细胞工程研究进展

细胞工程研究进展摘要：本文介绍了细胞工程基础研究的发展现状,，以及细胞工程的基础研究。包括胚胎培养和试管受精，加倍单倍体技术，单倍体育种，药用植物细胞生物反应器技术，人血清白蛋白融合技术等。关键词:人血清蛋白；基因工程，药用植物植物细胞培养生物反应器细胞系，发展现状。细胞工程作为一种科学的研究手段，已经进入到了生物研究的各个方面，成为了不可缺少的一种技术，在各个领域帮助着我们，因此，使生物技术产业成为全球炙手可热的研究热点，美国NASDAQ的BiotechIndex近十年来增长了一倍。一、人血清白蛋白融合技术研究进展人血清白蛋白融合技术主要利用人血非共价偶联技术，共价偶联技术，纳米技术，融合蛋白药物等技术来实现的。清白蛋白是人体血液中的主要蛋白，该蛋白由585个氨基酸构成，是人体循环系统内的含量最多的可溶性蛋白，在血液中的浓度为34~54g/L。HSA在调节胶体渗透压、营养和促进伤口愈合等方面起着巨大作用，广泛用于肝硬化腹水、烧伤、休克等的临床治疗，同时还可作为载体蛋白参与药物在体内的运输功能(HSA由肝脏合成，血清半衰期很长，可达19天HSA能够与gp18、gp30、gp60和FeRn等受体结合，调节HSA的运输和分布。由于HSA具有无免疫原性、人体相容性好、组织分布广、无酶活等特性，使其成为非常理想药物融合载体。各种基于HSA的药物融合技术也得到发展和应用，其主要方式主要包括非共价偶联、化学共价偶联、纳米粒子和融合蛋白等四种形式多种针对癌症、肝炎、糖尿病以及心血管疾病的药物都相继被开发成HSA融合药物，并已进入临床试验阶段，有望在近期投入使用。人血清白蛋白是目前临床应用最为广泛的蛋白之一，通过共价偶联、非共价偶联、物理包埋、基因融合的方法可成功将白蛋白和药物分子偶联，并能够有效地增强药物的半衰期，包括小分子、蛋白、多肽等药物，其中部分产品已经成功应用于临床治疗（如Levemir和Victoza），gp18、gp30和FeRn对HSA的代谢调控具有重要作用，对其和HSA相互结合的研究能够促进HSA融合技术的发展，尤其是gp18/gp30对化学偶联修饰的白蛋白偶联药物的影响，FeRn-HSA复合物对HSA半衰期的影响，这些方面的研究都将对HSA融合技术的发展具有重要意义，以结构为基础的HSA融合技术将成为提高药物半衰期和疗效的主要手段。二、药用植物细胞生物反应器技术的研究进展我国药用植物种类繁多、使用普遍,对这些资源的开发与利用有悠久的历史,是我国中医药学发展的物质基础。近年来药用植物的大量需求和野外大规模、无计划地过度利用,野生药用植物资源受到很大破坏,其中相当一部分已面临濒危。在高度重视天然药物开发利用的同时,对于药用植物资源的保护和有效利用也成为一个世界性的课题。中药产业在面临着良好的发展机遇的同时亦将面对资源问题的挑战,于是利用植物细胞培养技术建立药用植物细胞生物反应器来大规模地直接生产药用有效成分就有了特殊的意义。1.药用植物细胞生物反应器的特点药用植物细胞生物反应器技术以药用植物细胞或组织的大规模培养为基础,它根据“植物培养细胞次级代谢全能性”的理论,将药用植物细胞培养技术引人有用化学物质生产,把细胞作为一个“活的工厂”,通过对细胞进行固体或液体悬浮培养大量生产次生代谢产物。当前药用植物细胞生物反应器技术已是生物技术的重要内容,成为植物组织培养生产应用研究的两大主流之一,相对于人工栽培具有独特的优点。(1)节约自然资源,减少对土地资源的占用,同时不受地区、季节、气候等自然条件的影响。(2)细胞培养个体差异小、试验周期短,便于控制,能节省人力、物力图。(3)可以筛选高产的细胞株,并通过合理实施次生代谢过程的调控提高生产率川。2.药用植物细胞生物反应器的研究进展自从1968年和首次报道在生物反应器中成功培养不同植物种类以来,利用植物细胞生物反应器技术,为植物有用代谢产物的生产提供了有效生产途径和生产方法。