医学细胞生物学常用技术(6篇)
医学细胞生物学常用技术篇1
过去――200多万到60多亿，高新企业创业史上的奇迹
冠昊生物的创立，来源于几个旅美华人学者想利用自己在美掌握的处理动物组织的新技术来发展我们中国人的高端医用产业的愿望。他们试图开发一类以动物组织为原料的天然生物材料，制成一系列生物型人工器官，如人工血管、人工韧带、人工食管、寿命更长的生物（心脏）瓣膜等等，并使之产业化。
动物组织是与人体组织在组成和结构上最相似的材料，都以胶原蛋白为基质组成，相应器官及组织的结构如胶原纤维的排列、层次等都高度相似。理论上说，动物组织是人工器官的最理想材料。各国生物材料研究者都在致力于开发以动物组织为原料的生物材料，用于制造人工器官及植入替代体。然而，由于动物组织有三大缺陷，一直没有取得重大突破。
缺陷一：稳定性差，易生物降解。
传统上，动物组织参照尸体的甲醛（福尔马林）保存法，用戊二醛交联胶原来稳定，通称固定。戊二醛虽比甲醛毒性小，仍具有相当毒性，用戊二醛固定的动物组织，植入体内会随着生物降解而释放出有毒性的戊二醛，毒害周围组织，这种长期残留的毒性造成动物组织难以在人体上应用。
当时，冠昊创办人发明了一种新的固定技术，并获得美国专利授权。这种技术可以使稳定性增加并可调控，固定产物降解时不会释放出有毒物质，生物相容性更好。几位创办人就是想凭这一技术打天下。
然而，动物组织还有其他两大缺陷：
缺陷二：作为异种组织，植入人体后会引起强烈的免疫排斥反应。
国内外一直以来都没有行之有效的办法来解决。曾有人试图用抑制人体免疫功能的办法来强迫人体接受这一异物，但收效甚微。
缺陷三：动物组织易发生不可逆变性，难用经典灭菌法灭菌。
无论是γ―射线辐照灭菌，还是高压加热灭菌，都使其发生不可逆变性，力学性能降低，大大影响其应用。
只靠一个固定技术，难以克服动物组织的固有缺陷；回国创业，“水土不服”，对国内情况尤其是医疗器械产业化的路径不熟悉；国有制风投、创投融资更偏向于搞稳健投资，不愿做冠昊生物这样风险较大的公司，使得几个创业者，一时难以融到资金。
出于无奈，公司的几位创办人只好通过朋友熟人来融资。资金有限加上技术不足，让冠昊生物近四年未能做出合格产品。只有投入，没有产出，有限的资金用完后，多数投资者不愿再注资，为避免负债扩大，经全体股东同意，公司宣告结业。到了结业遣散时，公司只剩下董事长朱卫平和一个职员，一个司机和两个技工共5人处理余下的事务。就是在这种情况下，朱卫平邀约徐国风来他的公司参观。
徐国风教授是中国生物材料领域的领军人物，中国生物医学工程学会的学术带头人及技术专家。早年曾在暨南大学创建国内第一所以生物材料为研究方向的生物医学工程研究所，成为当时全国生物材料学术交流的中心；参与创建了中国生物医学工程学会生物材料分会，担任分会的第一、二、三届秘书长长达12年；还和顾汉卿教授共同主编了国内第一本生物材料专著《生物医学材料学》，在生物材料的分子设计和再生医学工程制品研发方面皆拥有很深的造诣，拥有数十项中外专利；同时也是国内外最早倡导再生医学工程研究，倡导用生物模板原位诱导再生的学者之一。
一直以来，朱卫平都不相信天然生物材料这一很有前景的产业会这样夭折，认识徐国风后，心中那濒于熄灭的火焰，重新燃起了希望。带徐国风参观濒临结业的公司后，朱卫平问他是否有兴趣和信心将这奄奄一息的公司重新搞起来。徐国风答：“有！”
朱卫平当时说的话让徐国风记忆尤深：“徐教授，我给你50%股份，我们共同搞好这家公司，你不是为我打工，你是为自己打工。”
徐国风心里十分感动！他还是第一次遇到愿意分一半股权给自己的老板。知道朱卫平为企业付出的心血，徐提出朱55%，自己45%。
朱卫平就问：“徐教授，你认为你的技术值多少钱？”
“起码一百万以上吧。”徐不假思索脱口而出，说后暗暗后悔，觉得说少了。
朱卫平马上说：“好！你的技术值100万，占45%，那我出115万现金，占55%。”
就这样，朱卫平和徐国风从115万现金开始，重新把企业运作起来。显然，115万元是不够的，尤其当研发进入临床试验之后，需要投入更多，后来朱再投入100多万元，两人股份比例变为60%：40%。
重组后的研发进展很顺利。2003年重组，2005年，冠昊生物便拿到首个产品的试产证。有产品开始销售之后，很快融到了资金，新的资金注入让两人如虎添翼。这样，冠昊由200多万起步，经8年艰苦创业，至2011年在深圳的创业板上市，市值达40个亿，增值1600倍，创下高新企业创业史上的奇迹，现在市值已经超过60亿。
现在――以先进技术制胜，与进口产品争夺市场，创奇迹
多数情况下，国产产品与进口产品竞争，靠的是价格便宜。然而，冠昊生物的产品靠的是技术，不是低价。冠昊产品售价与进口产品相当，甚至某些规格比进口产品还贵，产品市场占有率却达40%以上，在国内外众多品牌竞争下，国内市场占有率第一。
徐国风谈到，在产品的市场开拓过程中，冠昊曾遇到过不少困难。由于产品属创新产品，许多大医院不相信这家小企业能够研发出。曾有医院对冠昊的销售人员说，“你回去吧，我们不会用你们产品的，我们手术刀、剪刀都是用进口的，何况你这类国产的产品！”许多医院都要经过冠昊反复讲解产品的技术特点，并经过多次免费使用，才认识到产品的优良品质。
然而，正所谓“真金不怕红炉火”，经过了两三年的耐心推广，冠昊生物的产品已逐步取代了进口产品，成为国内市场占有率第一的产品。
