細(xì)胞生物學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

周子航

摘 要 細(xì)胞生物學(xué)是當(dāng)代發(fā)展迅速且活躍的學(xué)科，其研究的新知識(shí)、新技術(shù)不斷向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域滲透，已成為認(rèn)識(shí)疾病發(fā)病機(jī)制，獲取疾病防治措施的基礎(chǔ)和推動(dòng)力。文章從五個(gè)方面介紹細(xì)胞生物學(xué)與醫(yī)學(xué)之間的緊密聯(lián)系。

關(guān)鍵詞 細(xì)胞生物學(xué)與醫(yī)學(xué) 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 干細(xì)胞 基因

中圖分類號(hào)：R329.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.04.030

Abstract Cell biology is a rapidly developing and active discipline. Its new knowledge and technology are constantly infiltrating into the medical field. It has become the basis and driving force for understanding the pathogenesis of diseases and acquiring disease prevention and control measures. Next， we introduce the close relationship between cell biology and medicine from five aspects.

Keywords cell biology and medicine； signal transduction； stem cells； gene；

細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)是醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)和支柱學(xué)科。醫(yī)學(xué)要解決的問題是闡明人的生、老、病、死等生命現(xiàn)象的機(jī)制和規(guī)律，并對(duì)疾病進(jìn)行診斷、治療和預(yù)防。人的生命活動(dòng)都是以細(xì)胞為單位進(jìn)行的，細(xì)胞正常結(jié)構(gòu)的損傷和功能紊亂，必然導(dǎo)致人體組織器官的病變，并由此引起疾病。因此，細(xì)胞生物學(xué)與醫(yī)學(xué)的關(guān)系極為密切，細(xì)胞生物學(xué)的研究成果必然向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域滲透，從而極大地促進(jìn)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步。而在醫(yī)學(xué)實(shí)踐中不斷遇到的問題，又給細(xì)胞生物學(xué)的研究提出新的課題。

1 細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與醫(yī)學(xué)

人體的細(xì)胞每時(shí)每刻都在接受和處理來自細(xì)胞外以及細(xì)胞內(nèi)的各種信號(hào)，這些信號(hào)的傳遞和整合在生命活動(dòng)中具有重要作用。它不僅影響著細(xì)胞本身的活動(dòng)，而且還能與細(xì)胞群體以及整個(gè)機(jī)體活動(dòng)保持一致，可以說細(xì)胞的一切生命活動(dòng)都與信號(hào)有關(guān)。

細(xì)胞間的信息聯(lián)系主要是通過神經(jīng)遞質(zhì)、激素和旁分泌因子等信號(hào)分子來完成的，這些信號(hào)分子又被稱為“第一信使”。當(dāng)它們與細(xì)胞表面或細(xì)胞內(nèi)部的受體結(jié)合后在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的能介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的活性物質(zhì)，又稱為“第二信使”。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的第二信使有許多種，其中最重要的有環(huán)磷酸腺苷（cAMP）、環(huán)磷酸烏苷（cGMP）、二酯酸甘油（DAG）、三磷酸肌醇（IP3）和鈣離子等。

信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在細(xì)胞的正常功能與代謝中起著極其重要的作用，從受體接受信號(hào)至細(xì)胞對(duì)信號(hào)作出反應(yīng)過程中的任何環(huán)節(jié)發(fā)生異常均可導(dǎo)致疾病的發(fā)生。闡明信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，對(duì)疾病的發(fā)病機(jī)制的深入認(rèn)識(shí)和對(duì)疾病的診斷、治療有極大意義。

信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究讓我們了解到某些疾病的發(fā)病機(jī)制。例如，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中受體異常是高膽固醇血癥和重癥肌無力患者的發(fā)病原因。在家族性高膽固醇患者中，其肝細(xì)胞膜上的低密度脂蛋白受體減少，致使肝細(xì)胞對(duì)血液中低密度脂蛋白的攝入功能降低，從而引發(fā)高膽固醇血癥；在重癥肌無力患者的體內(nèi)，產(chǎn)生了抗乙酰膽鹼受體的抗體，抗體與乙酰膽鹼受體結(jié)合，使通過受體進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程受阻，無法引起肌肉收縮，出現(xiàn)重癥肌無力癥。

