細胞生物學在醫學領域的應用

周子航

摘 要 細胞生物學是當代發展迅速且活躍的學科，其研究的新知識、新技術不斷向醫學領域滲透，已成為認識疾病發病機制，獲取疾病防治措施的基礎和推動力。文章從五個方面介紹細胞生物學與醫學之間的緊密聯系。

關鍵詞 細胞生物學與醫學 信號轉導 干細胞 基因

中圖分類號：R329.2 文獻標識碼：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；

細胞生物學、分子生物學是醫學的基礎和支柱學科。醫學要解決的問題是闡明人的生、老、病、死等生命現象的機制和規律，并對疾病進行診斷、治療和預防。人的生命活動都是以細胞為單位進行的，細胞正常結構的損傷和功能紊亂，必然導致人體組織器官的病變，并由此引起疾病。因此，細胞生物學與醫學的關系極為密切，細胞生物學的研究成果必然向醫學領域滲透，從而極大地促進醫學的進步。而在醫學實踐中不斷遇到的問題，又給細胞生物學的研究提出新的課題。

1 細胞的信號轉導與醫學

人體的細胞每時每刻都在接受和處理來自細胞外以及細胞內的各種信號，這些信號的傳遞和整合在生命活動中具有重要作用。它不僅影響著細胞本身的活動，而且還能與細胞群體以及整個機體活動保持一致，可以說細胞的一切生命活動都與信號有關。

細胞間的信息聯系主要是通過神經遞質、激素和旁分泌因子等信號分子來完成的，這些信號分子又被稱為“第一信使”。當它們與細胞表面或細胞內部的受體結合后在細胞內產生的能介導信號轉導的活性物質，又稱為“第二信使”。目前已經發現的第二信使有許多種，其中最重要的有環磷酸腺苷（cAMP）、環磷酸烏苷（cGMP）、二酯酸甘油（DAG）、三磷酸肌醇（IP3）和鈣離子等。

信號轉導在細胞的正常功能與代謝中起著極其重要的作用，從受體接受信號至細胞對信號作出反應過程中的任何環節發生異常均可導致疾病的發生。闡明信號轉導機制，對疾病的發病機制的深入認識和對疾病的診斷、治療有極大意義。

信號轉導的研究讓我們了解到某些疾病的發病機制。例如，信號轉導通路中受體異常是高膽固醇血癥和重癥肌無力患者的發病原因。在家族性高膽固醇患者中，其肝細胞膜上的低密度脂蛋白受體減少，致使肝細胞對血液中低密度脂蛋白的攝入功能降低，從而引發高膽固醇血癥；在重癥肌無力患者的體內，產生了抗乙酰膽鹼受體的抗體，抗體與乙酰膽鹼受體結合，使通過受體進行信號轉導過程受阻，無法引起肌肉收縮，出現重癥肌無力癥。

2 干細胞研究與醫學

人類的機體由200多種不同類型的細胞組成，這些細胞的結構和功能各異，是細胞分化的結果。這些不同的細胞都來自一個細胞，即受精卵。目前，人們認識到細胞分化的實質是基因的選擇性表達，是胚胎細胞逐漸由“全能”（胚胎干細胞）——“多能”（多能干細胞）——“單能”（組織特異性干細胞）——“終末細胞”的發育過程。

從受精卵經過一次、二次、三次分裂形成八個細胞之前的細胞和其受精卵一樣，均能在一定條件下分化發育成完整的個體，稱為“全能性干細胞”。隨著發育的進行，早期胚胎形成一個中空的球形結構，稱為胚泡，在胚泡內的一側出現一個小的細胞團，即內細胞團。內細胞團細胞雖具有分化為成熟個體中所有類型細胞的潛能，但已沒有形成一個完整個體的能力，所以只能稱為“多能干細胞”。多能干細胞進一步增殖和分化，則形成各種組織和器官的細胞即組織特異性干細胞，它是一種“專能干細胞”。

