细胞融合技术的发展及其应用

细胞融合技术的发展及其应用【摘要】细胞融合是生物工程研究的重要内容和基本技术,作为细胞工程的核心基础技术之一,已在很多领域取得了开创性的研究成果,而且应用领域不断扩大。本文综合论述了细胞融合技术中的三种常用方法及其在动、植物乃至微生物细胞融合的应用。【关键字】细胞融合技术、常用的方法、应用细胞融合（Cellfusion）是指两个或多个相同或不同的细胞通过膜融合形成单细胞的过程。细胞融合过程大致可分为四个阶段：细胞的接触、细胞质膜的融合、细胞质的重组和遗传物质的选择。细胞发生融合后可形成两类融合细胞。不同基因型的细胞融合又称细胞杂交或体细胞杂交（somatichybridization）。在自然情况下，体内或体外培养细胞间所发生的融合，称为自然融合。而在体外使用人工方法（使用融合诱导因子）促使相同或不同的细胞间发生融合，称为人工诱导融合。人工诱导的细胞融合在六十年代作为一门新兴技术而发展起来。由于这种技术不仅能产生同种细胞融合，也能产生种间细胞的融合，因此被广泛应用于细胞生物学和医学研究的各个领域。细胞膜的流动性是动物细胞融合的生物学基础。动物细胞融合技术即是利用细胞膜的这一特性，通过对参与融合的细胞参与生物、化学或物理诱导因素，使细胞膜的脂类分子的有序排列发生变化；当诱导因素解除后，细胞膜会回复原有的有序结构，在恢复过程中便可诱导相接触的细胞发生融合。一、诱导细胞融合的方法目前，诱导细胞融合的方法包括病毒、PEG、电泳冲和激光四种。其中，PEG诱导细胞融合和电诱导细胞融合是诱导动物细胞融合的常用方法。1.1仙台病毒法仙台病毒又称日本血凝性病毒，引起细胞融合的有效部位在于它的细胞膜成分，特别是磷脂成分，而与核酸活性无关。两个原生质体或细胞在病毒黏结作用下彼此靠近。通过病毒与原生质体或细胞膜的作用使两个细胞膜间互相渗透，胞质互相渗透，两个原生质体的细胞核互相融合，两个细胞融为一体，进入正常的细胞分裂途径，分裂成含有两种染色体的杂种细胞。1.2聚乙二醇（PEG）法PEG的作用机理是PEG分子具有轻微的负极性，故可以与具有正极性基团的水、蛋白质和碳水化合物等形成H键，从而在质膜之间形成分子桥，其结果是使细胞质膜发生粘连进而促使质膜的融合；另外，PEG能增加类脂膜的流动性，也使细胞的核、细胞器发生融合成为可能。PEG诱导融合的优点是融合成本低，勿需特殊设备；融合子产生的异核率较高；融合过程不受物种限制。其缺点是融合过程繁琐，PEG可能对细胞有毒害。1.3电融合法（electricalmediatedcellfusionorelectrofusion）电融合法是20世纪80年代出现的细胞融合技术，在直流电脉冲的诱导下，细胞膜表面的氧化还原电位发生改变，使异种细胞粘合并发生质膜瞬间破裂，进而质膜开始连接，直到闭和成完整的膜，形成融合体。电融合法的优点是融合率高、重复性强、对细胞伤害小；装置精巧、方法简单、可在显微镜下观察或录像观察融合过程；免去PEG诱导后的洗涤过程、诱导过程可控性强。当原生质体置于电导率很低的溶液中时，电场通电后，电流即通过原生质体而不是通过溶液，其结果是原生质体在电场作用下极化而产生偶极子，从而使原生质体紧密接触排列成串。原生质体成串排列后，立即给予高频直流脉冲就可以使原生质膜击穿，从而导致两个紧密接触的细胞融合在一起。纵观细胞融合的发展历史，该技术的不断改进首先体现在融合及时的发展历史上，从致癌活病毒到灭活病毒再到化学物质，其次体现在新方法上再者体现在融合对象的不断拓展上。现在的细胞融合方法一般采用化学方法和物理方法结合起来进行的。二、细胞融合的意义细胞融合不受种属的界限，可以实现种间生物体细胞的融合，是远缘杂交成为可能，因而是改造细胞遗传物质的有力手段。2.1理论上说任何细胞，都有可能通过体细胞杂交而成为新的生物资源。这对于种质资源的开发和利用具有深远的意义。2.2融合过程不存在有性杂交过程中的种性隔离机制的限制，为远缘物种的遗传物质交换提供了有效途径。2.3体细胞杂交产生的杂种细胞含有来自双亲的核外遗传系统，在杂种的分裂和增殖过程中双亲的叶绿体、线粒体DNA也可以发生重组，从而产生新的核外遗传系统。2.4淋巴细胞杂交瘤和单克隆抗体的制备。总之，细胞融合的意义在于从此打破了仅仅依赖有性杂交重组基因创造新种的界限和生殖壁垒，极大地扩大了遗传物质的重组范围。细胞融合技术避免了分离、提纯、剪切、拼接等基因操作。