2 干細(xì)胞研究與醫(yī)學(xué)

人類的機(jī)體由200多種不同類型的細(xì)胞組成，這些細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能各異，是細(xì)胞分化的結(jié)果。這些不同的細(xì)胞都來自一個(gè)細(xì)胞，即受精卵。目前，人們認(rèn)識(shí)到細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是基因的選擇性表達(dá)，是胚胎細(xì)胞逐漸由“全能”（胚胎干細(xì)胞）——“多能”（多能干細(xì)胞）——“單能”（組織特異性干細(xì)胞）——“終末細(xì)胞”的發(fā)育過程。

從受精卵經(jīng)過一次、二次、三次分裂形成八個(gè)細(xì)胞之前的細(xì)胞和其受精卵一樣，均能在一定條件下分化發(fā)育成完整的個(gè)體，稱為“全能性干細(xì)胞”。隨著發(fā)育的進(jìn)行，早期胚胎形成一個(gè)中空的球形結(jié)構(gòu)，稱為胚泡，在胚泡內(nèi)的一側(cè)出現(xiàn)一個(gè)小的細(xì)胞團(tuán)，即內(nèi)細(xì)胞團(tuán)。內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞雖具有分化為成熟個(gè)體中所有類型細(xì)胞的潛能，但已沒有形成一個(gè)完整個(gè)體的能力，所以只能稱為“多能干細(xì)胞”。多能干細(xì)胞進(jìn)一步增殖和分化，則形成各種組織和器官的細(xì)胞即組織特異性干細(xì)胞，它是一種“專能干細(xì)胞”。

干細(xì)胞的研究與技術(shù)的興起，為治療人類某些難以治療的疾病開辟了前所未有的前景。如組織與器官移植是當(dāng)代醫(yī)學(xué)的巨大成就，已挽救了無數(shù)人的生命。但這一技術(shù)的發(fā)展，面臨著兩大難題：一是供體不足，致使許多病人在漫長的等待中不幸離去；二是移植后的排斥反應(yīng)。為抑制排斥反應(yīng)，患者不得不終身使用免疫抑制劑，而免疫受到抑制則導(dǎo)致容易感染，且用藥還會(huì)導(dǎo)致肝、腎損傷?，F(xiàn)在，胚胎干細(xì)胞可以在體外培養(yǎng)、傳代，且保持其無限增殖能力和多向分化潛能，這使人們看到了徹底修復(fù)和再生人體病變器官的前景。利用胚胎干細(xì)胞，克隆人體組織器官，既解決了供體不足的問題，也避免了免疫排斥反應(yīng)，為組織器官移植的開展帶來了福音。

如將不分泌抗體的骨髓瘤細(xì)胞與分泌抗體的B淋巴細(xì)胞進(jìn)行融合得到的雜交瘤細(xì)胞，一方面可如同骨髓瘤細(xì)胞那樣無限生長，另一方面又如同B淋巴細(xì)胞那樣分泌抗體，由此產(chǎn)生的抗體稱為單克隆抗體?；趩慰寺】贵w的高度特異性，目前在臨床診斷和治療方面得到廣泛應(yīng)用。

由于干細(xì)胞具有自我更新，并能分化產(chǎn)生某種（或多種）特殊細(xì)胞的生物學(xué)特性，因此可用來治療某些疾病。如帕金森病，就是由于大腦黑質(zhì)能產(chǎn)生多巴胺的神經(jīng)元退化所引起的一種疾病。由于多巴胺的不足或缺失，患者會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)障礙，即不隨意的顫搐及反復(fù)肌肉運(yùn)動(dòng)。神經(jīng)干細(xì)胞具有被誘導(dǎo)分化為多巴胺神經(jīng)的潛能，將體外擴(kuò)增的人神經(jīng)干細(xì)胞移植到患帕金森的大鼠模型中，能在大鼠體內(nèi)分化為成熟的分泌多巴胺的神經(jīng)元，從而改善了大鼠模型的帕金森病癥狀。