冠昊生物的优势之一，是拥有自主知识产权的核心技术。针对动物组织固有的缺陷，冠昊生物创建了四大核心技术，把动物组织变成可诱导人体组织或器官进行再生性修复的新型生物材料，并环绕这四大核心技术及其开发的产品，申请了103份中外专利，已获得授权的有90项，其中美国专利11项，加拿大6项，欧盟6项，日本6项，澳洲8项，俄罗斯8项，英、法、德各1项，中国42项。
这四大核心技术分别是：
①环氧固定技术。
用于固定动物组织，比传统的戊二醛固定法优越许多，无残留毒性，生物相容性好，稳定性可在较宽范围内调控，易于做到使降解速度与组织生长速度基本同步，有利于再生性修复。
②多方位去免疫原性（又称去抗原性）技术。
近年发展起来的免疫分子生物学及免疫化学发现，引起免疫排异反应的不是胶原蛋白整个大分子，而是分子中某些处于特殊能量位置的基团，这些基团数量不多，但有较高的能量，易被机体的免疫机制所识别，易引起免疫应答，称为抗原决定簇或抗原表位。冠昊生物设计了从多方面封闭抗原表位的方法，有效去除有关基团的免疫原性（即抗原性），将动物组织的生物相容性提升到一个新台阶。
③胶原蛋白分子的力学改性技术。
应用分子设计原理，冠昊生物通过适当交联及接枝的方法对胶原分子进行改性，提高其力学强度，以补偿因生化处理及灭菌处理所引起的力学损失，使生化处理及灭菌的自由度更大。
④富集生长因子及干细胞促进组织或器官再生性修复技术，也称诱导再生技术。
冠昊生物应用偶联剂引入能凝聚生长因子和干细胞的组份，使之能征集生长因子及干细胞，原位诱导组织或器官的再生。
依靠这四项核心技术，冠昊生物克服了动物组织的固有缺陷，开发出一大类生物相容性优异的天然生物材料，用于替代人体病变切除或外伤造成缺损的组织或器官，可诱导对有关组织或器官的再生性修复，这在无论国内国外都属于重大创新。
徐国风说：“我们原本只想开发一种以动物组织为原料，生物相容性更高的天然生物材料，用于制造组织或器官的替代体。然而在动物实验中发现，经过我们核心技术处理的动物组织材料，能在植入原位诱导组织或器官再生。我们分别诱导了兔和狗的硬脑膜再生；羊的前叉韧带再生；狗的胸段8cm食管的再生；最近还诱导了兔和狗的角膜（板层）再生。我们的生物型硬脑（脊）膜补片在临床应用了之后，不少神经外科的医生在二次开颅手术修补颅骨时，都观察到产品诱导出人的硬脑膜再生，他们都纷纷向我反馈，打开颅腔后发现原来的补片不见了，长出了一个完整的硬脑膜出来。有些医生还专门拍了照片发给我。事实上，我们应用自己创建的有自主知识产权的核心技术，以动物组织为原料开发除了一大类能在原位诱导组织或器官再生的新型生物材料，我们称之为再生医学材料。”
冠昊生物自主研发的再生医学材料及再生型医用植入器械产品技术指标均达到国际先进水平，填补了国内外产品的空白。目前，冠昊只有三个产品在销售。分别是生物型硬脑脊膜补片（脑膜建）、生物型胸普外科修补膜（胸膜建）、生物型无菌护创膜（得膜建）。而生物型组织补片、骨诱导型可降解吸收生物活性骨修复材料及其制品、微整形用耐吸收透明质酸交联凝胶、诱导再生型人工角膜、椎间融合器、疝补片等高新产品也正在研发。
未来――致力于发展再生医学产业链和产业群
徐国风描绘冠昊的未来是以已有的再生医学材料及制品为中心向周边发展相关产业，如关节软骨ACI技术治疗产业；角膜损伤的再生性修复产业；免疫细胞保存和治疗产业；再生医学院抗衰老产业；再生医学美肤嫩肤产业等等，最终形成再生医学产业群。
向周边扩展的第一步，就是干细胞、前体细胞、免疫细胞技术应用的产业化。
2013年，冠昊生物引进了ACI技术，应用膝关节软骨病变患者的自体软骨前体细胞与公司本身的再生医学材料结合（俗称“细胞+支架”），经过扩增培养后，再植入切除病变软骨的部位，使其在原位诱导再生性修复。
为此，在冠昊的研发大楼建立了符合国际标准的，通过GMP体系认证的细胞及干细胞培养室。并与有关医院合作建立了“前店后厂”的运作模式，开展了这一新医疗技术治疗。由医院收治患者，用关节镜微创手术切除病变软骨，同时取少量健康软骨组织，交由冠昊的细胞专家提取前体软骨细胞，在再生医学材料支架上进行扩增培养，再送回医院植入切除部位，在原位诱导再生性修复。目前已完成多例临床，效果良好。
通过多年的工艺优化筛选，冠昊已制出生物相容性高，可诱导角膜再生的人工角膜样品，并在兔和狗的角膜板层移植中诱导再生长出新的角膜板层。已送型式检验，准备进入临床试验。
自体免疫细胞经扩增后用于治疗癌症，疗效已获业界认可，还有理论认为，青壮年时期将免疫细胞保存下来，到了年长体衰时再注回身体，可增强身体免疫功能，令人精神焕发，仿佛回复到青壮年时的体魄，这被称为免疫细胞抗衰老。冠昊生物也引进了免疫细胞保存技术，结合自身研发的细胞扩增技术，用于癌症及抗衰老治疗。
徐国风坚信，这将会是一大突破，发展前景无限。他还特别提到IPS技术极有可能最先应用于皮肤，让皮肤细胞返老还童，让皮肤组织青春常驻。
将成体细胞（如上皮细胞）诱导其重编程，使其转化为近似于胚胎细胞的多潜能干细胞的IPS技术被认为是细胞层面的“返老还童”，是干细胞研究的最新成果。
2013年7月18日，国际学术权威杂志Science杂志刊登了北京大学生命科学学院邓宏魁教授和赵扬博士带领的研究团队在生命科学领域的一项革命性的研究成果――用小分子化合物诱导体细胞重编程为多潜能干细胞。这一发现引起学界的轰动。
依靠敏锐的触觉，冠昊生物马上与邓教授联系支持其研究，并与北大签订合作协议，组建北大――冠昊干细胞与再生医学研究院，开展技术研究和应用研究，成果的产业化由冠昊公司独家实施。
诱导成体细胞“返老还童”，最先是使用基因诱导，后来发现可以使用小分子多肽，而邓宏魁更进一步的发现只需要小分子化合物便可，重编程的应用前景可谓十分光明。