1968年日本明治制药公司在古谷等的指导下,用大型培养罐开始进行人参培养的工业化生产,从而使植物细胞发酵罐培养进入了工厂化生产的实用阶段。此后植物细胞生物反应器方面的研究取得了迅猛的发展。国外已经或即将开展的药用植物产品的工业化生产还有通过苦瓜细胞培养生产胰岛素、以喜树茎段愈伤组织培养生产喜树碱、以日本黄连细胞培养生产小璧碱、毛花洋地黄细胞培养生产地黄贰丙和地高辛等。与此同时,许多植物种类的生物反应器技术研究达到中试水平,一些植物也正向中试过渡,如在臭椿、细胞悬浮培养以及对亚欧唐松草的有关试验。其中最具影响的是日本利用紫草的细胞培养正式获得了紫草宁商业性产品引。我国药用植物细胞培养的大规模研究是在70年代中期以后,大量培养直接生产药用物质的研究工作取得了很大的成绩。一些重要的药用植物如人参、西洋参、黄连、长春花等植物细胞培养都十分成功,经过筛选产生出相对几倍或几十倍于该植物完整植株所产生的代谢产物。据统计有40余种化合物在细胞培养中的含量超过了原植物。我国在植物细胞生物反应器工艺方面最突出的成就是在“八·五”期间刘大陆、查丽杭等发明的“气生内错流”式植物细胞培养反应器。使用这种反应器培养新疆紫草细胞,培养结束时细胞干重量达到几,紫草宁含量达到了细胞干重的,是天然植株含量的一倍。目前,有关具体药用植物细胞生物反应器技术的研究集中体现在以下几个方面。2.1通过筛选或一些其他方法获得高产细胞系高产细胞系的选育是解决植物细胞生物反应器技术可行性问题的关键。测定药用植物次级代谢产物的含量为高产细胞系的建立奠定了基础。常用的测定方法有高效液相色谱法、薄层层析法、高效毛细管电泳法等,其中等图利用放射免疫测定法,测定培养的长春花单细胞中西萝芙木碱和蛇根碱的含量,这一成功使高产细胞系的筛选进人了一个新水平。筛选高产细胞系的方法有很多,目前使用较多的是直接筛选法和诱变育种法。昊蕴祺等多次对种红豆杉终、几逆“夕、入王讹、几汤的愈伤组织培养物进行比较,最终选择出含量高、生长良好的细胞系。杜金华等.利用小细胞团法筛选花色昔含量高的玫瑰茄细胞系,花色昔含量最高者为干重的,产量为科,分别比对照提高了几倍和几十倍。颜谦等从栽培和野生中国黄连的幼叶切块诱导出愈伤组织,选择较松散的愈伤组织转入液体悬浮培养获得游离细胞和细胞聚集体。经幻叮射线辐射诱变和平板培养,筛选出小聚碱含量相当于年生亲本植物根茎含量的有个细胞系,最高的细胞系含量为干重的。用流式细胞仪测定可对植物细胞进行连续筛选,将生产次级代谢的细胞和其它细胞分离开来’吕。建立培养条件和程序以保证细胞系的最大生产率培养条件的优化包括培养基组成和培养条件如温度、光照、通气等的优化。梁等在研究培养基组成对胡萝卜悬浮系茄红素合成代谢活性影响时,具有一定的实用价值2.2细胞培养中次生代谢作用的探索及调节控制次生代谢物以及次生代谢途径的研究,一直是研究工作者感兴趣的课题之一,尤其是次生代谢作用的调节与控制。近年来的研究主要集中于分子水平次生代谢调控及诱导子的应用。在辽宁紫草细胞培养中,研究了与紫草宁生物合成相关的酶类,初步确定了紫草宁生物合成的关键酶是对轻基苯甲酸一耗牛儿基转移酶一罗。等山在紫草细胞的悬浮培养中加人真菌诱导子采取两相培养,使紫草宁的含量比对照提高24倍,其细胞量提高65倍。肠等用真菌匀浆处理婴粟细胞,用半连续的方法进行悬浮培养可在培养基中产生更高浓度的血根碱和二氯血根碱。实验证明诱导子的加人可引起培养细胞中代谢酶活性的变化以及细胞超微结构的变化,最终都会影响次级代谢产物的形成2.3.问题与展望近年来探索天然药物生产工业化的途径是当前药物生产的一个新方向,随着组织培养技术的深人发展,生物反应器技术将是未来研究植物药的重要课题之一。其研究工作在不同层次都取得了很大的进展,为药用植物细胞生物反应器技术的发展与应用奠定了基础。但是由于植物细胞培养周期较长,次生代谢产物含量相对较低、提取较困难,致使目前的研究还有待深人,例如进一步提高细胞培养过程中细胞生长的速率及同步性选育出稳定高产的优良细胞系提高植物细胞生物反应器技术所得产品的浓度和产率等。