應(yīng)用于細(xì)胞工程開展的細(xì)胞治療，用來治療心肌梗死、糖尿病、血液病等提供了良好的前景。

3 細(xì)胞增殖與醫(yī)學(xué)

細(xì)胞增殖是細(xì)胞生命活動(dòng)的重要特征，是個(gè)體生長發(fā)育的基礎(chǔ)。組成人體的細(xì)胞多達(dá)2014個(gè)，是細(xì)胞增殖的結(jié)果。細(xì)胞增殖以周期性循環(huán)的方式進(jìn)行，一個(gè)細(xì)胞經(jīng)過一系列生化事件而復(fù)制它的組分，然后一分為二，這種周期性的復(fù)制和分裂過程即為細(xì)胞（增殖）周期。在個(gè)體發(fā)育中，胚胎期細(xì)胞分裂增殖極為活躍，成體期除部分細(xì)胞不斷分裂增殖之外，大多數(shù)細(xì)胞的增殖速度減慢，有的甚至停止分裂。

細(xì)胞增殖失控與人類某些疾病如腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。腫瘤細(xì)胞的主要特征是細(xì)胞的無休止和無序分裂并形成腫塊。因此研究細(xì)胞增殖與細(xì)胞周期的調(diào)控機(jī)制，也是了解腫瘤發(fā)生機(jī)制和控制腫瘤的重要途徑。

癌基因及抑癌基因在細(xì)胞周期調(diào)控中有重要的作用。原癌基因是一種顯性基因，在正常情況下較少表達(dá)或表達(dá)較低，但卻為細(xì)胞生長、增殖所必需。原癌基因突變或過度表達(dá)，將導(dǎo)致細(xì)胞增殖發(fā)生異常，引發(fā)癌變。抑癌基因亦為正常細(xì)胞所具有，能抑制細(xì)胞惡性增殖，可作為負(fù)調(diào)控因子調(diào)控細(xì)胞周期的進(jìn)程，如缺失或失活，將導(dǎo)致細(xì)胞增殖失控，發(fā)生癌變。

隨著對(duì)腫瘤細(xì)胞周期變化研究的深入，一些新的腫瘤治療方法，如基因療法已經(jīng)建立?；虔煼ǖ闹饕攸c(diǎn)是直接將腫瘤抑制基因注入到腫瘤細(xì)胞中，以彌補(bǔ)其細(xì)胞中因基因缺陷引起的功能紊亂，從而使腫瘤的快速生長及惡性轉(zhuǎn)化受到遏制。

4 細(xì)胞衰老死亡與醫(yī)學(xué)

細(xì)胞衰老與細(xì)胞死亡是生物界的普遍規(guī)律。人體內(nèi)有200多種細(xì)胞，它們的壽命各不相同，例如紅細(xì)胞的壽命僅為120天，肝細(xì)胞的壽命約為18個(gè)月，神經(jīng)元的壽命與機(jī)體壽命大致相同。闡明這些細(xì)胞的衰老與死亡的機(jī)制，對(duì)于揭示生命的奧秘和延緩個(gè)體的衰老具有重要意義。

