入了基因的細(xì)胞。具體地講，是指采用基因工程技術(shù)或細(xì)胞融合技術(shù)對(duì)宿主細(xì)胞的遺傳物質(zhì)進(jìn)行修飾改造或重組，獲得具有穩(wěn)定遺傳的獨(dú)特性狀的細(xì)胞系。通過(guò)改造的工程細(xì)胞獲得或提高了重組蛋白類(lèi)藥物表達(dá)的產(chǎn)量和質(zhì)量。從細(xì)胞工程這個(gè)大的概念上講，凡是由細(xì)胞工程技術(shù)包括細(xì)胞融合工程、基因工程、細(xì)胞拆合工程和染色體工程構(gòu)建的細(xì)胞，或用于細(xì)胞工程培養(yǎng)技術(shù)如干細(xì)胞工程、大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)的細(xì)胞均屬于工程細(xì)胞的概念范疇。在本書(shū)中，工程細(xì)胞主要指后者，即用于大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)制備生物技術(shù)藥物的動(dòng)物細(xì)胞。
工程細(xì)胞依據(jù)組織器官來(lái)源包括原核細(xì)胞、動(dòng)物細(xì)胞、植物細(xì)胞、酵母細(xì)胞、昆蟲(chóng)細(xì)胞和干細(xì)胞等；依據(jù)構(gòu)建方法和應(yīng)用分為基因工程細(xì)胞、組織工程細(xì)胞等；依據(jù)生長(zhǎng)方式可分為貼壁細(xì)胞和懸浮細(xì)胞；依據(jù)生存期分為有限細(xì)胞系和永生化細(xì)胞系。
盡管近年來(lái)工程細(xì)胞的構(gòu)建取得了重大進(jìn)展，但目前工程細(xì)胞的構(gòu)建都沿襲經(jīng)驗(yàn)的方法。例如，在工業(yè)生物制藥領(lǐng)域普遍采用的工程細(xì)胞系構(gòu)建策略仍然需要費(fèi)時(shí)費(fèi)力的克隆篩選，常常耗時(shí)幾個(gè)月。更為主要的是，沒(méi)有可靠的預(yù)測(cè)或模擬克隆株在大規(guī)模生物反應(yīng)器條件下細(xì)胞生長(zhǎng)特性和產(chǎn)物分泌能力的辦法，致使篩選的克隆株在大規(guī)模生產(chǎn)條件下難以再現(xiàn)小規(guī)模實(shí)驗(yàn)條件下相同的細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物分泌能力。因而，這些策略都存在很大程度的可變性和不穩(wěn)定性。究其根本原因在于，缺乏對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程變化最本質(zhì)的理解，缺乏對(duì)細(xì)胞遺傳學(xué)機(jī)制的理解，缺乏對(duì)工程細(xì)胞的生物學(xué)和生理學(xué)行為的理解，特別是缺乏對(duì)如何獲得能夠分泌高產(chǎn)率、高質(zhì)量蛋白質(zhì)的工程細(xì)胞的細(xì)胞與分子生物學(xué)機(jī)制的理解。
分泌抗體或重組蛋白的工程細(xì)胞不同于自然來(lái)源的體內(nèi)細(xì)胞，含有有意識(shí)的人為的改造，因而其表型及其應(yīng)用均具有定向性和目的性。另外，工程細(xì)胞的獲得也是有一定的選擇性的。其篩選條件是多種多樣的，除了細(xì)胞本身的改造以適應(yīng)細(xì)胞的高密度、高產(chǎn)率培養(yǎng)外，還包括培養(yǎng)條件、培養(yǎng)規(guī)模、生產(chǎn)和市場(chǎng)需求等。因此隨著細(xì)胞工程的不斷發(fā)展，工程細(xì)胞的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究也不斷擴(kuò)展和深入。因而，對(duì)工程細(xì)胞生物學(xué)行為研究的需求也日益迫切。
1.1.2　工程細(xì)胞生物學(xué)的概念、內(nèi)涵和研究范疇
1.1.2.1　工程細(xì)胞生物學(xué)的概念和內(nèi)涵