同时由子产品的产率受次级代谢物的分泌、有机体的生长和生物量的影响,培养环境也是进行细胞培养的重要环节。因此必须在优化培养基成份的基础上,优化生物反应器的结构、供氧条件和培养的剪切条件,建立完整的培养过程的检测系统,综合考虑生物学和工艺学两方面的原因,加快药用植物细胞生物反应器技术发展与应用的步伐。三、植物细胞工程研究应用与展望植物细胞工程（Plantcellengineering）是以植物细胞全能性为理论基础,以植物组织与细胞培养为技术支持,在细胞和亚细胞水平对植物进行遗传操作,实现植物改良和利用,或获得植物来源的生物产品的科学技术。植物细胞工程具有科学和技术双重特征,经过多年的探索和发展,已成为当代生物科学中一个重要学科和现代生物技术的重要组成部分植物细胞工程是建立在现代生物科学和工程技术基础上的科学技术。它的发展有赖于植物学、植物论文生理学、遗传学、分子生物学、植物营养学、环境工程学等学科的发展与进步,可为生物科学的基础研究提供重要的技术手段[1]。植物发育生物学是现代植物科学的重要研究内容。离体培养的器官发生和体细胞胚发生及其调控已成为研究植物形态建成的良好实验体系,极大地丰富了植物发育生物学的内容,加速了其发展。原生质体培养为单细胞研究提供了良好的实验技术体系,已应用于植物细胞分裂、基因表达、核质关系、细胞壁生物学、植物激素的作用机理、物质跨膜运输等研究领域利用离体突变技术,已分离和鉴定了许多与植物发育有关的基因,为揭示植物遗传与发育调控的分子机理奠定了基础。利用花培加倍单倍体技术获得纯系的方法,为有性繁殖植物遗传分离群体的构建提供了有效途径,进而可为遗传图谱的构建、基因定位提供稳定的基础材料,促进了植物遗传学的发展。同时植物组织培养技术也为植物矿质营养、有机营养代谢,植物病理学等研究提供技术手段。建立植物高效再生体系是植物细胞工程研究的重要领域。研究表明,植物再生能力表现出基因型依赖性,同时受到外植体生理状况、培养条件(培养基、培养环境)的影响。植物激素诱导的信号传递在细胞分裂、极性确定、器官分化、胚状体的发育等离体培养过程中起重要作用。加强植物细胞工程基础研究植物细胞工程的发展有赖于基础科学的进步与发展。应用现代分子生物学理论和技术研究植物细胞全能性表达、细胞脱分化、器官发生和形态建成相关基因的功能和表达调控,将揭示植物再生的分子基础,有利于实现植物再生的人工调控。同时,加强植物代谢工程的基础研究,加快植物细胞工程与植物基因工程的整合,结合分子标记辅助育种技术,将大大推进转基因植物、植物生物反应器的研究和应用。四、总结重视细胞工程质量管理细胞工程技术呈现发展规模化、管理规范化和操作自动化的趋势。目前国外一些国家在组织培养实验室、种苗快繁的质量管理以及植物来源生物产品的生产和质量管理中实行良好实验室规范、良好生产规范和危害分析和关键控制点系统,我国一些植物快繁企业也开展了GMP论证。细胞工程技术在产生巨大的社会经济效益的同时,必然对其技术产品的质量管理提出更高的要求。细胞工程的研究与应用,推动了现代生物技术的发展。作为一个相对独立的学科和技术体系,细胞工程为高效、优质、可持续的现代农业做出了重大贡献。细胞工程的发展,有赖于生命科学技术和工程技术的进步,同时也促进了现代生命科学技术的进步和发展。重视细胞工程的基础研究,加强学科交叉融合,突出技术集成创新,将为细胞工程的发展提供更为广阔的空间,为现代农业和生命科学技术的发展做出更大的贡献。参考文献(1)李晨东,胡铁强,盛长忠,等细胞培养在获得药用植物有效成分中的研究中草药的,2003.34(7);附7一附10(2)雷光富,朱西儒,等添加剂和激素对印糠脱分化及印株素含量的影响中国科学院研究生院学报,1998(1),21一25(3)罗士韦人参组织培养植物生理学通讯,叭抖,1964(2);64(4)郑光植植物次生代谢细胞工程研究的新进展第六届国际植物组织与细胞培养会议评述植物生理学通讯,1987,(2