细胞生物学的研究方向范例(12篇)
细胞生物学的研究方向范文篇1
[中图分类号]R318[文献标识码]A[文章编号]1673-7210（2007）06（c）-008-02
自1981年英国的Evans等[1]和美国的Martin[2]相继从小鼠囊胚的内细胞团分离建立胚胎干细胞系以来，胚胎干细胞体外诱导分化的研究就一直是各国学者感兴趣的课题。目前，已从胚胎干细胞体外诱导出卵黄囊、血岛、神经细胞、心肌细胞、血管和内皮等结构及细胞。利用胚胎干细胞体外诱导分化的成果可望发展出治疗多种疾病的新方法，将在人体早期发育、基因功能、药物开发、细胞治疗和组织器官替代治疗中发挥重要作用，并成为组织器官移植的新资源。
1ES细胞的特性
胚胎干细胞(embryonicstemcell,ES细胞)是从早期胚胎（桑椹胚、囊胚）或原始生殖细胞(primordialgermcell，PGCS)分离出来的能在体外永久培养的、具有多方向分化潜能和种系嵌合能力的细胞系。目前有关ES细胞特征的研究主要来源于小鼠的实验。
小鼠ES细胞系的特征包括：①能大量繁殖并保持未分化状态；②在一定条件下具有向三个胚层组织和细胞分化的全能性；③能够形成嵌合体动物，即ES，细胞具有种系传递功能；④易于进行基因改造操作。
2ES细胞体外诱导分化的细胞类型或结构
新近大部分胚胎干细胞诱导类型分化的实验都集中在小鼠实验中，小鼠胚胎干细胞在体外分化的细胞类型或结构主要有下列几种：
2.1造血细胞
Wiles提出了ES细胞体外分化产生红细胞、髓细胞和淋巴细胞等一系列造血系统的细胞的报道[3]。这表明在合适的培养条件下，ES细胞是可以分化为造血细胞，但是这种条件中需有胎牛血清，在此血清中含有一些因子，对ES细胞向造血细胞分化起着重要作用。如果没有胎牛血清，ES细胞向造血细胞分化的效率极低。有学者发现ES细胞用β-巯基乙醇(β-ME)等药物处理，可发育成拟胚体(EB)。然后，用胰蛋白酶消化成单个细胞，经干细胞因子(SCF)、血小板生成素(TPO)和胚胎细胞条件培养液处理，可使其定向分化为造血干细胞[4]。这一重要进展不仅为分析研究ES细胞分化，为造血干细胞的早期决定及分化机制和过程提供了实验模型，而且也为临床上移植或输血应用的血液找到了一个新的突破口。
2.2血管和内皮细胞
丛笑倩等[5]将小鼠ES细胞单层培养在含重组转化生长因子β1(TGF-β1)的Ⅰ型胶原蛋白为基质的三维系统内，或直接将过度表达TGF-β1的ES细胞单层培养在Ⅰ型胶原蛋白为基质的三维系统内都能获得内皮细胞组成的血管样结构。此外用重组TGF-β1处理的ES细胞中，能检测到碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)基因表达。这些结果提示TGF-β1可能调节ES细胞和(或)其分化细胞的bFGF基因表达,bFGF可能作为血管内皮细胞的生长因子之一促进内皮细胞分化和形成血管。随后Balconi等[6]在Vinel研究的基础上通过免疫磁珠分离的方法将分化出的内皮细胞纯化出来。由此可以看出ES细胞体外分化系统是研究内皮细胞与血管发生的细胞和分子机制的较理想模型。
2.3心肌细胞和肌肉细胞
悬浮或悬滴培养的小鼠ES细胞的拟胚体(EB)在维甲酸(RA)诱导条件下贴壁生长数天，常出现某些具节律性自发收缩活力的分化细胞集落。电镜观察证实，收缩的细胞内存在着肌原纤维和肌小节和闰盘等典型的心肌细胞特有结构。如将小鼠ES拟胚体与畸胎瘤细胞(EC)衍生的内胚层样END-2细胞联合培养，也可观察到ES细胞被诱导分化为有节律搏动的心肌细胞和骨骼肌细胞现象。为探究心肌细胞是怎样形成的,近年来人们进行了不少研究，研究的主要目的就是要弄清：①心肌细胞是怎样由它的前身细胞分化而来；②心肌基因表达及不同离子通道的功能表达之间的关系；③形态和离子通道调控变化的关系。与已分化细胞相比，人们对心肌前体细胞的功能特征的认识知之甚少，原因是此时鼠胚体积小，其前体又缺乏横纹和自发性收缩的特性，很难鉴定。现在用ES细胞研究可很好地解决这些问题。Kolossov等[7]研究发现：电位依赖性L型Ca2+离子通道(VDCC)是心肌细胞早期发育的标志，而三磷酸肌醇受体(IP3R)肌浆网Ca-ATPase早在心肌细胞形成前就已表达。关于心肌细胞形成过程中不同阶段ES细胞的作用，有望应用选择性药理。
2.4神经细胞
单层培养ES细胞在10μmol/L维甲酸与1mmol/L双丁酰基环腺苷磷酸(db-cAMP)的共同作用下，90%～95%的分化细胞为神经胶质细胞。ES细胞、EB在特定条件贴壁培养时也能被诱导分化为神经元，但效率不高。而用悬浮培养4d的EB在含RA的培养液中继续培养4d，再使EB贴壁培养则可高效重复地分化出神经细胞。人们设想将ES细胞分化而来的定向细胞进行移植，但移植后形成异质组织和畸胎瘤的问题一直困扰着人们。不过，有学者发现将由ES细胞衍化而来的少突神经胶质细胞移植到骨髓鞘缺陷型(MD)大鼠胚胎的大脑脑室中，这些细胞会广泛分布，并形成新的髓鞘质，且未见受体鼠内形成非神经组织和有肿瘤形成的迹象，因MD型大鼠是人类遗传性髓鞘疾病(PMD)的模型，他们将衍化胶质细胞移植到动物模型的骨髓，发现髓鞘生长良好[8]。这些实验为将来人类攻克疾病奠定基础。
2.5肝细胞
胡安斌[9]报道小鼠胚胎发育时,肝芽在第9天出现,这个阶段,肝细胞受与肝芽相邻的心脏横膈膜分泌的aFGF的影响,aFGF[10]被认为是肝细胞发生的最重要的细胞生长因子。选用aFGF、HGF及胶原基质(白明胶)作为诱导方法和诱导因子,是想模拟体内肝细胞发生及发育的内环境,促进胚胎干细胞向肝细胞分化。定向诱导细胞培养上清中ALB在第11天出现，并持续上升,说明分化细胞已有产生ALB的功能并分泌到胞旁，ALB为肝细胞特有分泌蛋白，显示分化系统中有肝细胞的出现，ALB随着分化细胞中肝细胞数量和功能的加强而在上清中浓度增加。丛效倩[11]等报道通过与HGF、β－NGF、RA和BNL.CL细胞共同培养，可以使胚胎干细胞向肝细胞定向分化。
2.6其他分化细胞
除上述分化细胞外，其他的分化细胞也陆续被报道。如脂肪细胞[12](EB在二甲亚砜诱导后,加入胰岛素、三碘甲腺原氨酸、胎牛血清)、软骨细胞[13](骨形态发生蛋白2及骨形态发生蛋白4)、平滑肌细胞[14](RA及环化腺苷酸)、骨细胞[12](地塞米松及磷酸甘油)、胰岛素分泌细胞[15](基因转染)等。
以培养环境进行诱导，将胚胎干细胞与要诱导分化的细胞共同培养也有成功的例子报道，如张仁礼等将小鼠ES细胞与人羊膜共培养,结果表明与羊膜共培养可诱导ES分化为表皮样干细胞[16]。YongpingLi等[17]将ES细胞注入特定的眼内环境，发现ES细胞可以在眼内形成视网膜样结构，产生视网膜神经节细胞样细胞。以培养环境进行诱导方式的成功报道为ES细胞体外诱导分化研究探索了一条新途径，同时也为临床治疗疾病提供一个崭新的方法，可望改写许多疾病病变的传统治疗模式。
人和灵长类动物的ES细胞对培养条件要求更为严格，必须要有饲养层的存在，仅靠白血病抑制因子(LIF)是无法抑制其分化的[18]。最近有学者[19]观察到碱性成纤维细胞生长因了(bFGF)、转化生长因子β1(TGF-β1)、骨形态发生蛋白4(BMP-4)、造血生长因子(HGF)、表皮生长因子(EGF)等人体8种生长因子可诱导人ES细胞体外分化。在人ES细胞形成聚集体后再分散培养，在分散细胞生长成单层细胞后，再进行干预研究。结果表明：在没有生长因子作用时，人ES细胞能自发分化成不同类型的细胞，而生长因子的作用将产生更多形态成熟的细胞。没有一种生长因子能把人ES细胞定向诱导分化为一种特定细胞，而仅仅是增加某一种类型细胞的相对数量。看来，人ES细胞分化研究还有许多问题有待解决。
3ES细胞系应用展望及存在问题
综上所述，ES细胞是研究哺乳动物早期胚胎发育的理想模型,有着广阔的应用前景。迄今，关于ES细胞演化的心肌细胞、神经细胞前体、造血细胞前体的动物移植已有报道。除移植受体的长期存活率有待考察外，异体排斥反应尚待通过组织相容性测验、基因调控及核转移等方法得到解决；传统上，多用转基因或基因敲除动物模型作为基因功能分析方法，但周期较长。而利用ES细胞系可通过基因缺失和过度表达两种途径进行研究，周期较短；EB可用于某种新药或化学物质的毒性及效能的评估。这对药理学、农业化肥工业等领域的发展有重要意义。
[参考文献]
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细胞生物学的研究方向范文
1DPSC的定义和基本生物学性质
成牙本质细胞是一种终末细胞，不具备进一步分化的能力，因此，一般认为成牙本质细胞在遭受损伤后，牙髓内的某些具有分化功能的前体细胞可进一步分化为成牙本质细胞，并分泌相关细胞基质，修复受损组织，这种前体细胞即为DPSC。DPSC具有较强的增殖能力和较高的分化潜能，正是这两种生物学性质，决定了DPSC在牙源组织修复和骨性修复方面具有重要的作用〔2〕。Gronthos等〔3〕在2000年首次正式提出了DPSC的概念，把牙髓内可以快速增殖并且具有一定克隆形成能力的牙髓细胞命名为DPSC，研究人员应用酶消化法对成人第三磨牙的牙髓细胞进行培养，并与骨髓间充质干细胞进行比较，结果显示:这两种细胞具有极为相似的免疫学特性，并且，该研究进一步证实DP-SC经体外诱导后，可形成高密度的钙化小结，将DPSC与羟基磷灰石/磷酸三钙(HA/TCP)支架复合后移植到小鼠背侧皮下，经过一段时间后，能观察到类似于牙本质-牙髓复合体样的结构。
2DPSC的多向分化潜能
作为一种成体干细胞，DPSC具备多向分化的潜能，这种潜能不仅仅局限在骨性分化方面，研究人员在成脂分化、神经分化等方面均取得了一定的研究成果，在再生医学研究领域有着重要的指导意义。
2.1DPSC的骨性分化DPSC的骨性分化是关于DPSC定向分化研究较早的一项内容，近些年来，又有了进一步的发展。Mori等〔4〕采用成骨分化培养基进行对DPSC的骨性诱导分化，结果发现，某些典型成骨细胞基因，如:碱性磷酸酶、I型胶原、骨桥蛋白等均大量表达;应用微阵列及RT-PCR技术进一步研究发现，在成骨分化过程中，胰岛素样生长因子结合蛋白5基因(IGFBP-5)、JunB原癌基因(JUNB)和核受体相关基因(NURR1)均发生表达上调现象，这一机制在成骨分化过程中有着重要的意义。D''''Alimonte等〔5〕在人源DPSC正常成骨诱导过程中，加入血管内皮生长因子，结果显示:这种方法可以刺激DPSC的增殖分裂的速度加快，而且促进了成骨分化的进程。
2.2DPSC的神经分化DPSC来源于胚胎时期的神经脊，在神经分化方面具备一定的潜能。Király等〔6〕采用低温损伤的方法制备3日龄Wistar大鼠脑缺损模型，于颅内注入DPSC进行修复，研究发现:DPSC趋向分布于室下区、胼胝体下区等神经系统祖细胞区，并表达微管蛋白(N-tubulin)、胶质原纤维酸性蛋白(GFAP)等神经细胞标志，对损伤部位有一定的修复作用，并且具有神经系统相关细胞的电压依从性。因此，该结果进一步显示，DPSC在脑损伤体内修复方面，可以作为一种有效的修复细胞。Karaz等〔7〕研究表明:DPSC不仅可以分化为神经干细胞，而且在分化能力方面，高于传统的骨髓间充质干细胞。
2.3DPSC的成脂分化除成骨分化、神经分化方面，成脂分化也是DPSC的一项重要潜能。Nozaki等〔8〕于成脂培养基中加入胰岛素、地塞米松等诱导成脂，经过一段时间的作用，可见细胞中有脂滴的形成，并且在分化过程中多能性标记转录因子(Oct3/4、Sox2)均呈现下调趋势，Nanog基因无显著变化;通过基因微阵列分析，研究人员进一步发现:过氧化物酶体增生物激活受体信号通路的多种组分，均发生变化。所以，对这些基因的调控，在细胞成脂分化过程中有着重要意义。
3DPSC的分化诱导因素
在细胞分化的过程中，分化方向、分化程度、分化速度均会受到一系列物化因素、生物因素的影响，协调各方面因素对控制细胞定向分化有着重要意义。Ito等〔9〕将犬类的DPSC与不同的支架材料相结合，并用这种结合物治疗骨缺损，结果发现不同的支架材料，修复效果会有较大差异，其中DPSC/富血小板血浆(PRP)复合物具备较好的修复效果。Galler等〔10〕将DP-SC接种于水凝胶支架上，并将复合物移植到经过次氯酸钠(NaClO)、乙二胺四乙酸(EDTA)处理过的牙本质内部，培养6w后，发现经NaClO处理的牙本质与复合物结合较好，接触面形成大量细胞陷窝;经乙二胺四乙酸(EDTA)处理的牙本质可以诱导进一步DPSC向成牙质细胞分化，进一步表达牙本质涎蛋白，提高牙本质的修复速度。Yang等〔11〕以大鼠DPSC为研究对象，在常规成骨分化培养基中添加白细胞介素β(IL-1β)，结果显示，细胞的骨唾液蛋白、牙本质基质蛋白等矿化物质的表达均上调，体内实验也得到了相似结果，可见，IL-1β在成骨矿化过程中有一定的促进作用。骨形态发生蛋白在诱导成骨方面有着重要作用，Liu等〔12〕分离扩增家兔DPSC后，将这种种子细胞接种在羟基磷灰石、胶原等支架材料上，并用骨形态发生蛋白II进行刺激处理，结果成骨速度明显提高，最后制备的复合物更有利于体内移植和组织修复。