細(xì)胞衰老是指隨著時(shí)間的推移，細(xì)胞的增殖能力和生理功能逐漸發(fā)生衰退的變化過程。機(jī)體的衰老是指絕大多數(shù)生物性成熟以后，機(jī)體形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能逐漸退化的過程。對(duì)多細(xì)胞生物來說，細(xì)胞衰老與機(jī)體衰老是兩個(gè)不同的概念。個(gè)別細(xì)胞甚至局部許多細(xì)胞的衰老死亡并不影響機(jī)體的生命；同樣，機(jī)體衰老并不代表所有細(xì)胞的衰老，同時(shí)機(jī)體衰老與細(xì)胞衰老之間又有著密切的聯(lián)系。細(xì)胞是組成生物有機(jī)體的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，也是機(jī)體衰老的基本單位，因此機(jī)體衰老是以細(xì)胞總體的衰老為基礎(chǔ)的，細(xì)胞總體的衰老反映了機(jī)體的衰老，也是老年病發(fā)病的基礎(chǔ)。

迄今在細(xì)胞衰老機(jī)制研究上已取得了一些進(jìn)展，如隨著細(xì)胞分裂次數(shù)的增加，發(fā)現(xiàn)了染色體端粒的末端不斷縮短；發(fā)現(xiàn)了影響線蟲壽命的衰老基因和抗衰老基因；在過早老化的Werner綜合癥患者中，由于DNA復(fù)制時(shí)解旋障礙，其體外培養(yǎng)的細(xì)胞與正常人的細(xì)胞相比，只分裂了較少次數(shù)，就發(fā)生了衰老死亡?？梢韵胂箅S著細(xì)胞衰老規(guī)律的闡明，人類延緩個(gè)體衰老的愿望將會(huì)實(shí)現(xiàn)。

細(xì)胞死亡是指細(xì)胞生命活動(dòng)結(jié)束，可區(qū)分為壞死和凋亡兩大類。細(xì)胞凋亡是指細(xì)胞在特定條件下，遵循自身的程序，而結(jié)束自己生命的過程，它是由基因控制的主動(dòng)性死亡。細(xì)胞調(diào)亡異常將引起發(fā)育畸形，如并指（趾）、肛門閉鎖、兩性畸形和神經(jīng)管發(fā)育缺陷等。一些神經(jīng)退行性疾病如帕金森病、阿爾茨海默病等也與神經(jīng)元凋亡密切相關(guān)。研究調(diào)亡的機(jī)制，不僅對(duì)揭示生命活動(dòng)規(guī)律，也對(duì)了解疾病的發(fā)生、發(fā)展有重要意義，并有可能為細(xì)胞調(diào)亡的相關(guān)性疾病，提出有效的治療手段。

5 細(xì)胞基因組學(xué)與醫(yī)學(xué)

基因組是指細(xì)胞或生物體的一套完整的單倍體遺傳物質(zhì)，是所有不同染色體上全部基因和基因間的DNA總和。

我國已宣布啟動(dòng)“中國十萬人基因組計(jì)劃”。這是我國在人類基因組研究領(lǐng)域?qū)嵤┑氖讉€(gè)重大國家計(jì)劃。我們已經(jīng)知道，基因是控制生物性狀的結(jié)構(gòu)和功能的基本單位；是有遺傳效應(yīng)的DNA片段；人類的生、老、病死等都與基因有關(guān)，這個(gè)計(jì)劃就是要繪制中國人精細(xì)基因組圖譜。一旦基因組圖譜繪制完成，就等于徹底破譯了中國人體25000個(gè)基因的密碼，中國人的疾病、健康與基因遺傳的關(guān)系將一覽無余。比如癌癥是人們眼中的噩夢，但是說到底是一種遺傳病，解鈴還需系鈴人，要從根本上征服癌癥還得通過基因。如果將基因科學(xué)與人工智能結(jié)合起來，對(duì)生物的DNA序列進(jìn)行修剪、切斷、替換或添加，將可以改造人體內(nèi)的“基因軟件”，即人體內(nèi)的25000個(gè)基因小程序，通過重新編程，從而幫助人類遠(yuǎn)離疾病和衰老。

綜上所述，細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)與醫(yī)學(xué)密不可分，它們的最新研究成果，都將推動(dòng)醫(yī)學(xué)不斷向前發(fā)展，造福人類。

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