抢占先机与邓宏魁合作是朱卫平和徐国风引以为豪的一步，也是冠昊生物未来战略的重要一步。徐国风预测，该成果将首先应用于皮肤细胞，让部分皮肤细胞重编程为多能干细胞，再诱导分化为皮肤干细胞和皮肤各细胞的前体细胞（即年青的皮肤细胞）。
如果将这一技术运用到每天都用的美容化妆品上，就等于每天都能将一部分成年的，甚至即将进入老年的皮肤细胞“返老还童”为年青的、甚至是孩童时期的皮肤细胞，使皮肤、容貌青春常驻。引用水果保鲜的概念，又有学者称之为“皮肤保鲜”。
尽管目前这种诱导重编程的方法有着转化率不高的缺点，只有万分之几，甚至十万分之几，但对于皮肤保鲜来说已经足够。皮肤的衰老并非猝然，而是今天有万分之几，明天有万分之几的日积月累，缓慢老化。因此，只需要每天有万分之几的皮肤细胞“返老还童”，就足以减缓甚至对消这一老化过程，令人容貌青春常驻。
徐国风说要实现皮肤的“返老还童”，还需要解决许多实际的问题。例如，如何使诱导小分子能被皮肤所吸收，并进入与皮肤细胞发生作用的微空间，如何诱导多能干细胞分化成皮肤干细胞及皮肤各细胞的前体细胞等等。
对此，徐国风自信能与邓宏魁教授的团队一起研究解决有关应用的技术问题，并正计划兼并一家基础较好的化妆品公司，作为实施干细胞与再生医学嫩肤美肤的平台。
冠昊公司能否在不久的将来，开创出干细胞与再生医学美容新时代？徐朱这两人能否再创造出新的奇迹？和邓宏魁能否获得诺贝尔奖一样，都是令人着迷的问题。
医学细胞生物学常用技术篇2
[中图分类号]R445.9[文献标识码]A[文章编号]1005-0515(2010)-9-220-01
纳米(nanometer,nm)是一个长度单位,即十亿分之一米(1×10-9m)。纳米技术(Nanotechnology)是指在0.1～100nm空间尺度上操纵原子和分子对材料进行加工,制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新技术学科[1-2]。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科,在20世纪90年代获得了开创性的进展,研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米技术的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点,谁能在这一领域取得领先,谁就能占据21世纪科学的制高点。随着纳米技术的发展,纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学、纳米医学等分支学科也相继建立和发展起来。尤其重要的是这些学科正在发生相互融合、相互渗透[3-4]。
纳米技术与医学的结合形成了新兴边缘学科--纳米医学,纳米生物医学是纳米科技和生物医学结合的产物,是纳米科技的一个核心领域,即在分子水平上利用分子工具和人体相关的知识,从事疾病的检测、诊断、治疗、预防和保健等。生物医学起源于诊断,没有很好的诊断就不可能有很好的预防和治疗。目前随着科技的发展,生物医学诊断得到了前所未有的发展,各种检验诊断手段、仪器已是各式各样,在其迅猛发展的过程中纳米材料起到了关键作用。正是纳米技术在医学检测和诊断中的应用使人们在分子水平上对疾病有了更深的认识,更好的维护和提高了人类的健康水平。
1纳米探测技术在医学检测和诊断的应用
纳米探针是一种探测单个活细胞的纳米传感器,探头尺寸仅为纳米量级,当它插入活细胞时,可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤,而且纳米探针据不同的诊断和检测目的,将其植入并定位于体内不同部位,或随血液在体内运行,随时将体内各种生物信息反馈于体外的记录装置。该技术有着很高的灵敏性,可在含有10个原子/分子的1cm3气态物质中,在单个原子或分子层次上准确获取其中1个。医生可通过检测人的唾液、血液、粪便和呼出气体等,发现人体中只有亿万分之一的各种疾病或带病游离分子,用于肿瘤细胞的诊断与治疗。
扫描探针显微镜目前已经用于人体多种正常组织和细胞的超微形态学观察,而且可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性的异常结构改变,以解决肿瘤诊断的难题。另一种新型的纳米影像学诊断工具--光学相干层析术(OTC)已研制成功。OTC的分辨率可达纳米级,较CT和核磁共振的精密度高出上千倍,并且它不会像X线、CT、磁共振那样杀死活细胞。
2纳米生物芯片在医学检测和诊断的应用
纳米生物芯片与传统的生物芯片相比,纳米生物芯片具有以下几个特点:(1)采用微电子,高产而成本低;(2)高度敏感性;(3)减少了样品的数量;(4)使用纳米尺度上的固定方法,可以自主组装。这类型的生物芯片可以在血流中探测病毒、细菌和异常细胞。能即时发现病毒和细菌的入侵,并予以歼灭。也可以沿血液流动并跟踪镰状细胞贫血患者的红细胞和感染了病毒的细胞。目前,电场作用下自动寻址的细胞芯片已研究成功,既可用于基因功能研究与蛋白质亚细胞定位,又可用于监测基因与蛋白质的瞬间表达[5]。
3纳米细胞检疫器(纳米秤)在医学检测和诊断的应用
纳米秤又称纳米细胞检疫器,能称量10-9g的物体,即相当于1个病毒的质量。利用它可发现新病毒,可定点用于口腔、咽喉、食管、气管等开放部位的检疫。
4纳米传感器在医学检测和诊断的应用