4DPSC的重编程与再分化
2006年，Takahashi等〔13〕将4个转录因子(Oct4，Sox2，cMyc和Klf4)导入已处于终末分化状态的小鼠成纤维细胞中，从而获得了一种类似于胚胎干细胞的多能性细胞，称为“诱导性多能干细胞”(inducedpluripotentstemcells，iPScells)。这种方法可以非常稳定的制造多能干细胞，引起了极大的关注。继此之后，人类体细胞被成功诱导为iPS的报道〔14〕和老年人皮肤成纤维细胞被诱导为iPS细胞亚群的报道〔15〕相继出现，这种细胞被认为是一种极具前景的干细胞。体细胞通过一定诱导方式，转变为iPS细胞亚群的过程称为“重编程”;iPS经过定向诱导，再次分化为其他种类细胞的过程，称为“再分化”。DPSC作为一种可以快速自我更新的成体干细胞，同样具备重编程和再分化的潜能。Yan等〔16〕采用逆转录病毒介导法，将4个因子(Lin28/Nanog/Oct4/Sox2或c-Myc/Klf4/Oct4/Sox2)导入DPSC中，将DPSC重编程为iPS细胞亚群。DPSC来源的iPS细胞亚群表达阶段特异性胚胎抗原-4(SSEA-4)、肿瘤坏死因子受体相关蛋白(TRA)-1-60、TRA-1-80、TRA-2-49、Nanog、Oct4、Sox2等表面标记，具备多向分化的潜能，可分化成3个胚层的组织，而且可被定向诱导分化为神经干细胞和神经元。Tamaoki等〔17〕对多株DPSC进行重编程诱导，结果显示不同株的DPSC在重编程效率方面会有很大差别，不同株DPSC来源的iPS细胞亚群的再分化能力也有较大不同。因此，建立一种高效安全的重编程模式和再分化方法，仍是干细胞领域的研究热点。
细胞生物学的研究方向范文篇3
【关键词】粒细胞集落刺激因子（G-CSF）；脑梗死；神经保护作用
文章编号：1003-1383(2007)02-0201-03中图分类号：R743.3305文献标识码：A
脑血管病是威胁人类健康和生存的三大疾病之一，长期以来对其造成神经细胞的死亡尚未见有确实有效的治疗方法。脑组织梗死后，如何促进梗死区内神经细胞再生，是促进患者神经系统各项功能改善乃至完全恢复的关键。粒细胞集落刺激因子（G-CSF）是体内重要的造血调节因子。自G-CSF分子克隆和基因合成成功以来，临床上广泛应用于粒细胞减少症、骨髓移植及预防感染等治疗。近年来，中外研究人员在动物实验性研究中证实了G-CSF在急性脑梗死中具有神经保护作用，并在临床应用中逐步使用重组人粒细胞集落刺激因子(rhG-CSF)。本文对G-CSF的生物学的作用、临床应用、治疗急性脑梗死的研究进展及其可能机制作一综述。
一、G-CSF及其重组的生物学作用
粒细胞集落刺激因子（G-CSF）是体内一种多肽链的细胞生长因子，可特异地调节粒系细胞的增殖和分化，并能增强成熟粒细胞的功能，对机体的防御系统有重要意义。人G-CSF是一类低分子量糖蛋白，分子量为17.9―21.8KD，编码G-CSF的基因位于17号染色体长臂上，其蛋白质由175个氨基酸组成［1］。而重组人粒细胞集落刺激因子(rhG-CSF)是应用生物工程技术生产的一种造血生长因子，利用DNA重组技术在G-CSF基酸序列的基础上增加一个N末端蛋氨酸而成，生物学活性与天然G-CSF相同［2］。G-CSF广泛存在体内组织和血循环中，主要由单核巨噬细胞、血管内皮细胞、纤维母细胞和骨髓间质细胞产生，此外还可由多种转化或非转化的细胞产生。G-CSF的生物学作用是通过与效应细胞表面特异性受体(G-CSFreceptor)结合而产生的。G-CSF与G-CSFR结合后，产生多种生物学效应［3］：使干细胞增殖，并使外周血中性粒细胞增加；增强多核细胞的吞噬活性及杀菌功能；加强依赖抗体的细胞介导的细胞毒作用，增加多核细胞的有关代谢增加；促进多核细胞、单核细胞趋化作用，使之向产生G-CSF的感染灶聚集。rhG-CSF作用于骨髓中性粒细胞系造血前体细胞，促进其增殖、分化，并促进中性粒细胞的成熟和释放，增强成熟中性粒细胞的功能。自1991年在美国首先上市，近年来在我国临床应用也日益广泛，并取得较好的疗效。目前主要临床应用的有：①用于骨髓移植治疗免疫性疾病。自体外周造血干细胞移植（APBSCT）应用rhG-CSF将患者造血干细胞动员至外周血，并经采集、分选等处理后重新回输患者，使其造血和免疫重建。Sun等［4］通过临床研究发现，单倍体HLA配对的自体同源性干细胞移植，能够阻止移植物抗宿主疾病（GVHD）的进展，提高恶性血液疾病的存活率，是有效的治疗方法。②用于各种肿瘤，如急性白血病的化疗和严重粒细胞减少症。Gomez等［5］在化疗后的病人中使用了rhG-CSF予支持治疗，研究证明其能有效地减少和预防化疗导致的中性粒细胞减少症。③用于非血液系统肿瘤的治疗和治疗感染性疾病等。Von［6］认为，获得性免疫缺陷综合征(AIDS)的治疗除了减少患者身上的病毒载量，同时增强其免疫重建，G-CSF在免疫系统中的特性使得其能成为患者免疫系统重建中的助手。自德国科学家2001年报道了全球第一例自体骨髓干细胞注射到冠状动脉内，并使心功能明显得到改善的临床病例以来，干细胞治疗缺血性心脏病的研究步伐日益加快，最近在心血管也开始把rhG-CSF应用到APBSCT技术中。干细胞移植在心血管中的应用也进入了二期临床实验研究阶段，并取得了相当地疗效。Engelmann等［7］研究认为，在心肌梗死患者应用G-CSF能够改善心肌功能，这可能在梗死区新生血管的增加得到反映。这些研究都引起神经病学学者的极大兴趣，认为G-CSF在脑血管病的治疗中具有光明的前景。
二、G-CSF在脑梗死治疗应用的研究
在世界各国中，脑梗死均有较高的发病率、致残率和致死率，寻找恢复神经功能的途径一直是脑梗死研究的热点。近年来，干细胞的无穷潜力在全世界范围内掀起了干细胞研究热，并且新发现新的突破，在脑血管疾病方面也不例外。骨髓干细胞包括造血干细胞(HSC)和骨髓基质干细胞(BMSCs)或称骨髓间充质细胞（MSC），是多潜能的干细胞，能无限分化和增殖，可定向转化或横向分化，发育为各种类型的细胞，还可跨越胚层界限，分化为内胚层的肝细胞和外胚层的神经元、神经胶质细胞。1999年，Kopen等首先［8］将MSC注入新生小鼠的侧脑室，发现MSC迁移遍整个小脑和前脑，在纹状体和海马，MSC表达胶质纤维酸性蛋白，提示其已经分化为星形胶质细胞；在嗅觉小岛、嗅球、小脑的内颗粒层发现大量的MSC。其不但表达巢蛋白，还表达神经元的特异性表面标记，即神经元特异性烯醇化酶、神经元特异性核内抗原、神经丝蛋白，提示已经分化为神经元。神经系统与造血系统密切相关，G-CSF是体内一种重要的造血调节因子，具有动员造血干细胞、骨髓基质干细胞、内皮细胞的能力。能否利用G-CSF动员体内的骨髓干细胞定向诱导分化为神经干细胞，从而起到神经保护作用，为脑梗死的治疗开辟了一个崭新的研究领域。Schabitz等［9］利用大鼠脑缺血模型静脉注射G-CSF，通过对比脑梗死体积首先证明了G-CSF的神经保护作用。而后，Gibson等［10］通过脐下注射G-CSF的大鼠脑梗死模型中证明G-CSF有减少梗死体积和改善缺血后的神经功能。随着在动物实验中的捷报频繁，国内外学者开始进行了临床观察研究。Shyu等［11］予大脑中动脉急性脑梗死的患者皮下注射G-CSF，通过观察对比治疗后12个月，NIHSS，ESS,EMS和BI等四项临床指标得出结论，临床应用G-CSF治疗急性脑梗死患者确实能促进患者的神经功能恢复。在国内李竟［12］、葛朝莉［13］等也给予缺血脑卒中患者皮下注射G-CSF，通过观察神经功能评分和BI等指标，认为G-CSF应用于缺血脑梗死的治疗能改善患者预后，有效而安全。目前从事研究的学者都认为，G-CSF能动员内源性干细胞，归巢至脑梗死部位，定向分化为神经细胞，起到保护作用。大多数研究都表明了，在急性脑梗死的动物模型中，予皮下注射G-CSF或rhG-CSF,确实能够促进神经功能恢复，引起CD34+细胞、nestin+细胞等指标的变化，起到保护作用。并且逐渐从动物实验上过渡至临床研究，也证明对急性脑梗死患者神经功能恢复起到促进作用。因此，有理由相信，G-CSF应用于治疗急性脑梗死的前景是光明的。一旦G-CSF对缺血脑组织神经保护作用的具体机制得以阐明，并应用于临床，定能为脑卒中的治疗提供新手段，为脑梗死患者带来福音。
三、G-CSF治疗脑梗死的可能机制
G-CSF是如何对脑梗死起到神经保护作用，这一直是人们研究的重点。其可能机制有如下几点：
1.G-CSF通过其受体G-CSF-R，对缺血的神经元起到神经保护作用，这可能是其作用的主要途径。神经元上可有G-CSF的受体G-CSF-R表达，而G-CSF与其受体作用后激活了JAKs-STATs途径。Schabitz等［9］对G-CSF治疗后的脑缺血动物进行研究，发现缺血灶周边区的神经细胞的STAT3水平是升高的,而STAT3通过激活bcl-2间接地发挥抗凋亡，诱导出神经营养因子或者成纤维细胞生长因子（FGF），给神经细胞提供营养支持。Schneider等［14］在急性脑梗死的大鼠模型中观测到，给予的G-CSF能够有效地通过血脑屏障，并刺激G-CSF-R在中枢神经系统的表达，G-CSF可减少NO的产生，能防止神经元进入程序性细胞死亡。Yanqing等［15］也在脑梗死的动物模型中，通过对比动物的梗死体积、cd34阳性细胞、纤维粘连蛋白、神经功能学评分、存活率、bcl-2蛋白的表达等，证明使用G-CSF后，能对急性缺血卒中起到神经保护作用，其中认为G-CSF能使bcl-2蛋白的表达增加。
2.G-CSF是骨髓造血干细胞的强有力的动员剂，能够促进骨髓干细胞向神经干细胞定向诱导分化，这也是一种可能存在的机制。目前，很多动物实验研究和临床研究都证明G-CSF应用于脑梗死的治疗，能够减小脑梗死体积，促进神经功能恢复。大多数学者都推测，G-CSF动员使骨髓干细胞迁移至脑梗死部位，并向神经元分化，从而起到神经保护作用。而MSC在体内是如何分化为神经干细胞的，其机制相当复杂。MSC与宿主脑相互作用导致MSCs自分泌或旁分泌营养因子增加,可能有助于损伤神经功能的恢复。Mahmood等［15］用脑源性神经营养因子(BDNF)或神经生长因子(NGF)进行对MSC体外培养,发现BDNF或NGF组比未用组在脑创伤鼠脑内存活MSC数量明显增多,神经功能恢复也明显高于未用组,移植存活的细胞表达NeuN、MAP-2和GFAP,可见BDNF或NGF等能促使MSCs向神经细胞分化。这些研究都是通过病理观察急性脑梗死模型的动物中CD34+细胞、nestin+细胞等指标的变化，发现神经干细胞比正常对照组增加，分泌的神经营养因子增加，但是什么因素诱导骨髓干细胞迁移至脑梗死部位，向神经元分化的确切调控机理还没有公认的说法。
3.有学者［13］认为，G-CSF还通过其他特别的机制，如抗吞噬作用、抗炎和促进血管再生等机制，起到神经保护作用。Popa-Wagner等［16］认为脉管系统在神经元的再生过程中起了作用，这种作用至今还未被研究深透。现在大多数学者把对CD34+细胞、nestin+细胞［17］作为观察指标，并对G-CSF受体［18］进行研究，以进一步了解G-CSF对急性脑梗死的保护作用机制。故G-CSF对缺血脑组织神经保护作用的具体机制也有待更深的研究。
G-CSF是骨髓造血干细胞的强有力的动员剂，为有效治疗脑梗死提供了新思路。动物实验表明G-CSF的应用确实能减小脑梗死体积，增加神经可塑性和血管再生，改善脑缺血后的功能，起到神经保护作用。目前很多研究都是在观察G-CSF应用后的脑缺血的改善情况，一旦研究能阐明对缺血脑组织神经保护作用的具体机制，将为脑缺血的治疗开辟广阔前景，为脑疾病患者带来福音。
细胞生物学的研究方向范文篇4
能量代谢与细胞转化
但是，普通的体细胞是如何逆转而成为干细胞的却一直是一个谜。为此，有人怀疑山中伸弥的研究并不真实。不过，后来，其他一些国家的研究人员采用同样的方法也获得了iPSCs，争议之声才有所平息。但是，体细胞是如何被诱导来重新编程并成为多能干细胞的，一直让人捉摸不透。从2010年到2011年，陆续有一些研究证明，体细胞转化为诱导多能干细胞要经历生物能量转换。在些研究结果基础上，研究人员预测，未来，尤其是2012年研究人员将通过对干细胞代谢的深入研究来阐明普通细胞是如何转化为干细胞的，干细胞是如何自我调节和人工调节的。类研究能帮助人们弄清体细胞逆转成为干细胞的奥秘。
体细胞转化为干细胞的关键在于细胞重编程。而细胞重编程涉及多种分子机制，些分子机制都属于细胞代谢范畴。美国梅奥医学中心的福尔米斯等人在2011年8月3日的《细胞代谢》上发表文章指出，细胞重编程导致了一种从氧化到糖分解的生物能量转变状态。意味着，生物能量的转变是细胞具有多能性的前提。也可能是体细胞被诱导为多能干细胞(类似干细胞)的基础。