工程細(xì)胞生物學(xué)以細(xì)胞生物學(xué)的理論和技術(shù)體系為基礎(chǔ)，以細(xì)胞工程學(xué)中的工程細(xì)胞為對(duì)象，在分子、細(xì)胞等不同層面上，揭示工程細(xì)胞的各種生命活動(dòng)規(guī)律，以期按照人們的意圖對(duì)工程細(xì)胞的遺傳物質(zhì)、細(xì)胞組分及遺傳表型進(jìn)行重組改造，從而獲得有重要應(yīng)用價(jià)值的新型工程細(xì)胞表達(dá)產(chǎn)物（產(chǎn)品）。可以說(shuō)，工程細(xì)胞生物學(xué)是細(xì)胞生物學(xué)的應(yīng)用和拓展，同時(shí)又為細(xì)胞工程學(xué)的發(fā)展提供重要的理論和技術(shù)支撐。目前，工程細(xì)胞生物學(xué)這一領(lǐng)域所涉及的研究?jī)?nèi)容已成為國(guó)外細(xì)胞工程及生物制藥尤其是抗體制藥領(lǐng)域的重要發(fā)展方向和趨勢(shì)。
1.1.2.2　工程細(xì)胞生物學(xué)研究范疇
工程細(xì)胞生物學(xué)主要對(duì)于工程細(xì)胞在體外長(zhǎng)期培養(yǎng)條件下的生物學(xué)行為的適應(yīng)與調(diào)控機(jī)制進(jìn)行研究。
（1）研究工程細(xì)胞在體外規(guī)�；囵B(yǎng)條件下的細(xì)胞生長(zhǎng)代謝等分子細(xì)胞生物學(xué)行為的改變及其調(diào)節(jié)機(jī)制，包括：工程細(xì)胞的永生化，工程細(xì)胞的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)及代謝、脂代謝及其調(diào)節(jié)，細(xì)胞的氨基酸代謝調(diào)節(jié)與細(xì)胞生長(zhǎng)凋亡的關(guān)系，無(wú)血清培養(yǎng)條件下的細(xì)胞體積變大、液泡出現(xiàn)等適應(yīng)性改變、細(xì)胞抵抗“失巢”而黏附聚集成團(tuán)，以及細(xì)胞高密度生長(zhǎng)代謝的營(yíng)養(yǎng)需求等規(guī)模化培養(yǎng)中的關(guān)鍵問(wèn)題。闡明這些現(xiàn)象本質(zhì)與分子機(jī)制，為工程細(xì)胞的規(guī)�；囵B(yǎng)提供全面性、系統(tǒng)性、新穎性和可操作性的理論指導(dǎo)。
（2）研究工程細(xì)胞在體外規(guī)�；囵B(yǎng)條件下的蛋白質(zhì)合成分泌生物學(xué)行為的改變及其調(diào)控機(jī)制。體外培養(yǎng)條件下的工程細(xì)胞其重組蛋白、抗體等合成分泌的生物學(xué)行為不同于自然來(lái)源的體內(nèi)B淋巴細(xì)胞等，有其特殊性，如體外長(zhǎng)期培養(yǎng)和高產(chǎn)率分泌常常導(dǎo)致產(chǎn)物發(fā)生質(zhì)與量的改變，尤其是在進(jìn)行生物反應(yīng)器培養(yǎng)時(shí)，各種理化參數(shù)，如攪拌通氣、工藝放大，以及不同培養(yǎng)批次間細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境及生物反應(yīng)器操作條件的改變可對(duì)抗體的分泌量、分泌抗體的質(zhì)量均產(chǎn)生重要的影響。闡明這些現(xiàn)象本質(zhì)與分子機(jī)制，為提高工程細(xì)胞抗體分泌量及產(chǎn)率提供重要的理論指導(dǎo)。
1.2　工程細(xì)胞學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)的聯(lián)系和發(fā)展
由于工程細(xì)胞生物學(xué)是細(xì)胞生物學(xué)的重要分支學(xué)科，是細(xì)胞生物學(xué)和細(xì)胞工程學(xué)的新興交叉邊緣學(xué)科，因而，細(xì)胞生物學(xué)和細(xì)胞工程學(xué)的歷史發(fā)展即生動(dòng)展現(xiàn)了工程細(xì)胞生物學(xué)的歷史發(fā)展。在其各自的歷史發(fā)展中，二者交互影響，相互推動(dòng)，最終形成了一門(mén)新興學(xué)科――工程細(xì)胞生物學(xué)。
1.2.1　細(xì)胞生物學(xué)的歷史發(fā)展