纳米材料用于生物传感器是由Alarie和Vo-Dinh等人[6]于1996年提出的。纳米生物传感器利用其细小的尖端(仅为纳米量级)插入活细胞内,而又不干扰细胞的正常生理过程,以获取活细胞内多种反应的动态化学信息、电化学信息及反映整体的功能状态,以便深化对机体生理及病理过程的理解,例如利用纳米生物传感器可以探知会导致肿瘤的早期DNA损伤等;此外,纳米生物传感器和新的成像技术还能对疾病进行早期的检测和治疗[7]。
5纳米金属在医学检测和诊断的应用
PCR技术发展至今,不仅仅是实验室的“宠儿”,而是已经成为了诊断、治疗、科研开发等等各个生命科学领域的“必杀锏”。但是经过近二十年的发展,PCR技术依然存在这样或那样的问题,比如准确性,利用PCR技术来诊断疾病,假阴性、假阳性等现象屡见不鲜。造成这一问题的原因一般认为是由于在体外复制过程中缺少在DNA复制过程中担任“检测师”的SSB蛋白[8]。
解思深院士及来自中科院上海应用物理研究所以及上海交大的研究人员应用纳米技术升级了PCR技术,完成了“点金术”:他们将几千个直径为0.3纳米的金原子堆积在一起,做成一个个直径约几或十几纳米的纳米金球,加入PCR反应,结果发现纳米金减少了PCR复制过程中的出错率,并且提高了复制的速度和效率,这一研究获得了国际同行的认可。通过应用纳米技术,在DNA检测时,可免去传统的PCR扩增步骤,快速、准确,易实现检测自动化。这是一项新颖且重要的方法,它为分子生物学中最为重要的标准方法PCR开拓了进一步改进的途径,具有较大应用价值[8]。
6磁性纳米材料在医学检测和诊断的应用
纳米磁性颗粒在生物检测上的应用是仅次与荧光材料。各种磁性生物探针,磁性跟踪材料都已发展到了实用阶段。洪霞等选用葡聚糖包覆超顺磁性的Fe3O4纳米粒子,通过葡聚糖表面的醛基化实现与抗体的偶联,制得了Fe3O4/葡聚糖/抗体磁性纳米生物探针,在组装有第二抗体和抗抗体的全层析试纸上进行的层析实验表明该探针完全适用于快速免疫检测的需要,达到了层析免疫检测的目的[9]。
7纳米吸附材料在医学检测和诊断的应用
实验表明,做细胞分离的试剂聚乙烯吡咯烷酮可将表面包覆单分子层的直径30纳米粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中,通过离心可以使所需要的细胞分离。杨箐等撰文对聚合物纳米粒子在基因治疗中的应用作了探讨,证明了纳米聚合物粒子具有很好的吸附包覆作用,并已应用到动物型基因治疗的实验研究[10]。美国科学家把某种纳米颗粒“粘”在生物分子上,然后利用纳米颗粒的发光特性研究生物分子的活动情况。比人体细胞小得多的纳米颗粒可以被送进人的组织、器官内,用光线从人体外部向内进行照射,体内的纳米颗粒也会发光,这样就可以达到追踪病毒的效果。另外,纳米材料其他很多特性在生物医学检验中越来越多的被应用,如比利时的德梅博士等制备出多种对各种细胞器敏感程度和亲和力差异很大的金纳米粒子--抗体复合体纳米材料,与细胞器结合后在光镜和电镜下很容易分辨各种细胞内结构。
随着人们对疾病防治及保健概念的转变,医学实验诊断技术也必然向着相应的方向发展。纳米技术与生物医学的结合,为医学界提供了全新的思路,纳米材料在医学领域的应用取得了显著效果。但纳米材料应用还很有限,尤其是在生物医学方面还需大量临床试验予以证实,使得纳米材料在生物安全性方面的应用有待进一步提高。同时由于相关技术的不断突破,必然促使纳米医学实验诊断技术加速发展。随着纳米材料在生物医学领域更广泛的应用,医学检验和诊断将变得节奏更快、效率更高、更准确。
参考文献
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医学细胞生物学常用技术篇3
作为一个中医药学的学生，不仅要研习传统医学，还需关注生物医学日新月异的进步和发展。因为这会为我们以后分析和处理疾病，提供更多的思路和可能采用的方法。
在上大学三年级的时候，我学习了《病原微生物和免疫学基础》这门课程，当时我就对利用生物本身的特性来解决病理问题很感兴趣。在和老师讨论细胞复制问题时，我提出一个设想――利用癌细胞快速增生和复制的特性，在其细胞内部植入需要大量复制的健康细胞，以用来产生出更多的人体需要的细胞。这一想法与老师当时所做实验的初步科研思路不谋而合，但老师提示这样做可能不能达到预期的目标，因为正常细胞植入癌细胞后，可能它的基因会不表达。虽然我这次粗糙的想法是不可行的，但是我的学习兴趣却油然而生，我开始喜欢读关于生物医学的杂志和新闻，也的确从中获得了很多新鲜的知识。
课余时间，我通过借阅杂志和浏览网站了解了很多最新的生物医学知识，一些新技术的确为医学发展带来了新的方向。
抗腐细菌的发明――牙齿上的细菌会把糖转化成乳酸，乳酸腐蚀牙釉质，导致蛀牙。总部设在美国佛罗里达州的一家公司已经设计出一种新菌株，这种菌株不会产生乳酸，而是释放出一种可以杀死由自然腐蚀导致变种的抗生素。目前这种新菌株正在接受临床试验，牙医只要将它们涂抹在牙齿上，就能确保牙齿永远健康。
人造淋巴结――日本理化学研究所的科学家已经研发出人造淋巴结。淋巴结对人体非常重要，它可产生具有抗感染功能的免疫细胞。虽然有一天医生可能会用人造淋巴结取代患病的淋巴结，但是最初人们或许只会把它们当作特意定制的免疫增强剂。医生利用特定细胞填充这种淋巴结，就能治疗癌症或艾滋病等特殊疾病。
可吸收性心脏支架――心脏支架可撑开变窄的动脉血管壁，避免血管堵塞，防止冠心病发生。药物洗脱支架释放药物，防止动脉血管再次变窄。伊利诺斯州雅培公司制成的这种生物降解支架比药物洗脱支架更加先进。和金属药物洗脱支架不同，它在阻止动脉变窄后，会被动脉壁吸收。这种支架进入动脉血管6个月后开始分解，2年后完全消失，留下的是一根健康有活力的动脉。
