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
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，通過類似工程學(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��；④染色體工程育種；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50代次分化，而植物細(xì)胞沒有壽限。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)提高人類的生活質(zhì)量和健康水平，發(fā)揮著越來越重要的作用。
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，通過現(xiàn)代工程技術(shù)手段來生產(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害本身就是一種無污染的新興生物農(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)過有性生殖過程而得到雜種細(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)胞的融合過程是如何在基因控制下發(fā)生和發(fā)展的，人們一直沒有搞清楚。
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。它是一種按照人類的意愿，定向改變生物遺傳性狀的技術(shù)工程，即采用類似工程設(shè)計(jì)的方法，按照預(yù)先設(shè)計(jì)將不同來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、回交等方法來達(dá)到改變?nèi)旧�體的目的。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物理或化學(xué)方法將細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核分開，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。它是通過無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
經(jīng)典意義上，工程細(xì)胞即基因工程細(xì)胞，是經(jīng)過改造并被轉(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。通過改造的工程細(xì)胞獲得或提高了重組蛋白類藥物表達(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）�？梢哉f，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)�；�培養(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)�；�培養(yǎng)中的關(guān)鍵問題。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)模化培養(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)模化培養(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)說形成后，開辟了一個(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。
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
（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通過研究Schleiden的細(xì)胞形成學(xué)說，提出了“細(xì)胞學(xué)說”（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)胞來源于細(xì)胞”的著名論斷，進(jìn)一步完善了細(xì)胞學(xué)說。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。
1.2.1.3　細(xì)胞學(xué)的發(fā)展
（1）1839年，捷克人Pukinye用protoplasm這一術(shù)語(yǔ)描述細(xì)胞物質(zhì)，“Protoplast”為神學(xué)用語(yǔ)，指人類始祖亞當(dāng)。
（2）1879年，德國(guó)人Flemming觀察了蠑螈細(xì)胞的有絲分裂，于1882年提出了mitosis這一