干細胞的研究與技術的興起，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代醫學的巨大成就，已挽救了無數人的生命。但這一技術的發展，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。為抑制排斥反應，患者不得不終身使用免疫抑制劑，而免疫受到抑制則導致容易感染，且用藥還會導致肝、腎損傷。現在，胚胎干細胞可以在體外培養、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和再生人體病變器官的前景。利用胚胎干細胞，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，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胞與分泌抗體的B淋巴細胞進行融合得到的雜交瘤細胞，一方面可如同骨髓瘤細胞那樣無限生長，另一方面又如同B淋巴細胞那樣分泌抗體，由此產生的抗體稱為單克隆抗體。基于單克隆抗體的高度特異性，目前在臨床診斷和治療方面得到廣泛應用。

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

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

3 細胞增殖與醫學

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

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

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

隨著對腫瘤細胞周期變化研究的深入，一些新的腫瘤治療方法，如基因療法已經建立。基因療法的主要特點是直接將腫瘤抑制基因注入到腫瘤細胞中，以彌補其細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化受到遏制。

4 細胞衰老死亡與醫學

細胞衰老與細胞死亡是生物界的普遍規律。人體內有200多種細胞，它們的壽命各不相同，例如紅細胞的壽命僅為120天，肝細胞的壽命約為18個月，神經元的壽命與機體壽命大致相同。闡明這些細胞的衰老與死亡的機制，對于揭示生命的奧秘和延緩個體的衰老具有重要意義。

細胞衰老是指隨著時間的推移，細胞的增殖能力和生理功能逐漸發生衰退的變化過程。機體的衰老是指絕大多數生物性成熟以后，機體形態結構和生理功能逐漸退化的過程。對多細胞生物來說，細胞衰老與機體衰老是兩個不同的概念。個別細胞甚至局部許多細胞的衰老死亡并不影響機體的生命；同樣，機體衰老并不代表所有細胞的衰老，同時機體衰老與細胞衰老之間又有著密切的聯系。細胞是組成生物有機體的基本結構和功能單位，也是機體衰老的基本單位，因此機體衰老是以細胞總體的衰老為基礎的，細胞總體的衰老反映了機體的衰老，也是老年病發病的基礎。

迄今在細胞衰老機制研究上已取得了一些進展，如隨著細胞分裂次數的增加，發現了染色體端粒的末端不斷縮短；發現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復制時解旋障礙，其體外培養的細胞與正常人的細胞相比，只分裂了較少次數，就發生了衰老死亡。可以想象隨著細胞衰老規律的闡明，人類延緩個體衰老的愿望將會實現。

細胞死亡是指細胞生命活動結束，可區分為壞死和凋亡兩大類。細胞凋亡是指細胞在特定條件下，遵循自身的程序，而結束自己生命的過程，它是由基因控制的主動性死亡。細胞調亡異常將引起發育畸形，如并指（趾）、肛門閉鎖、兩性畸形和神經管發育缺陷等。一些神經退行性疾病如帕金森病、阿爾茨海默病等也與神經元凋亡密切相關。研究調亡的機制，不僅對揭示生命活動規律，也對了解疾病的發生、發展有重要意義，并有可能為細胞調亡的相關性疾病，提出有效的治療手段。

5 細胞基因組學與醫學

基因組是指細胞或生物體的一套完整的單倍體遺傳物質，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“中國十萬人基因組計劃”。這是我國在人類基因組研究領域實施的首個重大國家計劃。我們已經知道，基因是控制生物性狀的結構和功能的基本單位；是有遺傳效應的DNA片段；人類的生、老、病死等都與基因有關，這個計劃就是要繪制中國人精細基因組圖譜。一旦基因組圖譜繪制完成，就等于徹底破譯了中國人體25000個基因的密碼，中國人的疾病、健康與基因遺傳的關系將一覽無余。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。如果將基因科學與人工智能結合起來，對生物的DNA序列進行修剪、切斷、替換或添加，將可以改造人體內的“基因軟件”，即人體內的25000個基因小程序，通過重新編程，從而幫助人類遠離疾病和衰老。

綜上所述，細胞生物學、分子生物學與醫學密不可分，它們的最新研究成果，都將推動醫學不斷向前發展，造福人類。

參考文獻

[1] 生物課程教材研究開發中心.生物1、生物2[M].北京：人民教育出版社，2007.

[2] 牛勝玉.高中生物學知識大全[M].湖南：湖南師范大學出版社，2015.

[3] 陳譽華.醫學細胞生物學（第5版）[M].北京：人民衛生出版社，2013.