医学细胞生物学常用技术篇4
2013年初，国际科学权威杂志《自然》（Nature）了“新年新科学”，预测在新的一年有可能发生的重要科技发现中第一位便是干细胞试验。
而在2012年12月，日本科学家山中伸弥（ShinyaYamanaka）与英国科学家约翰？格登（JohnGurdon）获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。山中伸弥是诱导多功能干细胞（iPScell）创始人之一，他的获奖也实至名归，因为他的发现对于干细胞研究领域太重要了，有了iPS细胞，一些严重的风湿病、瘫痪、脊髓受伤等疾病才有了被治愈的可能。
近期，山中伸弥与Linux操作系统创始人努斯？托尔瓦兹共同荣获了2012千年技术奖。这一奖项每两年颁发一次，以表彰在科研或发明领域取得重大成就的个人或团体。此外，山中伸弥也于去年在美国获得了诱导多功能干细胞（iPS细胞）培养技术专利，有效期20年。这也是日本相关技术在美国获得的首个专利。
干细胞与医学
干细胞即为起源细胞。干细胞是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞，因此干细胞在医疗中具有广泛的应用空间。比如骨髓间充质干细胞在体内或体外特定的诱导条件下，可分化为脂肪、骨、软骨、肌肉、肌腱、韧带、神经、肝、心肌、内皮等多种组织细胞，可作为理想的种子细胞用于衰老和病变引起的组织器官损伤修复。
但到目前，全球范围内干细胞移植疗法大多数还处于临床试验阶段，其中进入三期临床的有30多个产品。主要临床研究集中于骨科、皮肤、心血管、癌症、糖尿病、创伤修复、血液病、泌尿系统、牙科、眼科等领域。
更多的干细胞领域的科学证据则给传统的医学带入了新的视角。比如2012年6月，加州大学伯克利分校研究人员利用基因跟踪技术寻找到了血管疾病的真正罪魁祸首。一种以前未知类型的干细胞——多功能血管干细胞是血管疾病的主要诱因。
这是第一次有证据表明血管疾病其实是一种干细胞疾病。这项工作应该彻底改变血管疾病的治疗方式，所以目前中国的自然科学基金、863、973等科学基金中对于干细胞的研究也进行了大量的立项工作。这也为之后干细胞在临床中的应用做好基础性的工作。
开启干细胞产业大门
2012年5月17日，加拿大卫生部批准了Osiris公司生产的”伯如凯茂”干细胞药物上市销售。
该药成为世界上第一款经发达国家批准的用于治疗异体抗宿主病的非处方间充质干细胞药物，并获得了在该领域长达8年半的独家生产类似产品的排他性权利。这种药物主要针对急性移植物抗宿主病（器官移植后的排异反应症）、克罗恩病、急性放射性并发症、I型糖尿病、急性心肌梗死和肺病等病症的治疗，是目前惟一批准的具有修复心脏病后组织损害、保护Ⅰ型糖尿病病人胰岛细胞和修复肺病病人肺组织疗效的干细胞治疗药物。
2012年6月和9月，继在加拿大市场获批之后仅仅不到一个月的时间，新西兰医疗管理局和瑞士医药管理局也批准其在本国进行合法销售。Osiris公司的动态也受到了整个生物医药行业的集体敬礼。而这也成为了干细胞产业的大门开启的标志性事件。
随后，众多知名企业嗅到了干细胞产业的商机。就在2012年末，GE医疗集团宣布与细胞动力学公司（CellularDynamicsInternational，CDI）签署了一项许可协议。根据协议，GE医疗授权CDI开发、生产、销售源于诱导性多能干细胞的细胞分析检测产品及模型。这些产品及模型可用于药物发现及毒性筛选。
干细胞产业分为三部分：第一部分处于上游，干细胞制备主要原料脐带血储存；第二部分处于中游，干细胞提纯制备；第三部分处于下游，干细胞介入治疗，这一部分都集中在医院。
目前，上游的脐带血储存和中游的干细胞提纯制备技术相对成熟，中国北京，天津，广州，重庆、上海等地都建立了脐带血库。目前一份新生婴儿脐带血干细胞保存20年费用约2万元。北京脐带血库建立于1996年，是卫生部批准的首家脐带血库。
到2012年，北京脐血库库存达到15万份。北京市留取脐带血的孕妇数量占当年分娩量的比重已经达到了近20%。目前北京脐血库已经建立起中国脐血查询网，数据库系统已收录了2.3万份配型数据。
而中游的干细胞提纯制备技术也基本成熟，目前免疫磁珠分离法得到了广泛应用。但在下游的介入治疗阶段，整个行业目前还处于探索阶段。从目前的研究趋势来判断，临床级细胞的获得与培养、功能性成体干细胞的获得、iPS细胞治疗策略、干细胞治疗临床实验设计与应用、干细胞移植的免疫学基础、肿瘤中的干细胞确定等问题还有待解决。
美国《新科学家》报道称，第一例含有iPS衍生细胞的临床试验可能在2013年开始。日本神户市理化研究所发展生物学中心的高桥雅代（MasayoTakahashi）计划利用iPS细胞培养视网膜色素上皮细胞，用以治疗老年性黄斑变性导致的失明。
目前，中国干细胞治疗临床实验及应用主要的研究单位为中国科学院动物研究所、中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国医学科学院组织工程研究中心、中国科学院上海药物研究所、中山大学、第三军医大学、浙江大学、复旦大学、北京大学、中国人民总医院等。主要的应用领域包括心脏功能缺损修复、神经修复、软骨修复、视网膜再生、皮肤再生、人工肝构建、胰岛损伤修复等。