细胞代谢包括细胞生存的稳定性、细胞生长和细胞分化等过程，些过程必然涉及细胞重编程。在细胞代谢过程中，能量的产生和利用是一个关键因素，因为细胞只有具备和利用能量，才能进行细胞代谢。正如人体必须有能量吸收和转化才能维持生命的功能一样。近年来的一些研究表明，体细胞主要是利用线粒体的氧化磷酸化获得能量，而诱导多能干细胞的产生则依赖于糖酵解。
福尔米斯等人则证明，在细胞重编程阶段，体细胞中成熟的富含嵴(线粒体内膜向基质折褶形成的结构)的形态向诱导多能干细胞(iPSCs)的很不成熟和缺乏嵴的结构转变。而葡萄糖利用和乳酸盐产物在诱导多能干细胞中比在体细胞中多，而且诱导多能干细胞中的氧消耗较少。
蛋白质组代谢的分析也表明，相对于其亲本成纤维细胞，诱导多能干细胞提升了糖分解酶的水平并且降低了电子传递链的水平。而且，通过增加介质葡萄糖水平来刺激糖酵解也增加了细胞重编程的效率，反之，抑制糖酵解则降低细胞重编程效率。与其他一些研究的结果相同或相似。
糖酵解是关键
所有些研究结果都指向一个方向，诱导体细胞重编程而成为诱导多能干细胞是与大量的生物能量重组相联系的，其本质是，促进体细胞线粒体氧化向依赖糖酵解的多能化状态转化。最为重要的是，细胞中糖酵解变化是在细胞的多能化标记获得之前发生的。使用四甲基罗丹明乙酯(TMRM)荧光染色法，可以观察细胞内部并测量线粒体，研究人员由此发现，在细胞重组期间(对细胞转入Oct4、Sox2、Klf-4和c-Myc基因7天后)，糖酵解的基因表达增多。个时间是在多能化的基因表达之前。而多能化基因表达是在转入Oct4、Sox2、Klf-4和c-Myc基因14天之后。
细胞生物学的研究方向范文
诱导性多能干细胞（inducedpluripotentstemcells，iPS）是通过基因转染技术(genetransfection)将某些转录因子导入动物或人的体细胞，使体细胞直接重构成为胚胎干细胞（embryonicstemcell，ES）细胞样的多潜能细胞。iPS细胞不仅在细胞形态、生长特性、干细胞标志物表达等方面与ES细胞非常相似，而且在DNA甲基化方式、基因表达谱、染色质状态、形成嵌合体动物等方面也与ES细胞几乎完全相同。iPS细胞的研究受到人们广泛的关注，是目前细胞生物学和分子生物学领域的研究热点。iPS细胞技术诞生还不到2年，却为干细胞的基础研究和临床疾病治疗研究带来了前所未有的希望，iPS细胞技术的出现使人们从ES细胞和治疗性克隆等激烈的伦理学争论中解脱出来。但是，目前制备iPS细胞的方法在安全性方面还存在一定问题，因此探索一种高效、安全的iPS细胞的制备方法显得十分必要。
1iPS细胞的制备方法
2006年Takahashi等［1］研究小组利用分别携带Oct4、Sox2、Myc和Klf4转录因子的4种逆转录病毒载体感染小鼠胚胎成纤维细胞(mouseembryonicfibroblasts，MEFs)，经过G418药物筛选成功获得第1批iPS细胞。但是这批iPS细胞系中DNA甲基化的方式与自然存在的ES细胞不同，而且这批iPS细胞不能形成畸胎瘤。Okita等［2］研究小组报道了第2批iPS细胞的产生。他们采用与制备首批iPS细胞相同的方法，但是采用了不同的筛选基因。第2批iPS细胞系DNA甲基化的方式与自然存在的ES细胞的甲基化方式相同，并且能形成畸胎瘤。2007年末，Takahashi和Yu等［3，4］两研究小组分别在细胞和科学杂志上报道关于iPS研究里程碑的实验结果，他们都成功获得了人的iPS细胞系。Yamanaka采用与诱导小鼠iPS相同的方法，成功将人成纤维细胞诱导成多干细胞。Thomson研究小组采用与Yamanaka不同的方法，他们利用慢病毒载体运输Oct4、Sox2、Nanog和Lin28转录因子转染IMR90胚胎成纤维细胞，并且成功地获得了人iPS细胞。2008年1月Nakagawa等［5］研究小组报道他们可以利用Oct4、Sox2和Klf43种转录因子将小鼠和人的成纤维细胞成功诱导出iPS细胞。Aoi等［6］研究小组将小鼠肝细胞和胃上皮细胞成功诱导为iPS。Stadtfeld等［7］实验小组利用Oct4、Sox2、cmyc和Klf44种转录因子将胰岛细胞诱导为iPS细胞。
Hanna等［8］研究小组在细胞杂志上报道了他们将小鼠终末分化的B淋巴细胞诱导成iPS细胞的实验结果。他们采用类似于利用成纤维细胞制备iPS细胞的方法，使用4种转录因子（Oct4、Sox2、cMyc和Klf4）及CCATT/增强子结合蛋白（C/EBPα），成功地将成熟B淋巴细胞诱导为iPS细胞。
Eminli等［9］研究小组利用逆转录病毒载体携带Oct4、Klf4和cMyc3个转录因子将神经祖细胞诱导为iPS细胞，之后Kim等［10］研究小组报道利用慢病毒载体携带Oct4和cMyc或Oct4与Klf4两种转录因子就可以将成人的神经干细胞诱导为iPS细胞。他们检测到在成人神经干细胞中Oct4和cMyc的表达量高于胚胎干细胞中Oct4和cMyc的表达量，因此考虑利用逆转录病毒载体只携带两种转录因子诱导成人神经干细胞为iPS细胞并获得成功。由此他们推测当被诱导的体细胞中高表达某个或某几个转录因子时，可以减少其他转录因子的使用。
当一系列人正常体细胞被诱导成iPS细胞之后，科学研究者开始研究患者的细胞是否也能诱导成iPS细胞。Dimos等［11］研究小组报道他们将肌萎缩侧索硬化症（amyotrophiclateralsclerosis，ALS）患者的细胞成功诱导成为iPS细胞。随后Park等［12］报道他们将腺苷脱氨酶缺陷相关严重的联合免疫缺陷、三型葡萄糖脑苷脂沉积症、帕金森综合征、舞蹈症、青少年I型糖尿病等患者的细胞诱导为iPS细胞。
体细胞可以诱导为iPS细胞，但是获得iPS细胞的几率很低。于是科学研究者们研究能否找到提高iPS细胞产生效率的方法。Mali等［13］报道他们将SV40大T抗原和Oct4、Sox2、cMyc和Klf4同时诱导成纤维细胞能显著提高iPS细胞产生的效率，而且iPS细胞提前1～2周产生。Huangfu等［14］报道DNA甲基化转移酶和组蛋白去乙酰化酶抑制剂能显著提高iPS细胞产生的效率。Aasen等［15］研究小组报道采用逆转录病毒运输Oct4、Sox、Klf4和cmyc诱导人角化细胞产生iPS细胞的效率比诱导人成纤维细胞产生iPS细胞的效率至少提高100倍，而且大大缩短了产生iPS细胞的时间。
Maherali等［16］研究小组报道了制备iPS细胞新的研究平台，并指出可从分子、遗传和生化机制上改造细胞程序重排技术。他们开发了一种新的iPS细胞诱导技术，采用doxycycline诱导转录因子的表达，从而可以通过药物来控制iPS细胞的产生，其制备的iPS细胞从结构和功能上都与人类胚胎干细胞很相似。人们研究发现，不同的皮肤细胞类型用于诱导产生iPS细胞的时间也不同［16］。Huangfu等［17］研究小组报道仅利用反转录病毒表达Oct4和Sox2两种转录因子，同时借助抑制组蛋白去乙酰基酶活性的小分子化合物丙戊酸（ValproicAcid，VPA）的作用就能将人的成纤维细胞系BJ和NHDF逆转成iPS细胞。
最近，Stadtfeld等［18］报道他们利用腺病毒载体运输Oct4、Sox2、Klf4和cMyc4种转录因子成功获得无病毒整合的iPS(AdenoiPS)细胞。Okita等［19］研究小组采用2种质粒分别携带Oct4、Sox2和Klf43种转录因子和cmyc转录因子共转染人或小鼠的体细胞并使之诱导成为iPS细胞，经过检测并无质粒整合进入iPS细胞基因组中，即获得了在基因组水平无转录因子整合的iPS细胞。Frank等采用带有loxpCre系统的病毒载体诱导iPS，此系统可将整合到iPS基因组中的4种外源转录因子及病毒基因成分完全剔除，因而所获得了完全没有病毒基因组的来源于Parkinson患者成纤维细胞的iPS;而Knut等人使用含有转座子系统的病毒载体也成功获得了完全没有病毒基因组的来源于人胚胎成纤维细胞的iPS。这些无病毒基因组成分的iPS诱导成功为其临床实际应用奠定了基础。iPS细胞产生的方法归纳见表1。表1诱导iPS产生的方法
小鼠胚胎成纤维细胞［13］Oct4，Sox2，Klf4小鼠及人成纤维细胞［5］Oct4，Klf4，cmyc神经祖细胞［9］Oct4，Klf4成人神经干细胞［10］Oct4，cmyc成人神经干细胞［10］Oct4，Sox2，cmyc，Klf4，Nanog人角质细胞［16］Oct4，Sox2人成纤维细胞系BJandNHDF［17］
2iPS细胞的应用
iPS细胞技术是一把了解细胞核基因组重序(reprogramming)的钥匙，因为iPS细胞在功能上与胚胎干细胞几乎完全相同。因此，iPS细胞的诱导产生过程将是我们了解基因组重序分子机制和个体特异的疾病发生机制的最理想的模型。Hanna等［20］近期已经进行了iPS细胞应用基础研究的首次尝试，利用人类镰状细胞性贫血的小鼠动物模型，取其尾尖部皮肤的成纤维细胞，通过导入Oct4、Sox2、Klf4和cMyc基因，获得自体iPS细胞;进一步采用基因特异性打靶技术对人类镰状血红蛋白等位基因进行纠正后，将体外培养的自体iPS细胞诱导为造血干细胞，移植后可治疗动物模型的镰状细胞性贫血。Dimos等［11］报道将ALS患者的体细胞诱导获得的iPS细胞成功定向分化为运动神经元，而ALS疾病的特征就是患者的运动神经元受到破坏。与此同时，Martin研究小组发表将Oct4、Sox2、Klf4和cMyc诱导得到的iPS细胞定向分化为有功能的心肌细胞的研究结果。
3iPS的安全性
iPS细胞技术的问世为生命科学的研究和人类疾病的治疗带来巨大的希望，随着研究的深入进行，多种终末分化细胞甚至是患者的细胞都能被诱导成iPS细胞，还有iPS细胞初步应用小鼠疾病模型治疗的成功，这一切似乎预示着iPS细胞距人类疾病的临床治疗不远了。但是，iPS在投入临床疾病治疗之前，必须考虑iPS细胞安全性的问题。目前制备iPS细胞的方法主要是利用逆转录病毒运输系统将几种转录因子导入体细胞，逆转录病毒在染色体上随机插入整合到体细胞基因组内并启动转录因子的表达。逆转录病毒的随机插入存在着潜在的风险，有的转录因子如cmyc和Klf4，它们本身就是一种原癌基因，导入cMyc基因可使嵌合体小鼠的肿瘤发生率高达20%［2］。由于cMyc基因具有危险性，研究者投入无cMyc基因的iPS研究，但是经过研究发现这些无cMyc基因的iPS细胞依然具有致瘤性。
4展望
iPS细胞技术诞生还不到2年，但却受到极大的关注和广泛的研究，现已成为生命科学研究领域研究和探讨的焦点，为基础研究和临床疾病治疗带来前所未有的希望。人类iPS细胞的建立被公认为2007年最重要的科技进展之一，这项技术不仅可以从体细胞建立个体特异的多能干细胞系，解决了细胞移植治疗中的免疫排斥问题，而且为研究人类细胞的重编程的机理以及研究个体特异的疾病发生机理提供了有力的方法。在干细胞研究领域，iPS细胞技术的出现无疑是具有里程碑意义的突破，多种体细胞经过体外培养和诱导均可转变成为具有多向分化潜能的干细胞，并且证明了几种已知的转录因子可以使已分化的体细胞逆转为未分化的状态，表明细胞的巨大可塑性。但是，iPS细胞在应用于临床之前，还面临许多问题:①逆转录病毒和慢病毒载体导致肿瘤发生的潜在风险需要加以有效防范;②需要深入研究比较iPS细胞和hES细胞在细胞生物学特性、定向分化机制等方面是否具有显著的差异;③需建立一种新的方法以避免基因转染或基因转导带来的潜在风险，如通过某些化学药物或因子激活体细胞中固有的上述转录因子的方式以替换外源性基因转染的方式，或者用某些因子的短暂性表达代替永久性导入;④提高制备iPS细胞的效率。需指出的是，iPS细胞研究的突破并不意味着ES细胞研究的衰亡，因为iPS细胞所使用的转录因子正是来源于ES细胞长期研究的积累。
参考文献
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细胞生物学的研究方向范文1篇6
2011年11月的一天，对别人而言可能是普通的不能再普通的日子，但正是在那天，维也纳分子生物研究所的博士后MadelineLancaster偶然培育出一个脑组织。此前整整数周时间里，她苦于为如何诱导人类胚胎干细胞分化发育为神经丛而不懈奋战。人类胚胎干细胞已被证实是可以衍生为各类神经元的一簇功能细胞群。不知是何缘故，她培育出的细胞拒绝乖乖地黏附在培养皿底层。取而代之的是，它们越涨越大，逐渐形成奇怪的乳白色球体。
“我真的不知道它们身为何物，”Lancaster也对此惊诧不已，细心的她又在这个奇怪的球体上发现了一个更无从解释的着色点。经过显微镜分析验证，她意识到其真实身份为视网膜生成所必需的暗细胞，而视网膜被视为脑组织发育过程中的天然产物。为了一探究竟，Lancaster切取球体的一部分，成功分选出各型各类神经元。在脑海中朦胧生出上述细胞具备自动组配胚胎样脑组织的大胆猜想后，她径直向导师――干细胞生物学家JürgenKnoblich汇报，“我发现了一个惊人的现象，您必须去看看。”