從研究?jī)?nèi)容來(lái)看細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展可分為3個(gè)層次，即顯微水平、超微水平和分子水平。從時(shí)間縱軸來(lái)看細(xì)胞生物學(xué)的歷史大致可以劃分為4個(gè)主要的階段。
第一階段：細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)及細(xì)胞學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立。從16世紀(jì)后期到19世紀(jì)30年代，是細(xì)胞發(fā)現(xiàn)和細(xì)胞知識(shí)的積累階段。通過(guò)對(duì)大量動(dòng)、植物的觀察，人們逐漸意識(shí)到不同的生物都是由形形色色的細(xì)胞構(gòu)成的。
第二階段：實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)（experimentalcytology）時(shí)期。從19世紀(jì)30年代到20世紀(jì)初期，細(xì)胞學(xué)說(shuō)形成后，開(kāi)辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，在顯微水平研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能是這一時(shí)期的主要特點(diǎn)。形態(tài)學(xué)、胚胎學(xué)和染色體知識(shí)的積累，使人們認(rèn)識(shí)了細(xì)胞在生命活動(dòng)中的重要作用。細(xì)胞學(xué)的發(fā)展主要是采用實(shí)驗(yàn)的手段研究細(xì)胞學(xué)的問(wèn)題，其特點(diǎn)是從形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察深入到生理功能、生物化學(xué)、遺傳發(fā)育機(jī)理的研究。由于實(shí)驗(yàn)研究不斷同相鄰學(xué)科結(jié)合、相互滲透，導(dǎo)致了一些重要分支學(xué)科的建立和發(fā)展：細(xì)胞遺傳學(xué)（cytogenetics）、細(xì)胞生理學(xué)（cytophysiology）、細(xì)胞化學(xué)（cytochemistry）。1893年Hertwig的專(zhuān)著《細(xì)胞與組織》（DieZelleunddieGewebe）出版，標(biāo)志著細(xì)胞學(xué)的誕生。其后1896年哥倫比亞大學(xué)Wilson編著的《發(fā)育與遺傳學(xué)中的細(xì)胞》（TheCellinDevelopmentandHeredity）、1920年墨爾本大學(xué)Agar編著的《細(xì)胞學(xué)》（Cytology）都是這一領(lǐng)域最早的教科書(shū)。
第三階段：細(xì)胞生物學(xué)的誕生。20世紀(jì)30～70年代，電子顯微鏡技術(shù)出現(xiàn)后，把細(xì)胞學(xué)帶入了第三個(gè)發(fā)展時(shí)期，這短短40年間不僅發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞的各類(lèi)超微結(jié)構(gòu)，而且也認(rèn)識(shí)了細(xì)胞膜、線粒體、葉綠體等不同結(jié)構(gòu)的功能，使細(xì)胞學(xué)發(fā)展為細(xì)胞生物學(xué)。Robertis等1924年出版的《普通細(xì)胞學(xué)》（GeneralCytology）在1965年第四版的時(shí)候定名為《細(xì)胞生物學(xué)》（CellBiology），這是最早的細(xì)胞生物學(xué)教材之一。
第四階段：分子細(xì)胞生物學(xué)時(shí)期。從20世紀(jì)70年代基因重組技術(shù)的出現(xiàn)到當(dāng)前，細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)的結(jié)合越來(lái)越緊密，研究細(xì)胞的分子結(jié)構(gòu)及其在生命活動(dòng)中的作用成為主要任務(wù)，基因調(diào)控、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、腫瘤生物學(xué)、細(xì)胞分化和凋亡是當(dāng)代分子細(xì)胞生物學(xué)的研究熱點(diǎn)。