令人欣喜的是，在现有的研究技术条件下，一些技术发展得相当迅速，并取得了一定的成果。比如骨髓间充质干细胞已经成功地用于治疗缺血性脑卒中、脊髓损伤、糖尿病等。2011年，美国科学家罗伯特？兰扎将人体胚胎干细胞分化培育成视网膜细胞，然后在两名失明患者眼里各植入5万个视网膜细胞，术后一名患者如今能独自行走、用电脑、倒咖啡，另一名患者能辨识颜色。
2012年5月，美国PluristemTherapeutics公司一名罹患骨髓疾病的7岁女童进行干细胞疗法治疗后，其病情显著好转。截止到2012年，北京市脐血库已为临床应用提供400余份脐带血，用于白血病、淋巴瘤、再生障碍性贫血等36种疾病的治疗及临床研究，北京市脐血库已经成功挽救了400位患者的生命。
综合来看，目前干细胞的治疗技术正在中国和许多国家积极地展开。中国的863和973计划中，干细胞领域是立项最多的一个。生物及医药工业“十二五”规划中均明确指出要积极开展干细胞等细胞治疗产品的研究，重点研发针对恶性肿瘤、自身免疫性疾病等重大疾病的干细胞和免疫细胞等细胞治疗产品。与此同时，发达国家也在积极地推进干细胞治疗中的应用。
医学细胞生物学常用技术篇5
大奖揭晓：英日科学家折桂诺贝尔生理学或医学奖
斯德哥尔摩时间2012年10月8日11时30分（北京时间10月8日17时30分），举世瞩目的2012年诺贝尔生理学或医学奖在瑞典首都斯德哥尔摩卡罗林斯卡医学院揭晓。因在细胞核重编程研究领域作出重大贡献，英国科学家约翰·格登和日本科学家山中伸弥（ShinyaYamanaka），共同分享了这一奖项。
格登就职于英国剑桥大学以他的姓氏命名的研究所——格登研究所，山中伸弥则在日本京都大学和美国加州大学旧金山分校两地工作。两人可能获奖的预测早已广为传播。但也有推断诺贝尔奖可能先授予戈登，然后是从事克隆羊“多莉”研究的英国科学家伊恩·维尔穆特和基思·坎贝尔，再后来才会轮到山中伸弥。如今，坎贝尔已经作古，为维尔穆特鸣不平的呼声空前。
格登在一项被诺贝尔奖评审委员会称之为“经典”的实验中，发现细胞的特化是可以逆转的。这一实验首次证实了已分化细胞可通过核移植技术，将其重新转化为具有多能性的干细胞。1962年，格登的研究成果在英国《胚胎学与实验形态学杂志》上发表。
山中伸弥利用基因技术，通过对小鼠的成熟细胞重编程，诱导成功具有分化能力的诱导多能干细胞（InducedPluripotentStemCells，简称iPS细胞）。2006年，著名的美国《细胞》杂志发表了这一具有里程碑意义的研究成果。
诺贝尔奖评选委员会在当天的一份新闻稿中称，两位获奖者的成果具有奠基性意义。他们的发现，彻底改变了人类对生物发育和细胞特化的认识，改写了教科书，建立了新的研究领域。这不仅为再生医疗开创了新天地，也为整个医学研究的发展和疾病的诊断、治疗，带来了新的契机。
对于自己的获奖，格登在一份声明中说：“我非常感谢得到了这样的认同，并且很荣幸与山中伸弥一同获奖，我特别高兴地看到纯粹的基础研究已经被证明确实对人类健康福祉具有重要意义。”而山中伸弥则表示：“我感到非常高兴，同时也体会到巨大的责任。我毕生的目标便是将这种干细胞技术带到病床边，带到病患前，带到诊所中……”他这番话也说出了所有细胞核重编程技术研究者的心声。人们研究细胞核重编程的最终目的，就是让这项技术能够为人类的健康服务。
约翰.格登：用“细胞核重编程”克隆出新动物
所谓“细胞核重编程”，就是将已经分化了的成年体细胞进行诱导，让其重新回到发育早期多能性干细胞状态，重新获得发育成各种类型细胞的能力。通俗一点讲，就是在细胞层面实现“返老还童”。
1962年，约翰·格登做了一个划时代实验：将美洲爪蟾卵细胞内不成熟的细胞核移除，然后把美洲爪蟾的成熟肠细胞的细胞核注入其中。结果发现，一部分卵依然可以发育成蝌蚪；其中的一部分蝌蚪，可以继续发育成为爪蟾。
格登的实验说明：处于高度分化状态的体细胞可以通过重编程手段发生逆向的转变，回到早期胚胎的未分化状态，且具有发育为整个成体动物个体的潜能。这一发现对当时科学界关于细胞命运不能逆转的传统认知产生了挑战，是细胞重编程领域的里程碑成果。格登的发现，也开创了一项重要克隆技术的先河——体细胞核转移技术（Somaticnucleartransfer，简称SNT）。科学家可以用这一技术，将体细胞核转入卵细胞，使得该细胞具有重新转化为具有多能性细胞的潜能。
这一领域的突破来自于多莉羊的实验，这个实验将从成体羊身上分离出来的，并且在体外培养的乳腺细胞的细胞核，移植到去除了细胞核的羊卵内，从而产生出正常成体羊。多莉羊以及后来的探索研究表明，可以利用成体哺乳动物的细胞核来完全逆转细胞分化过程；并且暗示，这一个机制可能也适用于人类。
细胞核重编程对任何医生来说都是一个巨大的诱惑。想象一下，他们只需要一个细胞经过一段时间的培养，就可获得大量各种身体组织。这些组织又可以任意用在损伤的器官的修复上面。更妙的是，这些细胞都可以是患者本人的。医生再也不需要考虑来自其他人的细胞或者器官所带来的可能致命的免疫排斥反应了。
可惜实际操作并没有那么简单，早在上个世纪30年代，1935年诺贝尔医学生理学奖获得者汉斯·斯佩曼就发现，一种细胞要转化为另外一种细胞，需要的是周围细胞的诱导。斯佩曼发现，如果想把一个胚胎细胞培养成眼睛的晶状体，那只有在周围存在视杯细胞的情况才能发育出来。而如果你想获得视杯细胞，必须在周围有神经外胚层细胞才可以发育出来。如果你想获得一个有功能的肾脏，那么肾脏周围的各种器官组织一个也不能少。这可太邪恶了。也就是说，你得让一个完整的胎儿各种器官都发育出来了，才能够得到这个肾脏。但从一个发育完整的胎儿身上取下一个肾脏，则无异于杀人。幸运的是，日本科学家山中伸弥发现，我们也许不需要一个完整的胎儿就能够获得想要的各种细胞。