事实上，Lancaster及其同事并非在体外培育出脑组织的第一人。早在2008年，日本的科研人员就曾成功诱导小鼠和人类胚胎干细胞分化得到分层球体，与人类的大脑皮层结构极其类似。自此以后，致力于通过干细胞解决器官退化难题的探索研究方兴未艾。通过在特定发育时期精准介导化学信号，全球各国研究者陆续成功研发出眼、肠道、肝脏、肾脏、胰腺、肺脏、胃和乳腺的三维组织构架。鉴于可以模拟人类真实器官组织的部分物理结构和生理功能，它们被学术界定名为“类器官”（organoids），有助于人们进一步阐明人体生长发育进程，或作为疾病模型和药物筛选平台，并最终承担起挽救受损器官的现实使命。“过去五六年间，这或许是干细胞研究领域的最璀璨成果。”英国维康信托基金会/剑桥大学医学研究理事会干细胞研究所主任AustinSmith如是评价。
当前的类器官产品并非尽善尽美。有些缺憾细胞类型，有些仅能模拟出器官的最早发育状态，抑或各批次间变异性过大，以至于精炼类器官――使之具备更复杂、更成熟以及更可再生的结构功能――成为现阶段科研工作者的攻坚目标。迄今，不少生物学家对细胞在并不严苛的条件下即可自我组装成复杂精细结构这一事实仍大感惊奇。Knoblich透露，“它无关任何深奥微妙的生物工程技术，人们只是需要有的放矢地诱导细胞，脑组织便顺势可得。”
迷你肠
这在澳大利亚昆士兰大学分子生物学家MelissaLittle看来称不上是一个重大突破，“胚胎自身就具备令人难以置信的自我组织能力，根本不需要预设模板或路径”。实际上，早在19世纪初，胚胎学家业已报道，起源于寒武纪的海绵动物既可以破解成单个细胞，也能够完成自我组配。遗憾的是，相关领域的研究成果久未能达成融汇分享，致使现代生物学家将精力更多聚焦于纯化和培育细胞，反而在模拟正常人体组织方面贡献甚少。
美国劳伦斯・伯克利国家实验室癌症研究者MinaBissell提出，研究这些细胞的真正目的在于查明组织功能真相，在某种意义上与改良砖瓦完备建筑物潜能异曲同工。Bissell在钻研乳腺细胞培养之时努力宣扬一种理念，即不同于传统单层技术的3D细胞培养技术可以实现多种细胞行为。直到20世纪中期，这一观念才逐渐得以认可普及。最引人关注的莫过于日本神户理化研究所发育生物学研究中心干细胞生物学家G井芳树（YoshikiSasai），在视杯和腺垂体培养取得成功的基础上，他转而培育出大脑皮层组织。
2009年，就在G井芳树宣告层状皮质培育成果后1年，荷兰Hubrecht研究所干细胞研究者HansClevers即爆出成功创建出“迷你肠”。这一突破性结果可以追溯至2007年，Clevers及其同事已然获取到小鼠的肠干细胞。在机体内，这些细胞好似能够毫无约束地不断分裂和更新肠衬组织，这也成为Clevers博士后课题的重要组成部分，上述细胞的实验室培养任务落在了一位日本研究者佐藤俊朗（ToshiroSato）肩上。
除了确保细胞顺利生长外，两人还试图将其嵌入基质胶，一种类似细胞外基质、细胞外周分子网膜的软胶状物。Clevers介绍，“这是我们正在做的事情，我们希望尽可能制备出一个细胞球体或是一个细胞团。”几个月过去了，他惊喜地在佐藤俊朗的显微镜下观察到不止一个细胞团。这些细胞不仅能够分裂并趋化为多种细胞类型，而且可以构成散布有多节突起的空心球体。研究团队同时注意到，这一形态特征与肠道中主管营养物质吸收的肠绒毛及其间的隐窝结构十分接近。“它看起来就像是真的肠道组织，这完全出乎我的意料。”
2009年报道的“迷你肠”可能成为个体化医学的重要助推器。Clevers及其团队进一步利用它开始研发囊性纤维化患者的治疗药物，这是一类常见于肺脏、肠道的以离子通道缺陷和水跨膜转运障碍为特征的遗传性疾病。常规流程是，研究者首先需对患者行直肠活检，利用所得细胞再造个体化肠类器官，而后试验性给予潜在治疗药物。一旦离子通道被激活，水分子流入后即可引发肠类器官肿胀。Clevers认定，这不失为一个取代人体药物试验的便捷价廉良方，他先后借助该系统评估了依法卡托（Kalydeco）及其他五种囊性纤维化治疗药物效果，后续将对约100名患者展开临床试验。
不难得见，类器官可以帮助临床医生甄选出最佳的癌症治疗方案。今年早些时候，Clevers宣布已采用患者的结直肠肿瘤提取细胞构建出首个“类器官生物银行”，同期美国冷泉港实验室癌症研究者DavidTuveson与Clevers携手利用胰腺癌患者的活检组织创建出胰腺类器官。在两个成功案例中，类器官被用于筛选出对于某些特定肿瘤的优选治疗药物。在Tuveson看来，“癌症患者迫切需要的是防治方法，幸运的是，我们正步步趋近。”
迷你胃
2014年，美国俄亥俄州辛辛那提儿童医院医学中心发育生物学家JamesWells及其团队成功制备出类似部分人类胃组织的类器官。
与Clevers应用只能有限分化细胞类型的成人干细胞有所差异的是，Wells选用了一种完全不同的原材料――胚胎干细胞，它们几乎可以无所不能地趋化为各种细胞类型，精巧培育出的迷你器官的复杂程度自不言而喻。
十年前，Wells及其同事就开始着手诱导人类胚胎干细胞发育为肠道细胞。当时，研究团队拟通过操控两大关键性信号通路，诱使细胞层萌发出小芽孢。在此过程中，Wells发现，诱导出的“球体”酷似妊娠4周时胚胎发育期的部分原始消化管组织。这令他灵机一动，这或许就是各种类器官的最早雏形，因为“包括食管、肺脏、气管、胃、胰腺、肝脏、肠道、胆囊在内的每个人体器管组织无不是根植于原始消化管”。
在查阅发表文献和总结实践经验后，Wells及其同事初步判定，化学信号介导肠管下行发育为特定器官组织的大体机制。正是在此基础上，2011年，研究团队培育出首个胚胎干细胞来源的人体类器官：一段仅有芝麻大小的肠道组织。如何生长出体积更大的胃组织，成为下一步挑战对象。目前认为，人体的胃组织存有两个关键生理部位，一是产酸的胃底部，另一个是可生成多种主要消化酶的胃窦部。鉴于人类胃组织的结构功能不同于绝大多数的常用实验动物，因而迄今仍旧缺憾适用于相关研究的优质动物模型。
科研人员无奈下折中选择了一种实验方法：他们参考部分有据推测并煞费苦心求证各种生长因子的联合作用差异。功夫不负有心人。2014年，Wells及其团队终于向世人展示出形似胃窦组织的类器官。研究团队还宣称，该模型系统解决了促使细胞向胃底部发育的化学触发难题。如今，科研人员继续全力以赴解答有关胃发育进化和生理学特征方面的其他基础性困惑，例如哪些因子具备胃酸分泌调节功能，同时致力于经由原始消化管创造出更丰富的迷你器官产品。
英国剑桥大学戈登研究所发育遗传学家DanielStJohnston表示，“你真的可以目睹细胞到底是如何自行组织形成复杂结构的实际过程”，有些对于人类胚胎而言是不可能完成的任务。必须承认的是，目前绝大多数类器官依然仅呈现出单一组织形式，“仍旧有很多疑问亟待破解，因为无论何种类器官都无法摆脱机体的整体生理功能而孤立存在”。
迷你肾脏
MelissaLittle在肾脏复杂性研究领域奋斗了不止十年，她的研究结论是，“成人体内大致含有25～30种细胞类型，它们各司其职”。被定义为肾单位的管状结构可以透过血液滤出水分子，继而生成尿液。其外周环境即肾间质，拥有一个错综复杂的血管和管道网，用以排出尿液。
2010年，Little及其同事开始探索诱导胚胎干细胞转化为可以衍生出肾单位的祖细胞。而后，他们不懈地检测了各种生长因子联合方案以及不同生长周期的实际影响。2013年，正确的组合形式终于水落石出，制备祖细胞难题也迎刃而解。在此期间，她还在培养皿中观察到一个现象――单个胚胎的两种细胞可以自发地组合成一定形态。
胚胎肾脏这种类器官与成人肾脏截然不同：它本质上是一个包含肾脏祖细胞和未来进化为尿液集合管细胞的复合体。“真正的挑战在于，你如何促使它们进一步成熟。”为此，Little的研究团队开始研发更复杂精致的类器官模型，它将携带全套的血管和间质结构。随即研究者把迷你器官移植到实验动物小鼠体内观测细胞成熟度和尿液生成情况，一举获得成功。
众所周知，肾脏在药物代谢和清除过程中发挥重要作用，故而Little思量由她制备出的迷你肾脏或许对临床试验前候选在研药物的毒性检测大有裨益。已有研究者提出，心脏、肝脏等其他类器官同样适用于筛查候选药物的毒性作用，它们能够更准确地读取出器官对药物的代谢反应状况，这并非现行标准组织培养或动物实验可以比拟。
身为前列腺类器官的创造者，美国哥伦比亚大学干细胞研究者MichaelShen却对于现代类器官能否彻底取代实验动物持质疑态度。理由很简单，动物可以显露出机体免疫系统对治疗的反应，而这恰恰是当前类器官系统力不从心的“硬伤”所在。
迷你肝脏
2010年在美国哥伦比亚大学器官移植科工作期间，武部孝则（TakanoriTakebe）目睹很多患者因移植供体匮乏而死于肝脏衰竭的现实悲剧。难过惋惜之余，他力图从组织工程领域寻求解决之法，因为常用方法――在人工支架上种植细胞――注定难成大器。其中一大瓶颈在于，成人肝脏细胞极难生长。“我们根本无法持续培养，哪怕只是短短的几个小时。”
在日本横滨市立大学专职研究的武部孝则，决定将工作重心转向诱导多能干（iPS）细胞，它其实是一类被重新编程以致功能行为类似胚胎干细胞的成人细胞。他介导人类iPS细胞转化成为肝脏细胞的前体细胞，或称肝脏母细胞。在胚胎期，肝脏母细胞的生长成熟需要依赖于一套复杂的信号交互系统，而武部孝则一直对这些支持细胞是否构成培养皿中肝脏发育的必要条件心存疑虑。为探明究竟，他及其同事将肝脏母细胞与间充质和血管内皮细胞预混培养，创建出的“肝芽”结构不超过扁豆大小，基本等同于人类胚胎6周阶段的肝脏体积，有别于成熟肝脏细胞，它可以被培养存活长达两个月之久。
从单个肝芽直至成长为一个完整的肝脏还可谓遥遥无期，后者可是一个由数百亿个肝细胞组建而成的功能强大的多叶器官。但武部孝则坚信，只要他能将成千上万的肝芽灌输给功能衰退的肝脏，就完全可能挽救足够功能，进而减少临床移植治疗需求。随后，在小鼠身上确证了这一构想：他将12个肝芽植入小鼠腹部得出了惊人的效果，两天内芽孢成功与血液供应衔接，细胞向具备生成肝脏特定蛋白质和药物代谢功能的成熟肝脏细胞目标迈进。为了模拟肝脏衰竭状态，研究团队应用毒性药物逐渐耗竭掉实验动物的肝脏功能。1个月后，绝大部分对照组小鼠死亡，相反接受肝芽移植干预的小鼠鲜有死亡。
“我们关注的对象是迫切需要肝脏移植治疗的患儿”，武部孝则及其同事开始了4年的临床试验探索。目前，他们的核心工作是进一步缩小肝芽体积、大幅提升制备能力，以便于早日打通大的肝脏滋养血管门静脉这条移植通路。在武部孝则看来“为期不远”的创举，却被AustinSmith指责为有些急于求成，因为在进入临床前必须要充分掌握相应器官基本生理学特性的前提久未满足。
细胞生物学的研究方向范文篇7
红细胞直接作为载体，用于运载小分子药物和蛋白质、核酸等大分子药物的研究已广泛展开。此外，制备保持完整功能的红细胞膜包封纳米粒作为药物载体的研究也取得了一定进展。本文综述了红细胞作为运载工具输送药物的研究情况，另外，着重介绍两种新型的红细胞膜载药系统---红细胞膜包裹纳米粒(RBC-NP)和红细胞膜纳米海绵的最新研究进展。
1红细胞作为药物载体的发展历程
早在1953年，已有科学家尝试用红细胞运载化学物质。随后有人成功将相对分子质量10~250kD的右旋糖酐类载入红细胞。而直到1973年，科学家们才开始采用红细胞做为药物载体，并于1979年首次以红细胞载体(carriererythrocytes)来描述运载药物的红细胞[4].最先应用红细胞转运的是各种酶类，如乙醛脱氢酶[5]、谷氨酸脱氢酶[6]等。经过30多年发展，红细胞已应用于输送不同性质的药物，用于治疗肿瘤、心脑血管疾病、各类炎症等。
2红细胞作为药物载体的特点
红细胞作为药物载体主要有以下优势：降解不会产生有毒或有害物质，红细胞的粒径及形状相同，提供相对稳定的内环境，各种化学物质和酶都可包裹在红细胞膜内，防止内源物质降解运载的药物，可调整药物的药代动力学和药效学，保持血浆内药物浓度的稳定，延长药物的全身作用时间，减少药物的不良反应等[7].
2.1延长药物在体内的半衰期
正常红细胞的寿命为120d左右，其体内循环时间远高于普通药物载体。将药物用红细胞负载后可显着延长其体内半衰期，提高药物疗效。将抗肿瘤药物长春新碱(MTX)、甲氨蝶呤(VCR)采用红细胞单一负载或复合负载后，可显着提高药物抗肿瘤活性，延长药物作用时间。其中MTX+VCR的双载红细胞对K562细胞48h的抑制率为(68.63±2.76)%,显着高于MTX或VCR单载红细胞(P<0.05)[8-10].连燕舒[11]以红细胞运载吗啡(M-RBC)用于手术后镇痛，实验组术后无痛时间为(15.7±5.6)h,远高于对照组(3.2±2.3)h,明显延长了吗啡的镇痛时效，且M-RBC半衰期为(6.48±1.56)h,与文献报道吗啡体内半衰期2.5~3h相比显着增加。核磁共振检查一般采用超顺磁氧化铁颗粒(SPIO)和超小型超顺磁氧化铁颗粒(USPIO)作为对比剂。Antonelli等[12]用红细胞运载SPIO作对比剂，注射后24h血液内铁离子浓度仍接近检测限，该对比剂血液中寿命可被延长至12d.