1.2.1.1　顯微鏡的發(fā)明與細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)沒(méi)有顯微鏡就不可能有細(xì)胞學(xué)誕生。
（1）1590年，荷蘭眼鏡制造商J.Janssen和Z.Janssen父子制作了第一臺(tái)復(fù)式顯微鏡。
（2）1665年，英國(guó)人Hook首次描述了植物細(xì)胞（木栓），命名cella。
（3）1680年，荷蘭人Leeuwenhoek當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，他一生中制作了200多臺(tái)顯微鏡和400多個(gè)鏡頭，用設(shè)計(jì)較好的顯微鏡觀察了許多動(dòng)植物的活細(xì)胞與原生動(dòng)物。
（4）1752年，英國(guó)人Dollond發(fā)明消色差顯微鏡。
（5）1812年，蘇格蘭人Brewster發(fā)明油浸物鏡，改進(jìn)了體視顯微鏡。
（6）1886年，德國(guó)人Abbe發(fā)明復(fù)消差顯微鏡，并改進(jìn)了油浸物鏡，至此普通光學(xué)顯微鏡技術(shù)基本成熟。
（7）1932年，荷蘭籍德國(guó)人Zernike成功設(shè)計(jì)了相差顯微鏡（phasecontrastmicroscope），并因此獲1953年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
（8）1932年，德國(guó)人Knoll和Ruska發(fā)明電子顯微鏡，1940年，美國(guó)、德國(guó)制造出分辨力為0.2nm的商品電子顯微鏡。
（9）1981年，瑞士人Binnig和Rohrer在IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)中心（ZurichResearchCenter）發(fā)明了掃描隧道顯微鏡而與電子顯微鏡發(fā)明者Ruska同獲1986年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1.2.1.2　細(xì)胞學(xué)說(shuō)
（1）1809年，法國(guó)人Lamark提出：“一切生物體都是由細(xì)胞構(gòu)成的。只有具有細(xì)胞的機(jī)體，才有生命�！�
（2）1802年，法國(guó)植物學(xué)家BrisseauMilbel指出：“植物的每一部分都有細(xì)胞存在�！�
（3）1824年，法國(guó)生理學(xué)家Dutrochet進(jìn)一步描述了細(xì)胞的原理。
（4）1838年，德國(guó)植物學(xué)教授Schleiden發(fā)表“植物發(fā)生論”，認(rèn)為無(wú)論怎樣復(fù)雜的植物都由形形色色的細(xì)胞構(gòu)成。
（5）1838年，德國(guó)解剖學(xué)教授Schwann通過(guò)研究Schleiden的細(xì)胞形成學(xué)說(shuō)，提出了“細(xì)胞學(xué)說(shuō)”（celltheory）這個(gè)術(shù)語(yǔ)；并于1939年發(fā)表了“關(guān)于動(dòng)植物結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)一致性的顯微研究”。Schwann提出：有機(jī)體是由細(xì)胞構(gòu)成的；細(xì)胞是構(gòu)成有機(jī)體的基本單位。
（6）1855年，德國(guó)人Virchow提出“一切細(xì)胞來(lái)源于細(xì)胞”的著名論斷，進(jìn)一步完善了細(xì)胞學(xué)說(shuō)。把細(xì)胞作為生命的一般單位，以及作為動(dòng)、植物界生命現(xiàn)象的共同基礎(chǔ)的這種概念立即得到了普遍的接受。

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