山中伸弥：用基因技术制造出“诱导多能干细胞”
在格登42年后的2006年，山中伸弥利用逆转录病毒作为载体，将外源的4种转录因子（它们分别是：Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4）导入小鼠成纤维细胞，诱导小鼠成纤维细胞“重编程”，逆转至多能干细胞状态。这就是第一批的诱导多能干细胞——iPS细胞。
2006年6月，山中在京都出席国际生物化学与分子生物学大会时宣布，首次发现将4种基因植入小鼠的皮肤细胞可制成多能干细胞。同年8月，他在美国科学杂志《细胞》上发表了论文。为医学及生物学带来革命的诱导多能干细胞至此登场。当时正是韩国首尔大学教授黄禹锡胚胎干细胞论文造假问题败露后不久、再生医疗研究的前景陷入迷茫之际。诱导多能干细胞的出现犹如一颗星辰划破夜空，相关研究的竞争一触而发。
2007年，山中伸弥又对人的成体细胞进行了研究，获得了同样的结果。他们采用的成体细胞分别来自一位36岁女性的表皮细胞和一位69岁男性的结缔组织细胞。也在2007年同一年，美国威斯康星大学的詹姆斯·汤姆森（JamesThomson）团队的研究验证了山中伸弥等人的成体干细胞可以逆转的结果。汤姆森等人采用的是胎儿的皮肤细胞以及一个新生儿的包皮细胞，这些细胞也是成体细胞。不过，汤姆森等人采用的诱导基因并不完全等同于山中伸弥等人采用的基因。这两个团队都采用了Oct4和Sox2基因，而汤姆森等人采用的另两个基因是Nanog和Lin28，山中伸弥等人采用另两个基因是Klf4和c-Myc。
山中伸弥和詹姆斯·汤姆森的壮举，标志着我们可以将人的体细胞转变成类似胚胎干细胞的多能性干细胞。这项研究预示着，我们将可能利用诱导多能干细胞技术进行人类疾病研究和再生医学研究。至此，人类在将体细胞转变为干细胞的道路上实现了第一次突破。
随后的研究中，其他多个物种包括大鼠、猪和猴子等的诱导多能干细胞陆续被建立起来。这些物种的诱导多能干细胞的建立，对于转基因动物还有多能性维持机制的研究，都具有重要意义。同时，科学家成功诱导了多种遗传疾病的诱导多能干细胞。
这种通过将完全分化的细胞核重编程，不经胚胎阶段而直接逆转至多能干细胞状态的诱导多能干细胞，拥有明显的优势：一是制备方法简单，只需要将几个关键的与细胞多潜能状态有关的转录因子转入体细胞并使其表达就可以了；二是它们可使用成人的细胞制成，不需要人类的胚胎，避免利用人类胚胎制造多功能干细胞引发争议；三是诱导多能干细胞可用从罹患某种疾病的患者身上提取的组织或细胞制成，这样，科学家们就可以根据该病人的基因，“量体裁衣”地为其设计治疗方案。
科学家们认为，这种利用基因技术将完全分化的细胞核重编程，不经胚胎阶段而直接逆转至多功能干细胞状态的诱导多能干细胞，在再生医学领域拥有重要的应用潜力，在建立疾病模型、药物筛选方面也将“大展拳脚”。心肌梗死，肝硬化，甚至断了手脚，都能用干细胞造出“备份零件”重新修补上，这一诱人前景早已被无数媒体或商家所描绘。比如从人的皮肤上取一点细胞，然后还原到干细胞，再对干细胞进行重新编码，就可以让这个皮肤细胞变为心脏细胞，重新植入到心脏内。这样就可以替代心脏坏死细胞，不会有排斥反应，还可以应用到帕金森综合征、脊髓损伤等疾病上。
细胞核重编程研究很像一部鸿篇巨制，过去数十年的研究帮我们翻开了这本巨著，但是对于重编程的机制我们依然感觉非常茫然。我们到现在为止还不能够完全明晰哪些因子在重编程中发挥了作用，它们之间又是如何相互作用的。因此，重编程的机制研究在很长一段时间内都会是重编程领域内的重要问题，想要完全揭示重编程的机制可能还有很长的路要走。
潜能巨大：诱导多能干细胞研究如火如荼
近年来，诱导多能干细胞的研究热潮持续高涨，并取得了令人瞩目的进展。
哈佛大学乔治·戴利实验室利用诱导细胞核重编程技术，把采自10种不同遗传病患者的皮肤细胞转变为诱导多能干细胞，这些细胞将会在建立疾病模型、药物筛选等方面发挥重要作用。哈佛大学另一家实验室则发现，利用病毒将3种在细胞发育过程中起重要作用的转录因子引入小鼠胰腺外分泌细胞，可以直接使其转变成与干细胞极为相似的细胞，并且可以分泌胰岛素，有效降低血糖。
2012年4月，来自宾夕凡尼亚大学医学院的科学家们，开发了一种创新的细胞核重编程技术——微RNA介导（microRNA）。利用这一新技术，研究人员首次绕开4个转录因子生成了诱导多能干细胞，并将重编程效率提高了100倍。已证实，利用这一新技术生成的诱导多能干细胞，能够分化出小鼠的大部分组织，包括生殖细胞、卵子和。在采用微RNA替代四个关键的转录因子基因之前，研究人员每重组10万个成体细胞只能获得不到20个的极少数诱导多能干细胞。而最新研究中，研究人员利用微RNA介导新技术诱导10万个人类成体细胞，生成了大约1万个诱导多能干细胞。
不过，现阶段诱导多能干细胞离医疗临床应用还有一定距离，更不能让人“返老还童”、“长生不老”。不断有科学家指出，诱导多能干细胞的发展遇到了几只“拦路虎”。首先是细胞重组的效率低，其次是基因的致癌性以及介导这些基因的病毒载体的应用。已经发现，山中伸弥和其他研究小组利用生成诱导多能干细胞的一个叫c-Myc的基因，本身就是一种致癌基因。部分原因可能就是，c-Myc不仅能促使生成干细胞，也能促成癌生长。最早的iPS细胞诱导过程中使用了病毒，而病毒插入可导致诱导多能干细胞的基因组不稳定，因此带来致癌等风险。