2.2良好的生物相容性和可降解性，减少不良反应。
天然红细胞为机体固有成分，可通过代谢完全降解为无毒产物，作为运载体在体内不会引起其他不良反应。聚氧乙烯蓖麻油(Cremophor)常添加于紫杉醇注射液中作增溶剂，但易引起感染、过敏等不良反应。Harisa等[13]尝试以红细胞作为药物载体运载紫衫醇，替代Cremophor的使用。载药的红细胞各种生理特性并无显着差异，可作为紫衫醇的药物靶向输送载体。
2.3增加药物在体内的稳定性，降低免疫原性。
红细胞可形成一个隔离空间以保护运载的物质，使药物不受内源性因素的影响而过早失活和降解，提高药物在体内的稳定性。此外，亦可减少外源性大分子(如基因物质、蛋白等)引起的免疫反应，是运载大分子药物的理想工具[14].
2.4增加药物的靶向性
红细胞因衰老或其他原因造成膜表面性质变化，经过脾和肝时可被网状内皮系统(RES)的巨噬细胞识别、吞噬，因此红细胞可作为天然的RES靶向给药载体。已有研究将干扰素α-2b用红细胞担载后用于RES靶向给药[15].为增加红细胞被识别能力，Chiarantini等[16]将反义肽核酸载入红细胞后，诱导红细胞表面的带三蛋白凝集并固定化，使之成为自体免疫球蛋白G(IgG)的识别、结合位点，从而被巨噬细胞内吞，最终抑制了巨噬细胞内一氧化氮合酶(iNOS)和环氧化酶2(COX-2)的表达。
除RES靶向外，红细胞载体还可实现其他部位靶向。化疗药物在正常组织器官的分布积累是导致其不良反应的重要原因，磁化红细胞载体是解决这一问题的新手段。有报道将氧化铁纳米粒通过生物素-亲和素方法偶联到红细胞表面，或将四氧化三铁纳米粒载入红细胞内，制成红细胞磁化载体来运载多柔比星[17-18].磁化红细胞本身生理特性并无明显改变，但在外磁场的控制下可将药物准确输送到肿瘤部位。Cinti等[19]将超顺磁纳米粒载入红细胞内，并以病毒血凝素糖蛋白对红细胞膜表面进行修饰，构建一种新型红细胞磁化载体。该磁化载体到达靶部位后能高效地与肿瘤细胞融合并释放药物，用其运载地西他滨，给药剂量仅为常规化疗剂量的10%.
2.5延长药物释放时间，保持血药浓度稳定
红细胞膜是具有生物活性的半透膜，药物被载入红细胞后可实现缓慢持续释放，与传统给药方式相比，能明显减少血药浓度的波动。Alanazi等[20]用红细胞负载伯氨喹用于疟疾的治疗，载药后的红细胞可实现48h的药物持续释放，但膜上谷胱甘肽(GSH)的含量显着降低，使载药后的红细胞更易被氧化。Bossa等[21]将地塞米松的前药地塞米松-21-磷酸盐(DEX21-P)载入红细胞内，DEX21-P先在酶的作用下去磷酸化生成地塞米松，再通过自由扩散作用释放到红细胞外，如此给药一次便可维持3~4周的治疗浓度。
2.6负载各类物质进行递送
红细胞载体适用范围广，无论是大分子药物还是小分子药物，大多可被红细胞运载，在适当的载药条件下可较大程度地保持红细胞的活性和功能。Harisa等[22]用红细胞负载降血脂药物普伐他汀，探究不同包封条件对红细胞载药率及其生理特性的影响，结果显示在0.6%NaCl、普伐他汀质量浓度为10mg/mL下孵育60min可得到最大载药率，且红细胞的生理特性基本无变化。Favretto等[23]则研究了用3种方法将不同相对分子质量的酶载入红细胞的情况，结果显示，氯丙嗪浸泡法和脂质体融合法，相较于低渗透析法，可提高载药率减少不良反应。Shi等[24]利用二硬脂酸磷脂酰乙酰胺将IgG连接于红细胞膜上，这种方法可显着提高整个红细胞载体的稳定性，且有利于药物的靶向运输。
3红细胞载体的制备
3.1红细胞载体的来源
红细胞及红细胞膜的来源与提取相对简单，一般通过离心方法得到血液中的红细胞，采用低渗溶血的方式取得红细胞膜，也有化学合成仿生的红细胞膜[25].
3.2红细胞载体的载药方式
3.2.1将药物连接在红细胞膜上若药物(酶或其他药物)必须同红细胞膜外不能穿膜的底物直接作用才能产生治疗效果，则常用不同的连接方法将药物连接于红细胞膜上。其中亲和素-生物素方法是膜与药物(特别是生物药物)结合的最常用技术[30].哺乳动物红细胞膜生物素酰化可通过生物素N-溴代琥珀酰亚胺酯(NHS-biotin)引入氨基，也可生物氧化红细胞膜的醛基。Magnani等[31]比较了这些方法，发现通过NHS-biotin生物素酰化的细胞活性最好，每1个红细胞膜连接约1000个生物素，在体内24h的活性不受影响。
3.2.2将药物包载入红细胞内目前，人们运用一系列技术将治疗成分包裹入红细胞内，常用的有低渗法、化学法、电穿孔、胞吞法和脂质融合法等[26-28].对于可自由扩散的小分子药物，常将其前药或其药物结合蛋白包载入红细胞内，通过前药的代谢或结合蛋白对小分子药物的亲和力实现药物的缓慢释放。大分子蛋白例如一些酶类(其作用底物可穿过红细胞膜进入胞内的)可直接包载入红细胞内，如此既可保持药物本身的稳定性，亦可实现缓慢催化作用[29].
4基于红细胞载药系统的最新进展
红细胞载药的优势主要依靠红细胞膜的结构及功能实现，且红细胞膜提取分离较简单，因此许多研究者提取单纯红细胞膜来考察其药物输送作用。例如Gupta等[32]提取纯净红细胞膜经挤压制成直径为100~200nm的纳米红细胞小体，运载法舒地尔治疗肺动脉高血压。红细胞膜包裹纳米粒(RBC-NP)以及红细胞膜纳米海绵这两种新型红细胞膜载体的研究进展介绍如下。
4.1红细胞膜包裹纳米粒(RBC-NP)
RBC-NP药物载体是将纳米粒内核和红细胞膜结合，既能弥补纳米粒体内清除速度快及红细胞载体释药缺乏可控性的缺点，又能发挥这两类药物载体的各自优势，是一种十分具有发展前景的新型药物载体。
4.1.1RBC-NP的制备、载药和释药方式制备RBC-NP一般采用低渗透析挤压法。在低渗环境下红细胞膜孔打开将内容物释出，得到的红细胞膜经纳米膜挤压形成纳米红细胞小体，再将纳米红细胞小体和纳米粒经反复挤压形成RBC-NP(直径约80nm).通过透射电镜(TEM)观察以及蛋白酶消化等试验证明，合成的RBC-NP能够稳定存在，且膜包裹的方向为红细胞膜的外侧朝外，膜内侧邻纳米粒内核。Luk等[33]探究了纳米粒内核的表面电性、曲率半径等因素对红细胞膜包裹纳米粒的影响。结果显示，红细胞膜可包封粒径为65~340nm纳米粒，负电性内核与负电性红细胞膜间的静电作用是能包裹并保持稳定的主要原因。
RBC-NP主要是通过纳米粒内核载药，目前常使用PLGA,载药方式分为物理包封和化学键接。有研究通过这两种方式将多柔比星载入RBC-NP,得到的RBC-NP在PBS缓冲液中具有近似的高稳定性，且药效均高于单纯多柔比星给药，但化学键接载药的RBC-NP药物释放更加持久[34].
RBC-NP的释药方式主要有被细胞吞噬后膜破裂释药和通过细胞膜扩散或特殊的转运体系释药[35].Gao等[36]研究发现，将脂质体中装载NH4HCO3,温度上升至42℃时产生二氧化碳气泡破坏脂质体膜，可释放出药物。如此实现温度敏感性释药，且无有害化学成分残留。除了内部作用，也可通过外界触发释药。Delcea等[37]发现，金纳米粒附于红细胞膜上，用激光照射后金纳米粒聚集处的膜性质改变，可形成孔道释放膜内的药物，这些成果为日后进一步发展RBC-NP释药技术提供了新思路。
4.1.2RBC-NP作为药物载体的特点及应用RBC-NP与普通药物载体相比，可显着延长药物的体内循环时间。Hu等[38]将RBC-NP(PLGA为内核)、PEG修饰的PLGA纳米粒(PEG-PLGANP)以及PLGA纳米粒(PLGANP)3种药物载体进行荧光染色后，尾静脉注射入小鼠体内，按一定时间眼眶取血进行检测。结果显示，在24和48h后，RBC-NP在血液中的残留量分别为29%和16%,显着高于PEG-PLGANP组(11%和2%)和PLGANP组(2min后基本不存在).
RBC-NP可稳定持续释放药物，增加给药靶向性。Aryal等[34]将多柔比星载入RBC-NP进行体外药物释放研究，发现72h内药物释放率仅为20%,约为对照组(PEG修饰的PLGA纳米粒)释放速率的二分之一。为使RBC-NP具有更好的功能性和靶向性，Fang等[39]将两种配体即叶酸(相对分子质量约441)和核仁素配体AS1411(Mr约9000)以磷脂分子为连接剂对红细胞膜进行修饰。
结果显示叶酸修饰的RBC-NP在KB细胞中摄取量提高了8倍，AS1411修饰的RBC-NP在MCF-7细胞中摄取量提高了2倍。此外，采用这种脂质植入的修饰方式避免了普通化学修饰造成的膜蛋白变性、功能损害等问题。受到RBC-NP启发，Fang等[40]采用肿瘤细胞膜包裹纳米粒制成新型肿瘤靶向载体(CC-NP),通过细胞-细胞之间的相互作用，CC-NP在肿瘤细胞的摄取量可达PLGA纳米粒的20倍。
本课题组目前基于RBC-NP展开小干扰RNA(siRNA)的主动靶向输送研究。siRNA类药物存在快速降解的风险[41],在前期筛选获得高效、低毒氨酯类聚乙烯亚胺衍生物(PEI-Et)材料的工作基础上，将PEI-Et复合siRNA,得到稳定的载体核心纳米粒(PEP)[42-43];将半乳糖修饰的红细胞膜包裹PEP作为新型输送系统(Gal-RBC-PEPNPs),实现siRNA的稳定包封。本课题组将考察该系统输送siRNA的长效、靶向、安全性，以此探索构建具有长效、主动靶向功能的新型红细胞膜类siRNA输送载体。
4.2红细胞膜纳米海绵
RBC-NP的红细胞膜可捕获体内毒素并使其被清除掉，从而对抗细菌感染，这种本身可吸收细菌毒素的特性RBC-NP被称作红细胞膜纳米海绵。
4.2.1作为解毒剂Hu等[44]通过研究发现，PL-GA为内核的纳米海绵，可特定吸收成孔毒素类(PFTs),显着降低其毒性。在注射纳米海绵的情况下再给予小鼠致死剂量的α-毒素，小鼠存活率可达80%(存活时间超过360h).通过与PEG-PLGANP、PEG-LipidNP、纳米红细胞小体的试验对比，证实PLGA纳米粒内核与红细胞膜对于吸收PFTs缺一不可。PFTs普遍具有细胞膜穿孔能力，纳米海绵的红细胞膜结构可作为该毒素作用底物吸引PFTs嵌入膜内，但在纳米粒的稳定作用下不发生溶血，且能在体内长时间循环继续吸收毒素，如此纳米海绵可将绝大部分毒素带离其靶细胞。当被巨噬细胞吞噬后，纳米海绵也可增强溶酶体对毒素蛋白的消化作用，最终可通过肝脏安全代谢。
研究者紧接着进行了链球菌及蜂毒肽等其他PFTs解毒试验，结果均可显着减轻毒素对动物的伤害，说明红细胞膜纳米海绵的抗菌解毒作用具有普适性，可应用于各种PFTs的解毒治疗，克服了普通解毒治疗中不同的病毒必须采用不同解毒药物的缺点。
4.2.2作为抗毒疫苗除了用纳米海绵直接进行解毒治疗外，也可将抗原蛋白嵌入纳米海绵的红细胞膜中制成抗毒素疫苗。Hu等[45]将PFTs嵌入纳米海绵的膜上，PFTs在纳米海绵的限制下不会对细胞产生毒性，且仍能保持原有结构形态，通过皮下注射后随淋巴循环可被有效运输到免疫系统。
被浆细胞吞噬后，能产生大量与毒素特异性结合的IgG.与通过加热或化学手段灭活的疫苗相比，这种疫苗产生的抗体数量更多，亲和力更强，且不会引发其他针对输药载体的免疫并发症。在体内循环过程中，对正常细胞亦没有危害。
4.2.3治疗免疫系统疾病纳米海绵在治疗Ⅱ型超敏反应类疾病方面也有了新的研究进展。抗体诱导型贫血症的致病机制是患者体内产生了可与自体红细胞膜表面抗原结合的病理性抗体，正常的红细胞与之结合后被吞噬细胞吞噬而导致贫血。
Copp等[46]的最新研究发现，纳米海绵膜上的相应抗原能够保持裸露并与该病理性抗体特异性结合，可作为诱饵大量中和病理性抗体，然后经吞噬细胞作用将其清除，最终使病理性抗体不能与正常红细胞结合，从而大大缓解自身免疫性溶血反应或药物诱导的贫血症。纳米海绵可吸收各型病理性抗体，这为解决免疫疾病治疗中药物不能普遍适用的问题[47]提供了思路。
5展望
红细胞载药体系具有极高的生物相容性和可降解性，在延长体内循环时间、提高靶向性和稳定性、提高药物效果等方面也具有其他传统药物载体不可比拟的优势[48-49].相比于单纯的红细胞载药，复合型红细胞膜载药体系可实现更多的功能(靶向性等)[39].目前，已有红细胞载体进入临床试验阶段[29].其中，地塞米松红细胞载体治疗溃疡性结肠炎已完成临床Ⅱ期试验;L-天门冬酰胺酶红细胞载体治疗急性淋巴细胞白血病复发正在进行临床Ⅲ期试验。