在技术和设备上没那么复杂，有着重大的实践意义，正得到科学界的日益重视。三、动物细胞融合动物细胞融合是从细胞水平来改变动物细胞的遗传性，用于生产单克隆抗体、疫苗等特定的生物制品。培育动物新品种，缩短动物的育种过程，动物细胞融合的应用范围已广及生物学的各个分支学科，可别是在绘制人类基因图谱方面取得了显著成就。虽然细胞杂交属于理论生物学范畴，但是在实际应用方面也有重大突破。在基础理论研究上，动物细胞融合技术对于研究细胞分化、基因定位、肿瘤发生机制等方面都有重要意义。在实际应用方面，动物细胞融合技术在药物定向释放系统、细胞治疗以及抗肿瘤免疫等方面起到重要的作用。3.1用于生产单克隆抗体只针对某一抗原决定簇的抗体分子称为单克隆抗体。单克隆抗体技术的核心是用骨髓瘤细胞(myelomacell)与经特定抗原免疫刺激的B淋巴细胞融合得到杂交瘤细胞(hybridomacell)，杂交瘤细胞既能像骨髓瘤细胞那样在体外无限增殖，又具有B淋巴细胞产生特异性抗体的能力。因此，单克隆抗体技术又称为杂交瘤技术。中科院上海细胞生物学研究所研制成功抗北京鸭红细胞和淋巴细胞表面抗原的单克隆抗体，同时还与有关医学部门合作，成功地制备了抗人肝癌和肺癌的单克隆抗体。3.2用于基因定位和绘制人类基因图谱杂种细胞中某一染色体或其片段的存在与否与细胞的某一性状表达与否相联系，从而可以实现把基因定位于某一染色体或某一区段上。3.3用于动物育种体细胞核移植技术是将细胞核移植到另一细胞的细胞质中的生物技术。动物体细胞融合后，杂种细胞难以发育再生为一个个体。但借助于细胞核移植的方法将融合后杂种细胞的细胞核移入去核成熟卵内，可培育新的杂种。另外，细胞核移植技术的建立，还为目前进行的哺乳动物体细胞克隆和转基因技术做了良好的铺垫。3.4用于细胞疗法将患者的任何体细胞与去核卵细胞融合，融合子进行有丝分裂形成囊胚，囊胚的内细胞团是多能干细胞，对多能干细胞进行诱导使其定向分化可形成所需的组织和器官用于器官移植，不仅解决了器官和组织来源问题，而且也避免宿主对外来物的免疫排斥。3.5动物体细胞融合在基础理论研究方面的作用在这方面，细胞融合主要用于研究细胞核质关系和个体发育，解释疾病的发生机制和膜蛋白动力学研究。四、植物细胞融合技术植物细胞融合技术目前主要是作为扩大变异的手段，同时也朝着将抗药性和胞质雄性不育等细胞基质基因导入另一个体细胞的方向发展，有可能形成新的核质杂种。如果获得了有用性状的细胞系，在还不能形成植株时，就可以通过快速大量繁殖细胞加以利用。4.1在生产研究方面植物细胞融合在育种上有重要的应用价值，在生产研究应用方面，通过诱导不同种属间甚至不同科间原生质体的融合，可能打破有性杂交不亲和性的界限，广泛地组合各种基因型，从而有可能形成有性杂交方法所无法获得的新型杂交植株。4.2运用于外源遗传物质引入原生质体植物细胞融合可以将细胞器、DNA、质粒、病毒、细菌等外源遗传物质引入原生质体，从而有可能引起细胞遗传性的改变，为某些珍稀动物的复壮等提供了可行的方法，应用于植物育种、种质保存、无性系的快速繁殖和有用物质生产等等。五、微生物细胞融合技术用于植物和微生物育种是细胞融合技术最基本的应用领域，对微生物而言，该技术主要用于改良微生物菌种特性，提高目的产物的产量，使菌种获得新的性状，合成新产物等。5.1微生物细胞融合技术的对象在目前，微生物细胞融合的对象已拓展到酵母、霉菌、细菌、放线菌等多种微生物的种间以至属间，不断培育出用于各种领域的新菌种。5.2微生物细胞融合技术的应用微生物细胞融合技术的一项突出应用是生物药品的生产，包括抗生素、生物活性物质、疫苗等。它适用于疾病的诊断、预防及治疗等。另一方面的突出应用就是为发酵工业提供优良菌种。在对未来的展望里，细胞融合在细胞遗传学、细胞核质关系、单克隆抗体及远缘杂交育种等方面具有重要价值。【参考文献】【1】陈志南.细胞构建技术.细胞工程.科学出版社.2005:124-138.【2】罗立新.细胞融合技术与应用.化学工业出版社.2003.【3】王克明.细胞融合技术及其发展.浙江科技学院学报.2006:113-116.【4】赵志强，郑晓林，张思杰等.细胞融合技术.生物学通报.2005:40-41.【5】霍乃蕊，韩克光.细胞融合技术的发展及应用.激光生物学报.2001:209-213.【6】郭晓强.细胞融合技术浅析.2009.第一期.