临床上较为迫切的需求是，能够从罹患遗传性疾病或其他疾病患者体内提取诱导多能干细胞细胞，并将其在体外重新分化，以了解疾病发展进程，或建立以细胞为基础的研究平台，进行毒性检测或药品研发。目前，已取得包括肌萎缩侧索硬化、脊髓性肌萎缩、α1-抗胰蛋白酶缺乏症等疾病在内的相应人体诱导多能干细胞，并已建立长QT间期延长综合征等心血管疾病的诱导多能干细胞获取模型。此外，体外分化诱导多能干细胞模型，还可模拟一些晚发性疾病进程，如阿尔茨海默病、脊髓小脑共济失调及亨廷顿病等。然而，对于某些疾病，尤其是造血系统疾病，目前仍缺乏明确的体外诱导多能干细胞分化方案，从而限制了诱导多能干细胞在这些领域的研究。
医学细胞生物学常用技术篇6
关键词：生物工程；人工生命；组织工程；人工组织；人工器官
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.22.095
0引言
从广义层面上来说人工生命即为具备有人的生命指征、功能、结构以及外在形象的人工制造系统，是人对于自然生命的一种模拟与拓展。广义上的人工生命是多门学科合并之后的产物。一般认为人工生命学科是由生物科学技术与工程科学技术所结合而产生出的一门学科。下文将主要就针对材料技术型生物医学工程与组织工程、人工生命间的相关性，以及材料技术型生物医学工程、组织工程、人工组织及器官展开具体的论述。
1材料技术型生物医学工程
此种工程学科的主要研究目标即为各类生物材料及人工器官组织，其中就涵括了组织工程学科。在此方面研究工作中涵括有材料科学、生物科技、化学、信息技术、计算机技术、医学以及生命科学等多门学科的基础知识。
生物材料也就是对于生物体进行临床诊治以及将其受损组织器官替换下来，亦或是增强人体某一部分功能的材料，因此就必须要求其能够植入到人体当中并不出现排异反应，确保活体细胞可以在此材料之上自然生长。生物材料亦可被视作构成人工组织与器官的核心材料。生物医学材料在未来一段时期的主流发展趋势，即为给予组织工程的发展提供优势特性显著的活性生物材料，应确保其具备良好的生物相容特点；亲水特性；性；预防组织粘附特性；抗炎特性；抗凝特性等。以保障活体细胞能够在所制成的人工材料上生长并对病变组织起到良好的改善、恢复效果，使之免疫识别与生物催化性能得以有效提高。
依据生物医学材料的属性可将之主要划分为以下几种：
（1）无机非金属生物材料。①同人体组织力学间具备良好的相容性，同时还可改善组织生长的材料。②具备人体有机以及无机结构的复合型材料。
（2）金属生物材料。①毒性较低，弹性模量更加符合入骨特点的合金材料。②各种植入人体当中的器械材料，如较为常见的人工关节、种植牙、心脏支架等。③接入性诊治所采用的医疗器械设备如官腔支撑架、引导丝等。
（3）生物医用高分子材料。①可将血液之中的毒副物质吸出的材料。②能够在临床上应用于免疫性病症治疗的材料。
2组织工程与人工组织
目前临床上所面临的主要医学问题当中主要就包括了组织与器官的衰竭、损伤，而临床上在应对此类问题时所较常采用的措施方法主要包括以下三方面：
（1）自体移植。由人体自身的部分组织来对损伤位置进行修复，例如，对面部皮肤大面积烧伤患者进行面部手术修复时通常会取其自身大腿位置的皮肤来进行修复损伤组织。
（2）异体移植。例如，某患者在遭遇意外事故时，家属自愿将其身体部分组织如眼角膜、肾脏等组织捐献给有需要的人。然而此种情况时常会出现异体组织的兼容性问题，同时需要被捐助的人员与每年的捐献人数相比差距过大，供体不足情况十分显著。
（3）人工器官。这种方式能够彻底解决供体不足的情况，但是其目前所存在的问题也是十分显著的即异体反应与感染情况十分明显，绝大多数的患者在接受器官移植后都是应各类感染致死。
对此人们也就设想若是能够采用母体细胞以及生物降解材料在人体当中构建起新的组织器官，也就是进行结构组织，代谢组织以及细胞系统的重新建构。目前这一设想已经不再是仅存在于人们脑海之中的假想，而已经走进了现实生活当中，可以预见组织工程的发展必将会促成这一设想的实现。
当前，组织工程研究的主要内容即为：适宜的母体细胞来源；能够为细胞粘附生长提供空间的细胞外基质；可应用在促进细胞组织再生长的因子；以及组织间的相容性。
开展组织工程通常会应用以下三种策略：（1）细胞以及生物材料的杂化体系，例如由小块活体组织将特异细胞分离出来，通过体外扩散增大之后种植于生物相容性较好同时能够生物降解的聚合物所建立起的多孔支架当中，在体外培养一段时间后可将细胞和支架结构置入于患者体内；伴随着组织缺损部位的重新构建，聚合物将会逐渐降解并消失。（2）仅具备生物降解材料体系，借助于生物生长方式促使细胞成长为多孔支架结构，在通过增殖、分化来产生为相应的组织结构，并且与周边组织相整合。例如采用珊瑚骨加支撑的羟基磷灰石陶瓷，其孔隙架构与人体骨架构极为接近，可被应用在骨组织工程支架中。（3）细胞体系，经过移植的细胞经由生物过程演变为微结构。
3结束语
总之，从广义性的角度上来说人工生命必须要基于工程科学技术、生物科学技术以及生物工程科学技术的基础上。因而大量的工程、生物以及生物工程均是广义上的人工生命科学技术基础。材料技术型生物医学是工程的研究对象主要是生物材料与人体的各个身体器官。组织工程则是借助于生命科学以及工程科学的基础理论与方法，来探究并开发出具备修复以及改善人体组织器官功能的新型临床应用取代物，也就是人工组织，因而材料技术性生物医学工程以及组织工程也便是生物工程人工生命的基础。
参考文献：
[1]杨国为，陈国江，涂序彦等.广义人工生命的科学基础（Ⅱ）--生物工程基础[J].计算机工程与应用，2013（09）.