但对于大规模生产和使用，红细胞药物载体的来源和储存仍是阻碍其应用的主要问题。与其他药物载体相比，红细胞源于生物体，不同来源的载体本身就具有较大的差异性，且制备过程缺少统一控制标准。在红细胞的提取和载药过程中如何减少污染、降低对膜功能的损害，如何储存红细胞载体并保持其生物活性等，都是亟待解决的问题。对于新型RBC-NP的研究才刚起步，接下来应进一步探明红细胞膜与不同纳米粒内核的作用机制和原理，研究如何将较大粒径的纳米粒包裹入红细胞膜内且尽量减少对红细胞膜的损害。红细胞膜纳米海绵在抗菌解毒治疗上将有着极为广阔的发展前景，在其他临床应用方面也存在一定潜力，值得深入研究。最后，基于红细胞的载药体系还需通过各种科学优化，进一步提高药物的包封率、靶向性和控释性。随着相关研究不断深入，相信在不远的将来就会掀起一场临床药物载体的新变革。
参考文献
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细胞生物学的研究方向范文篇8
【关键词】干细胞进展克隆
干细胞是一类具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体。根据个体发育过程中出现的先后次序，干细胞可分为胚胎干细胞和成体干细胞。ESC具有发育的全能性，在一定条件下可以向内、中、外三个胚层的细胞和组织分化，已可成功分离并建系，然而，由于不同个体间的免疫屏障和伦理学问题存在广泛争议，其应用仍停留在动物实验阶段。而源于成体组织的ASC由于完全是自身遗传背景，避免了伦理问题和免疫屏障，同时来源丰富、容易获得、体外诱导条件相对成熟，在血液病、心脑血管疾病、恶性肿瘤等疾病的治疗和组织损伤修复方面有广阔的应用前景，已成为生命科学研究的一个新热点。
一、干细胞生物学研究进展
在干细胞生物学研究中，人们发现某些成体组织细胞不但能再生，而且在一定条件下可跨系统、跨胚层分化成其他组织细胞，称为ASC的可塑性，其机制尚未阐明，且存在广泛争议。中国医学科学院血研所赵春华等在人多种胚胎组织如胰腺、骨髓、肝脏、皮肤、骨骼肌和肺等中分离出具有多系分化潜能的原始干细胞，在适当条件下可向脂肪细胞、成骨细胞、软骨细胞、内皮细胞、肝脏样上皮细胞、神经细胞及造血细胞分化；将其输入接受超致死剂量射线照射的受体小鼠，可重建受体小鼠的造血功能；并可在小肠、肝、肺、皮肤及造血等多种组织中分化和再生；分离获得的Flk1+CD31-CD34-细胞具有高度的分化潜能，在体内不仅参与造血重建及微血管损伤的修复，而且还能分化为气管、肺、消化道上皮细胞以及肝细胞等。
研究表明，来自多种组织的ASC移植可治疗多种疾病。然而，人们对ASC分子生物学特性了解尚少，阻碍了ASC的体外培养和体内组织再生研究和应用。进一步研究发现，CKI介导的细胞周期调控也存在于神经干细胞中，提示CKI在其他组织干细胞周期调控中也扮演着至关重要的角色。这些研究为干/祖细胞特异性细胞周期调控提供了新的靶向，也为体外干细胞的诱导、分化提供了新的线索。
军事医学科学院干细胞生物学研究室岳文等进行了干细胞分化调控新基因的筛选及其功能研究。他们利用抑制性消减杂交技术构建了Lin-CD34-和Lin-CD34+细胞的差异表达基因的cDNA文库，发现了Humanin基因，该基因对神经细胞的凋亡具有保护作用，在髓系造血祖细胞K562中具有延缓凋亡和抑制分化的作用，在Lin-CD34-细胞中的高表达提示该基因可能参与造血干细胞自我更新能力的维持。目前，他们正对人10号染色体长臂上的两个新基因——N-RAP和MOB进行克隆与功能研究。这些研究可以使人们获得越来越多的与干细胞增殖与分化过程相关的新的功能基因，对这些基因的深入研究将有助于阐明干细胞增殖与分化的调控机制。
二、干细胞与克隆人
按分化潜能的大小，干细胞基本上可分为三种类型：一类是全能干细胞，它具有形成完整个体的分化潜能。胚胎干细胞就属于此类，它具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能力，可以无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型，从而可以进一步形成机体的任何组织或器官。第二类是多能干细胞，它具有分化出多种细胞组织的潜能，但却失去了发育成完整个体的能力。第三类称为专能干细胞，只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化。
利用多能或专能干细胞培育人体细胞和组织的研究已经取得了一定成果，但利用前景更广阔的，还是分化能力最强的全能干细胞。目前全能干细胞只能通过胚胎获取。受精卵在分裂期的早期、尚未植入子宫之前，会形成一个称为囊胚的结构，它由大约140个左右的细胞组成。如果能将它们取出，做成细胞悬液，在体外进行培养，就可以通过改变体外培养条件来探索胚胎干细胞向不同组织细胞分化的规律，对揭开人体的个体发育之谜具有极其重要的理论意义。
在体细胞克隆技术出现之前，科学家只能通过流产、死产或人工授精的人类胚胎获取干细胞进行研究。医生可以从病人身上取下体细胞进行克隆，使形成的囊胚发育6至7天，然后从中提取干细胞，培育出遗传特征与病人完全吻合的细胞、组织或器官，如果向提供细胞的病人移植这些组织器官，这就是所谓“治疗性克隆”。如果治疗性克隆研究取得成功，病人将可以轻易地获得与自己完全合适的移植器官，不会产生排异反应。届时，血细胞、脑细胞、骨骼和内脏都将可以更换，这给患白血病、帕金森氏症、心脏病和癌症等疾病的患者带来生的希望。
三、展望
当前，干细胞和再生医学的研究已成为自然科学中最为引人注目的领域，其理论的日臻完善和技术的迅猛发展必将在疾病治疗和生物医药等领域产生划时代的成果，是对传统医疗手段和医疗观念的一场重大革命。ASC移植的总体目标是建立ASC增殖和诱导分化的技术平台，获得大量多能或组织干细胞，用于相关病人的移植治疗，相信随着研究的不断深入，干细胞移植治疗多种疾病将不再是一个梦想。
参考文献：
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[2]王春雨，贾占生.核移植胚胎干细胞的研究及其应用前景[J].生物化学与生物物理进展，2005，（3）.
细胞生物学的研究方向范文篇9
关键词：磁性纳米颗粒；细胞相容性；实验
中图分类号：Q6-3文献标志码：A文章编号：1008-2409（2016）03-0026-04
磁性纳米颗粒（magneticnanometermicrospheres，MNMs）作为磁控纳米载药系统的载体，载药后具有缓释药物、延长药物作用时间，使药物具有靶向性，使药物能浓集于靶器官而降低用药量，避免或减轻毒副作用等优点。磁性纳米颗粒已成为周内外物理材料科学与生物医学技术的前沿研究热点。但目前用于载药的磁性纳米微球种类不多，制备工艺复杂，用于与载体结合的药物种类的研究不多，且仅用于实验研究，使用范围极其有限。F3O4磁性纳米粒子由于其优良的磁性和易加工性，特别是超顺磁性，在生物、医疗等各个方面都得到了广泛应用，本实验研究用简便的方法制备Fe304磁性纳米微粒，研究其生物相容性，为其下一步的载药及临床应用打下实验基础。
1材料与方法
1.1药品与试剂
F3O4/石墨烯磁性纳米颗粒（由桂林理工大学材料科学与工程学院教育部重点实验室制备）；MTT液（购自Sigma公司）；二甲基亚砜（DMSO）、RPMI-1640及DMEM培养基均购自GBICO公司；小牛血清（FBs）、胰蛋白酶（Hyclon公司）；其他常用试剂均购自Sigma公司。
1.2细胞株
人鼻咽癌CNE-2细胞株（桂林医学院生物技术学院中心实验室保存）。人滑膜细胞（桂林医学院附属医院骨二科提供）
1.3仪器
CO2培养箱（美国ThermoFisher），倒置显微镜（Axiover-40，德国蔡司公司），SW-CJ-IF型超净工作台（苏州安泰空气技术有限公司）；ComingCostar细胞瓶及培养板（美国康宁），其他细胞培养常用仪器均为国产。
1.4方法
1.4.1磁性纳米四氧化三铁核心的制备参照文献利用共沉淀方法制备F3O4：按摩尔比为1：2准确称取FeO和F3O4，总质量为3g，移入圆底烧瓶中，溶解于无氧水中并通人氮气，然后向其中滴加1mol/L氨水，体系中不断有黑色沉淀物生成。反应结束后体系pH值为13，用无氧水洗涤沉淀物3次，直至pH值为7～8，制得的F3O4冷冻干燥，备用。
将镁条在干冰中点燃，即获得石墨烯粗品。将获得的石墨烯粗品使用稀盐酸溶解后，充分除去未反应的镁，随后使用去离子水清洗直至呈中性，超声分散30min。静置3d后，取上清液保存，即得石墨烯溶液。
将50ml环己烷、10mlTritonX-100以及8ml正己醇混合均匀，加入600μl水以及400μl上述石墨烯水溶液及四氧化三铁，搅拌300min形成油包水的微乳液。随后在搅拌下加入500μl正硅酸乙酯（TEOS），反应24h。在8000rpm离心5min分离，弃去上清液，下层产物分别用乙醇和水洗3次，60℃真空干燥，即获的Fe3O4/石墨烯/SiO2纳米颗粒。置透射电子显微镜下观察颗粒直径及分散状况。
1.4.2细胞实验按常规方法复苏冻存的人鼻咽癌细胞CNE-2。收集对数生长期细胞，调整细胞浓度为1×105个/ml，铺于96孔培养板中，每孔加入200μl细胞培养液，共5组，每组设10个复孔，空白孔用Hanks液或PBS液补充。在5%CO2，37℃下培养24h，至细胞单层达孔底80%，小心去除培养液，向每组孔中分别加磁性纳米微球溶液10μl，培养液190μl。对照组只加入200μlDMEM培养液，在5%CO2，37℃继续培养，培养期间定期用倒置显微镜观察细胞形态变化。72h后弃去培养液，再每孔加入20μlMTT溶液（5mg/ml，即0.5%MTY），继续培养4h。终止培养，吸去孔内MTT液。每孔加入150μl二甲基亚砜DMSO，轻轻振荡几次，使结晶物充分溶解。在酶联免疫检测仪570nm处测量各孔的吸光度值。实验设复孔，重复1次。
人滑膜细胞培养及实验方法与人鼻咽癌细胞CNE-2相同。
2结果
2.1形态学观察
培养24h后，在倒置显微镜下观察两种细胞：CNE2细胞中，对照组及磁性纳米微球组细胞生长良好，细胞间排列紧密，无漂浮细胞。见图1。培养48h后。在倒置显微镜下观察，对照组及磁性纳米微球组细胞均生长正常，细胞间排列紧密，无漂浮细胞。见图2。人滑膜细胞中情况与CNE2细胞相似。见图3。
2.2MTT法检测
检测结果见表1，表2。
从MTT检测结果来看，设置的磁性纳米颗粒组，与空白对照组数据相近，数值无明显差异。进行统计学分析，说明在培养系统中加入Fe3O4/石墨烯纳米颗粒，对两种细胞的生长没有明显的影响，说明Fe3O4/石墨烯纳米颗粒与两种细胞均具有较好的生物相容性。
3讨论
随着新型药剂学的逐步成熟，药物制剂在理论、工艺及研究等方面进入了一个全新的阶段，缓控释制剂和靶向制剂已经成为研究的热点。Fe3O4磁性纳米微粒以其小尺寸效应、良好的靶向性、生物降解性和功能基团等优点，成为一类非常重要的无机磁材料，由于其突出的磁响应性和超顺磁性在诸多领域显示出了强大的应用价值。用Fe3O4荷载药物可以弥补传统给药系统的缺陷（药物无法到达特定病变位置、无法在某个局部形成较高浓度而不产生毒副作用），也可为药物缓释的发展提供支持。目前用于合成磁性纳米微粒的方法较多，如中和沉淀法、化学共沉淀法、溶胶一凝胶法、微乳液法和水热法等。
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[关键词]细胞生物学；研究性教学；探索与实践
[中图分类号]G424.1[文献标识码]A[文章编号]1005-4634（2013）06-0065-03
0引言
21世纪是生命科学的世纪，细胞生物学是生命科学的重要基础学科，具有较强的理论性和实验性[1]，同时也是近年来发展迅速的前沿学科。综观2012、2013年的诺贝尔生理学或医学奖不难看出，这些对生命科学有重大推动作用的杰出成就都是细胞生物学研究的领域。因此，深入探究细胞这个生命活动基本单位对于理解生命活动的基本规律、探究生命科学领域的基本问题、解决医学领域的重大问题有重要的意义。但在传统的教学中，往往采用“灌输”式教学，使学生处于非常被动的地位，这种接受型的教学方式忽视了学生自主学习、自主探究能力的培养，抑制了学生的研究兴趣与创造性，与21世纪日益加剧的国际竞争对创新人才的强烈需求形成尖锐矛盾。因此，发展新的教学模式迫在眉睫。研究性教学模式要求教学过程中要充分发挥学生的主体地位和教师的主导作用，学生在教师指导下，通过以“自主、合作、探究”为特征的学习方式较好达到课程教学目标。本文从研究性教学模式的角度对细胞生物学理论教学的教学内容、教学方法和实验教学的优化改革提出了几点思考。
1在理论教学中培养学生的研究性思维
1.1调整和优化教学内容
《细胞生物学》是高等院校生物学各专业开设的一门必修课，其内容迎合了不同层次学习者和研究者的需求。要在理论教学过程中培养学生的研究性思维，则不能拘泥于教材的内容及其编排，需要调整和优化教学内容，为学生形成研究性思维习惯做好铺垫。基于此，可以根据理论知识的难易程度、学生的知识储备和接受新知的能力、《细胞生物学》课程教学大纲、学科发展现状等对课程内容做适当的删减、增添和整合，调整和优化教学内容。
1）删减。删减学生已经耳熟能详的内容。学生在长期的知识储备和经验积累过程中已经习得的基础知识，应在课堂上避免赘述。例如，关于“细胞是生命活动的基本单位”这一概念，其涵义学生从中学就已经有所了解，可引导学生从生命活动的不同方面举例来证明这一结论，并与最近的研究进展相联系，培养学生归纳总结知识的能力并激发学习兴趣。
删减某些学科交叉内容。由于细胞生物学是生命科学的基础学科，与生物化学、分子生物学、微生物学等学科有着深刻的相互渗透与结合，很多理论知识在不同学科中重复出现，因此应做适当的删减，化重复理论为知识迁移。例如，学生已经在生物化学中对线粒体的氧化磷酸化有了系统的认识，在本课程可以着重从氧化磷酸化的分子结构基础及其细胞生物学定位来理解其作用机制，从而在细胞这一层次上对这个过程有全面理解并形成结构决定功能的生物学思想。
删减识记类课程内容。研究性学习的目的不仅在于知道是什么，而且在于明白为什么和怎么做，以提高解决问题的能力。把识记类理论知识放至课前或课后，在课堂上注重方法习得不失为好的举措。例如，细胞是一个复杂的信号网络系统，细胞信号转导的途径和细胞对信号的整合与控制应是课堂上探讨的重点，而细胞通讯、信号分子、受体等基本概念应由学生自主习得。除此之外，关于细胞生物学研究方法的内容可以移接至实验教学中。
2）增添。注入研究方法，渗透研究性思维。在《细胞生物学》中，对生命现象探究的内容虽有不少涉及，但很少展示具体的研究思路，因此要求教师要拥有丰富的教学资源和素材，适时在课堂教学中渗透科学研究方法。
引入科研成果，把握学科前沿。教师需要时刻关注国内外的科学研究动态和成果，撷取精华介绍给学生[2]，拓宽学生视野；教师应提炼学术会议上各专家的新理念、新思路，以活跃学生的思维，便于研究性学习，推陈出新；学生也要利用书籍、期刊、网络、电视等多种途径丰富见闻，在合作和交流中兼收并蓄，思维碰撞。
适时插入科学家的故事。必要时，以科学家艰辛的探索事迹进行科学态度和科学精神教育，适时引入科学家的逸闻趣事，以激发学生的学习兴趣。
3）整合。细胞是生命活动的基本单位，“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”。为了系统而深刻地理解生命的本质，必须避免片段化教学，应对教学内容适当整合，以符合学生的认知规律。
知识点间的整合。例如，锚定连接需要细胞骨架系统的参与，因此可把锚定连接的相关内容安排在细胞骨架后，以便新旧知识的联接。
调整课程内容的顺序。细胞生物学的研究重点已不再限于细胞的结构与功能方面，而是明显转向细胞重大生命活动及其分子机制的探秘，因此建议将细胞的结构与功能等章节内容整合、将细胞重大生命活动及其分子机制等章节内容整合，掌握前者是揭示后者的基础。
1.2改变教学方法，改进评价体系
在研究性教学中强调，学生是教学过程的主体，学生要在研究中学习和成长，发展学习主动性和养成独立思考的习惯；教师则在整个教学过程中起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用[3]。在教学方法上，建议采用问题教学方式，在确定了研究课题的前提下，通过创设问题情境，引导学生质疑，并恰当引入科研成果。
1）建立激励机制，确定研究课题。采用研究性教学模式会增加学生的课前准备负担，对于每个学期要上近10门课程的学生来说，如何激励学生主动学习是非常重要的。学生的积极参与仅仅靠老师语言上的激励是不够的，必须建立相应的激励机制，比如可在教学质量的评价体系中加入“课堂发言”这一项，并在最终成绩考核中占一定的比例，如可设定课堂发言∶实验成绩∶理论成绩=3∶3∶4，课堂发言由教师当场打分，整个学期成绩累计，取其平均值。
研究性教学模式并不在于形式上以学生为主，而在于学生在实质上的主体地位。因此，在教学方式上，既可以采用老师提问、学生讨论的方式，也可以采用教师讲授、学生随时质疑的方式。在第一种方式中，老师需要精心组织并向学生提供研究课题，鼓励学生主动参与，由于学生准备的是否充分直接决定了其在课堂上的参与度和思维的拓展度，因此在确定研究课题后，要留给学生一定的时间准备相关材料。同时，为避免要探究的问题因庞杂而止于肤浅，可将研究课题分成若干子课题。在实践中，将学生分成小组（每组3～5人），问题到组，每小组负责阐述1～2个子课题。这样既保证了学生探究问题有一定的深度，又有效地激发了他们的参与热情。
在确定课题及课堂讨论中要注意掌握研究课题的广度与深度。为达到既使学生掌握理论知识又能训练其思维的目的，在确定研究课题时，应注意课题的广度，不能任意发散、偏离重点；同时，也要考虑到课题的深度，难度适中，有效激发学生的兴趣。例如，在《细胞信号转导》课题中，要求学生理解并掌握细胞信号转导的主要途径、细胞对信号的整合和控制，教学活动应围绕这两方面展开，在掌握基本的几条途径的基础上，再进行归纳，绘制网络图，找出其交叉点，从而理解其整合性。同时可通过查阅文献进行知识的扩展，了解近年来这些基本的信号转导途径的新进展。
2）创设问题情境，引导学生质疑。在研究性教学中，师生应是平等的探索者的关系，教学过程就是解决问题的过程，因此应以问题研究[4]为主线，教师要善于提出启发性、针对性的问题[2]，问题的设置要有层次感，遵循学生的认识规律。开场问题要设计巧妙，顺利促使学生进入学习情境；教学过程中，教师要做好学生活动的组织者、帮助者和促进者，指导和总结提升到位；对于抽象复杂的机制需要结合多媒体等手段，化繁为简；探讨完理论知识后，要引导学生思考和分析与生产生活紧密相关的问题，学以致用。学生可以采用独立思考、小组讨论等多种形式的学习方法多角度调动思维，也可以在解决问题的同时提出有研究价值的新问题，进行课堂外的延伸，拓展思维的深度。例如，在《细胞信号转导》课题中，教师可借此课题引导学生掌握相关前沿。如教师可提出：生物对光的响应是通过其受体来完成的，目前已经发现了几种光的受体，分别是什么？UV-B的受体是什么？受体如何传递这一信号？细胞对这一信号产生什么样的响应？当诸如小麦等植物接受UV-B后，会产生哪些响应？这样学生就会通过阅读文献掌握这一领域的最新发现，了解UVR8这一刚刚发现的紫外线的受体，通过了解其机理，联系实际，就可以自然而然地提出：可以通过人为增强紫外线辐射来刺激植物产生更多的类黄酮，从而提高某些植物尤其是药用植物的保健作用。这样，理论就和实践很好地结合到了一起。
3）恰当地引入科研成果。细胞生物学是一门迅猛发展的学科，尤其是分子生物学的概念与方法的引入，将其迅速推向分子细胞生物学水平。细胞生物学相关领域的研究现状和成果如何，教师可以在课堂上适时介绍给学生，尤其是重点阐述研究方法、实施步骤等内容，对学生进行科研方法与思路的指导。例如，在《细胞分化与基因表达调控》这一章节中，可以引入2012年诺贝尔医学奖获得者日本京都大学教授山中伸弥和英国的约翰戈登将细胞核重新编程的成果（即将成年体细胞重新诱导回早期干细胞状态，以用于形成各种类型的细胞，这一技术的实现免除了使用人体胚胎提取干细胞的伦理道德制约，将能避免异体移植产生的排异反应，为某些严重疾病的治疗提供了契机）。领域的杰出成果能够对现有课本知识进行补充，学生也可以通过专题文献查阅报告的形式交流科学界的新理念、新发现。
2在实验教学中锻炼学生的科研技能
实验教学是培养学生技能的重要途径，也是学生研究性学习的具体体现。通过一系列实验技能的学习和实践操作，学生将对所学的基础理论知识有更深刻更直观的理解，同时还可了解有关细胞生物学和细胞工程领域常用的研究手段和方法，为进一步深造和独立开展科研工作奠定基础。
2.1合理安排实验教学进程
实验课的进程应该与理论课的进程相辅相成，教学建立在科研基础上，科研促进教学的提高。
2.2改建实验课
1）通过验证性实验培养学生基本的实验技能。通过细胞形态结构的观察，学生可以掌握相差显微镜、偏光显微镜、暗视野显微镜、荧光显微镜等各类显微镜的结构、原理及其操作；通过对细胞组分的分离及观察，学生可以学会分离、纯化、活体染色等技术。在实验前，学生应该通过实验指导、网络等了解相关仪器设备，并了解其原理及操作，指导教师对所出现的问题进行指导，规范操作。
2）通过设计性和综合性实验培养学生分析和解决问题的能力。设计性实验、综合性实验要求学生以本课程的相关理论知识为基础，在具备一定的实验操作技能的前提下，通过查阅资料等富有创造力地独立完成实验设计，创新实验方案，这对学生的素质要求较高，因此也是培养学生分析和解决问题能力的良好手段。设计性和综合性实验的题目可以结合教师的科研项目拟定，从而不仅将教学与科研融为一体，而且可以集结众多人的智慧，推进教师的科研进程。
2.3撰写实验报告和科研论文
实验报告具有情报交流、保留资料的作用，学生在撰写验证性实验的报告时要如实地把实验的全过程和实验结果记录下来，对结果进行分析讨论时要加入自己的理解，拓展科研思维，也可以写出实验中遇到的问题、解决的方法、误差分析，并提出改进意见。
对于设计性和综合性的实验，撰写科研论文是学生展示科研能力、提高科研水平的重要手段，是需具备的基本功之一。
3教学改革效果
目前所使用的理论课教材为翟中和院士等主编的《细胞生物学》（第三版），本着研究性教学的理念，首先对部分章节如“细胞的能量转换——线粒体和叶绿体”尝试采用了研究性教学模式，学生利用课外时间积极查阅资料，认真思考，充分准备；课堂上以小组为单位首先提出自己的问题，然后讲解，各小组讨论、提问，最后总结。通过这样的方式，不仅学生的学习热情高涨，对知识的理解更为透彻，更重要的是，学生能发现问题并知道如何解决问题。接下来，又把一些问题留给学生，如在细胞的信号转导中，G蛋白耦联受体介导的信号通路广泛参与生命活动的诸多方面，而且该领域是一个正在迅速发展的领域，不断有新的发现。所以鼓励学生充分利用高校的期刊数据库获取相关研究进展，课堂上小组交流讨论，通过这样的方式学生获取了大量的信息，对该领域的前沿动态也有了一定的了解，极大地激发了学生的科研热情。在实验教学方面，将细胞生物学实验进行了课堂外的延伸，与大学生创新实验相结合，鼓励学生利用细胞生物学的知识去解决或探究某一问题，目前已有部分成果被国内重要的核心期刊所接受。研究性教学的采用，使细胞生物学教学质量有了显著提高。学生不仅在课前养成了独立思考的习惯，提高了自主学习能力，而且能在课堂上广泛参与讨论，交流思想，合作学习；学生对细胞生物学的理论知识和实验技能掌握得较为扎实，对细胞生物学的科学前沿有较敏锐的把握，利用细胞生物学基础知识、基本技能开展相关领域研究的能力得到了提高。总之，研究性教学模式从根本上发展了学生学习的主体性，为培养学生的创新意识、发展学生的科研思维能力提供了条件。教师应积极开展研究性教学的尝试与探讨，培养创新型人才。
参考文献
[1]翟中和，王喜忠，丁明孝.细胞生物学（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2011.
[2]卢晓梅，杨艳燕，居超明.生物学研究性教学的探索与实践[J].生物学杂志，2005，（3）：47-49.
细胞生物学的研究方向范文篇11
生长、修复和肿瘤的产生都涉及单层细胞扩张或“上皮扩张”的过程。例如，小的伤口会结痂，新生组织在痂皮下面的基质中生长，但最后，一层细胞会从未受伤的组织中迁移过来，形成新的外层细胞。
这一迁移过程的机制难以理解。推动细胞向前的是其内部的蛋白质网络，即“细胞骨架”，它们以每秒几微米的速度运动。但是，由于粘滞力的阻碍，整个细胞的运动速度慢了数千倍，只有每小时几微米。这种差别使科学家们在试图解释细胞迁移的控制机制时遇到了麻烦。细胞培养实验揭示了迁移过程中机械力的产生和空间分布，然而，一直以来，人们对这种机械力及其规律的理解还很不足。
西班牙加泰罗尼亚生物工程研究所和美国哈佛大学研究人员已发现一种研究这些力学规律的方法。他们在一个模具里培养了单层的犬类上皮细胞，然后移除模具，研究上皮的扩张。利用牵引力显微镜和单层应力显微镜等技术，研究人员在一个维度上对扩张的上皮和机械力进行了测量。出乎意料的是，他们发现在单细胞层的边形成了波浪状的“峰”，以大约两倍于细胞迁移的速度向内推进。
参与研究的哈佛大学的特勒帕教授说，从上方看，这种波有点像交通堵塞。细胞如汽车一样走走停停，整个细胞层的密度随之起伏。波的传递速度很慢，大约每天1毫米，将机械应力从单细胞层移动的前传递到细胞群的中央。虽然研究人员不能确定这种波的功能，但他们相信，它可能有助于控制单层细胞的移动。
美国卡内基’梅隆大学的生物医学工程师王玉立认为，这项发现进一步证明，细胞间的交流不仅依靠化学信号，而且依靠机械信号。
细胞生物学的研究方向范文篇12
距今大约350年前，英国博物学家胡克利用显微镜惊奇地观察到了植物的细胞壁，这是科学家首次提出“细胞”的概念。此后，这一领域吸引了一代又一代的科学家不断地探索，并由此揭开了许多细胞奥秘的面纱，对细胞“物流系统”的解析便是其中重要的一例。
作为生物体结构和功能的基本单位，单个细胞的个头很小，在显微镜下才能观察到，但其结构复杂，包罗万象，是一个微型的大千世界。细胞内部不但有细胞核、细胞质、内质网、高尔基体等功能不同的细胞器，更重要的是，细胞是动态的，它在不断的运动之中。细胞中制造的大量蛋白质、激素、神经递质等“货物”需要在各种细胞器之间运转，有的甚至要运送到细胞外去。例如，胰腺分泌的胰岛素产生后，就需要运送到细胞外，释放到血液中发挥降低血糖的作用。细胞内部就是如此的复杂而精确，只有当合适的蛋白质在正确的时间出现在正确的位置上，人体细胞的正常功能才能得以实现，人的身体也才能健康。
细胞如何组织它的“物流运输系统”，是个复杂的生物学基本问题。所谓囊泡运输就是指由于大分子物质及颗粒性物质不能直接穿过细胞膜，于是囊泡以出芽的方式，从一种细胞器中产生、断离后又与另一种细胞器膜融合的过程。这样一来，囊泡好比装载货物的“集装箱”。所以囊泡运输也被称为细胞的“物流系统”。多年来科学家也在孜孜不倦地探索其中的奥秘，2013年诺贝尔生理学或医学奖即授予“发现细胞内的主要运输系统——囊泡运输的调节机制”的三位科学家：来自耶鲁大学的詹姆斯·罗斯曼，加州大学伯克利分校的兰迪·谢克曼，以及斯坦福大学的托马斯·苏德霍夫。
这三位科学家的研究成果即是对囊泡运输如何在正确的时间抵达正确位置的机制的解答。简单来说，他们的主要贡献分别是：谢克曼发现了囊泡运输所需要的一系列基因；罗斯曼阐明了在囊泡与靶膜融合过程中发挥作用的蛋白质复合物；苏德霍夫则揭示了大脑中的信号如何从一个神经细胞传递到另一个细胞，并且钙信号是如何引导囊泡精确释放被运输物的。本文就分别介绍一下三位获奖者的科研经历及其主要成就。
谢克曼——“物流系统”的提出者
谢克曼1948年出生于美国，现年66岁，是三位获奖者中年龄最大的一位。他是毕业于名校的高才生。1974年谢克曼博士毕业于斯坦福大学，导师是著名的生物化学家科恩伯格（1959年诺贝尔生理学或医学奖获得者）。1976年，谢克曼加入加州大学伯克利分校，目前为该校分子与细胞生物学系主任。他同时也是霍华德·休斯医学研究院的研究员。谢克曼于1992年当选美国科学院院士。2006—2011年，谢克曼担任著名学术期刊《美国国家科学院院刊》的主编。
谢克曼从小就表现出对科学的极大热情。高中时，他就不断地准备科学项目，参加学校以及加州的各种科学竞赛。谢克曼着迷于在水里生活的各种微生物，因此当他得到了一个玩具显微镜时，便在自己的房间里，将所有的时间都用于追逐水里的各种能游泳的原始动物。他的父亲指出这只不过是一个“玩具”显微镜，谢克曼对他第一台科学仪器的热情受到了打击，父亲的“诋毁”令他沮丧，因此当时他下定决心要买一个专业的显微镜。他通过割草和做家务来挣钱、存钱，但由于他父母总是不断地从他这里“借钱”，导致他一直存不够买显微镜的钱。有一天，他实在是受够了，便骑着直行车来到警察局，告诉警察说，因为他的父母老是阻止他得到一台好的显微镜，他从家里跑出来了。从警察局将离家出走的儿子接回来之后，谢克曼的父亲一脸严肃。但是就在那个下午，谢克曼得到了一台博士伦显微镜，这使得他能以更专业的方式研究那些会游泳的微生物。
谢克曼对会游泳的微生物的“偏爱”也体现在他的科研工作中。在确立了研究细胞膜转运系统的研究方向后，考虑到哺乳动物的细胞过于复杂，谢克曼于是以非凡的勇气和智慧选择酵母作为实验材料。当时大多数科学家都认为酵母太低等，与动物细胞差别太大，不适合用来研究分泌机制，他的研究资助申请最初也因此被驳回。然而，由于他不懈的坚持，终于在这一领域获得了重大发现。因此，从这个意义上，可以说谢克曼是一位善于独辟蹊径，并最终闯出一片新天地的学者典范。
通过对这些突变体的遗传学和形态学上的研究，谢克曼发现是囊泡介导了内质网和高尔基体之间的交通运输。囊泡运输系统也就是细胞的“物流系统”。谢克曼研究组以酵母为实验材料，首先筛选了影响蛋白质分泌的酵母突变体。如果分泌蛋白的基因发生突变，酵母细胞内的分子运输就会发生障碍，而且不同类型的基因缺陷会导致蛋白运输被阻碍在分泌途径的不同阶段上。谢克曼对酵母突变体进行大规模筛选，最终获得一系列参与蛋白质分泌的基因，根据它们交通阻断出现的位置是在内质网、高尔基体还是细胞表面，可将其分为三大类。
利用无细胞体系，谢克曼纯化出来的第一个蛋白质是sec23基因的产物，该基因是内质网和高尔基体间物质运输所必需的。这个蛋白并不能独立发挥作用，囊泡从内质网中出芽还需其他六种蛋白质（Sec23，Sec24，Sec12，Sec13，Sec31和Sar1）。谢克曼将这几个蛋白质的复合物命名为COPII复合体。囊泡的外表面由蛋白包被，根据包被蛋白的不同，囊泡可以分为网格蛋白包被囊泡、COPI包被小泡以及COPII包被小泡等类型。其中，COPII包被小泡介导了物质由内质网向高尔基体的顺向运输，COPI包被小泡介导物质由高尔基体向内质网的反向运输。
发现COPII复合物之后，谢克曼又用了十几年对此进行深入研究。进一步研究表明，COPII不仅能帮助囊泡从内质网上出芽，而且能够招集正确的蛋白质货物。谢克曼系统地揭示了在囊泡运输所参与的分泌途径和囊泡与靶膜融合过程中所发生的事件。在此基础上，谢克曼提出了运输系统的概念，从而开创了囊泡运输分子机制研究的新领域。在谢克曼研究的基础上，科学家陆续发现了运输“集装箱”的各种“交通工具”。
罗斯曼——囊泡识别目的地机制的揭秘者
罗斯曼1950年出生于美国，在耶鲁大学获得硕士学位，1976年从哈佛医学院获得博士学位。1978年他进入斯坦福大学，开始了对细胞“物流系统”的研究探索。2008年，罗斯曼加入耶鲁大学，目前为该校细胞生物学系系主任。
罗斯曼探索了囊泡运输和靶膜融合的机制，并且通过生化研究提出了重要的SNARE模型，解释了囊泡融合是如何实现专一性识别，即“物流”运输过程中，“交通工具”是如果准确抵达并识别“目的地”的。
罗斯曼用生物化学的方法鉴定出了N-乙酰马来酰胺敏感因子（NSF）和可溶性NSF附着蛋白（SNAP），这两种蛋白相当于哺乳动物囊泡运输所用的“交通工具”。
有了“集装箱”，也有了“交通工具”，剩下的问题，就是将货物准确地送到目的地了。细胞物流的精髓便在于精确地转运和投放货物。要实现这一点，膜融合的过程就不能出现半点差错。囊泡与靶位点膜结构的融合过程包括两个事件：首先，囊泡必须特异性地识别目标膜；其次，囊泡必须与目标膜发生融合，从而释放内容物。
罗斯曼从牛脑组织中分离了SNAP的受体蛋白，即SNARE。SNARE是一种主要由α-螺旋形成的单跨膜蛋白，这种蛋白在囊泡和靶膜上均存在，囊泡和靶膜上的SNARE分别被称为v-SNARE和t-SNARE。罗斯曼发现，非常有趣的是，两种不同种类的SNARE存在着非常明确的数量关系。在此基础上，罗斯曼提出了囊泡融合的SNARE假说：囊泡和靶膜上的SNARE通过顺次发生的突触对接、激活和融合步骤，实现囊泡和靶膜的融合。该假说最本质的内容在于v-SNARE和t-SNARE蛋白之间的相互作用，只有当v-SNARE和t-SNARE两者特异性识别，才可形成拉链状的SNARE复合物，从而促进靠近的囊泡和靶膜实现融合。
罗斯曼的成就在于发现了细胞囊泡是如何在正确的地点进行释放的，正如现实生活中的物流，货物到了一个正确的目的地需要卸货一样。罗斯曼在获奖后表示，这个成就并非一夜的时间就可以获得，他在这方面的研究已经花费了数十年的心血。
现年60多岁的罗斯曼身材高大，是一位具有亲和力的“大块头”。中国科学院遗传与发育生物学研究所的一位研究员就曾介绍了这么一件趣事，他说：“2009年，我们曾邀请他来中国参加研讨会，因为他的‘大块头’，专门在预算之外为他买了一张头等舱的机票。”
谢克曼与罗斯曼：花开两朵，殊途同归
早在2002年，谢克曼和罗斯曼就因为在囊泡运输机制方面的研究而共同获拉斯克医学奖，该奖项为美国最具声望的生物医学奖项，被誉为诺贝尔奖的“风向标”。如今两人又共同获得诺贝尔奖，实在是颇有渊源。
细看两人的研究经历，可以发现有些差异是如此的鲜明。两人所用实验材料和研究方法不尽相同。谢克曼研究单细胞的酵母，罗斯曼用的实验材料是动物细胞；谢克曼通过筛选突变基因，即用遗传学的研究方法来研究问题；罗斯曼则是通过体外分离蛋白质组分，即用经典生物化学的实验方法研究问题。
谢克曼与罗斯曼的相同之处在于：首先，两人都与斯坦福大学结缘，谢克曼1974年于斯坦福大学获得博士学位，几年后，罗斯曼加入了这所学校并确立了细胞囊泡的研究方向。其次，两人都受大名鼎鼎的生化学家科恩伯格影响深远。科恩伯格是谢克曼在斯坦福大学读书时的恩师，几年之后他又成了罗斯曼工作时的系主任，并且给了罗斯曼重要的指导。再者，两人均揭示了囊泡运输机制的秘密，并同时获得科学界的最高荣誉，不得不让人感慨两人在事业上的异曲同工，在人生上的殊途同归。
苏德霍夫——囊泡融合时机奥秘的发现者
苏德霍夫是一位德裔美籍科学家，1955年出生于德国，曾就学于世界著名学府哥廷根大学。1982年他从该校获得医学博士学位，并于同年获得该校神经化学博士学位。1983年，苏德霍夫加入美国德州大学西南医学中心，在布朗和戈尔茨坦的指导下进行博士后研究，针对低密度脂蛋白受体在胆固醇代谢里的作用进行了研究。1985年，他的两位导师由于发现胆固醇代谢调节机理，获得诺贝尔生理学或医学奖。1986年，苏德霍夫在结束了博士后研究后，曾一度犹豫是继续做研究还是从事临床工作做医生。两位导师建议他继续从事研究工作，他听从了导师的建议并在西南医学中心有了自己的实验室。苏德霍夫于1991年成为霍华德·休斯医学研究院研究人员，2008年成为斯坦福大学分子与细胞生理学教授。2013年，苏德霍夫因在神经递质快速释放调控机制方面的发现而获拉斯克奖，因此也成为诺奖的热门候选人。果然，作为诺奖风向标的拉斯克奖再次言中，苏德霍夫获2013年诺贝尔奖。
苏德霍夫一直致力于对神经突触的研究。囊泡运输是所有细胞都具有的物质运输方式，但是神经细胞在囊泡运输研究中最具代表性，这主要是因为神经细胞内存在着一种特殊类型的囊泡——突触囊泡，它参与了神经递质的释放。钙离子能调控突触囊泡与细胞膜的快速的瞬时融合，其机制令苏德霍夫着迷。经过近30年的研究，苏德霍夫所取得的研究成果，使人们理解了信息如何在突触之间快速启动和精确控制。
苏德霍夫发现了在钙介导的囊泡融合中发挥关键作用的两个蛋白——complexin和钙结合蛋白，并解释了神经元中钙是如何调控神经递质释放的。钙结合蛋白，是一类进化上比较保守的单跨膜囊泡蛋白，拥有两个钙离子结合域，是钙离子感受器，细胞内游离钙离子可以与钙结合蛋白结合。在Complexin和钙结合蛋白的共同作用下，SNARE复合物得以形成，而且囊泡融合可以按照要求或快或慢地发生，神经递质得以释放。
在苏德霍夫获诺贝尔奖之后，其华裔科学家的妻子陈路同样受到了关注。陈路于1989年从无锡市辅仁中学考入中国科技大学生物系，2003年受聘于加州大学伯克利，现已是神经外科和行为科学的副教授。陈路同样在生命科学领域取得了杰出成就，2005年，她荣获“麦克阿瑟天才奖”，这也是极为难得的奖项。她和苏德霍夫育有两个孩子。
也许正是因为妻子是华裔，苏德霍夫曾多次来中国，对中国很有感情。苏德霍夫是2010年中国科学院爱因斯坦讲习教授获得者，曾于2011年参加中国科学院健康科学研究所第七届国际精英论坛等。他也为中国的囊泡转运机制研究培养了很多人才，北京大学的张晨、同济大学的徐俊、中国科学院生物物理所曹鹏等都曾是他的博士后。
“为了跳出框框思考，你必须首先有一个框框。”苏德霍夫如是说。他谈到科学训练的重要性，同时也强调必须以创造性的方式来利用知识。苏德霍夫是一位勤勉的人，像一个工作狂，工作到三更半夜是家常便饭。他也秉承德国人一贯的严谨认真，是一位勤恳执着探索的真正的科学家。
“物流系统”与人类健康
细胞生命活动依赖于细胞内的“物流运输系统”。没有囊泡运输的精确组织，细胞将陷入混乱状态。囊泡运输障碍可导致发育缺陷、免疫缺陷、阿尔兹海默病、自闭症、糖尿病、高脂血症等多种疾病的发生。例如，在对阿尔兹海默病发病机理的研究过程中，越来越多的证据证实，这种神经退行性疾病的发生与细胞囊泡运输系统相关。这些患者的神经细胞内的囊泡运输系统崩解，造成神经细胞间的通信障碍，并最终导致神经细胞的死亡，显现为患者的神经系统退行。
谢克曼、罗斯曼和苏德霍夫三位科学家的研究，从不同的角度为我们揭示了细胞内部复杂而又被精确调控的“物流运输系统”。这为我们了解细胞生物学的奥秘打开了又一扇窗户。他们的研究使我们了解了“物流运输系统”的奥秘，为准确清楚地认识相关疾病的发病机理提供了理论支持，有助于寻找相对应的药物，从而使人类能更好地战胜相关疾病。在他们研究成果的基础上，其他许多科学家进一步探索，使得我们对这一“物流系统”的了解更为深入。例如，最新研究表明，载有“货物”的囊泡也是有轨道的，囊泡在微管或微丝细胞骨架轨道上移动，可以高效精确地将各种货物定向运输。当然，三位诺奖获得者的研究工作也依然在继续，在细胞“物流系统”方面，尚有很多奥秘等待着他们去探索和揭示。
钙对囊泡融合时机的调控
