動物細胞工程學

動物細胞工程學（Animal cell engineering）是指以動物細胞或其組成成分為研究對象，對細胞或其組分進行操作、加工或改造，使其按照人的意圖發生結構或功能等生物學特性的改變，獲得人類所需的生物產品或創造新的動物品種的一門綜合性技術科學。

基本介紹

• 中文名：動物細胞工程學
• 外文名：Animal cell engineering
• 所屬學科：自然
• 所屬領域：動物學
• 研究對象：以動物細胞或其組成成分

基本概念

在自然生理狀態下，不論是植物或是動物，其細胞、組織或器官是在體內環境中完成其生命代謝活動的，細胞只在其既定的遺傳信息的指導下，按照自身的規律生長分化，表現自身特有的生物性狀和生理得以發揮其功能。

隨著生命科學和技術的發展，在充分認識細胞的結構、組成和生物學特性的理論基礎上，細胞工程技術可以，在分子、亞細胞、細胞、組織或器官的不同水平上，藉助專門的技術手段，於體外或體內環境條件下，按照人的意願對細胞進行操作或加工，改造其結構或組成，進而使其生物學功能發生定向改變，以實現人類所需生物產品的工程化生產。

研究範疇

生物工程（Bioengineering 也稱 biotechnology 或bioprocess）是在生命科學發展的一定階段誕生的學科，動物細胞工程是生物工程學科的重要分支;然而在近二、三十年來，隨著動物生物學科學理論的完善和科學技術的創新，動物細胞工程在理論、技術及實際套用上，已成為一個具有自身特點的系統的科學工程。也是生命科學基礎理論和套用技術緊密結合的新型學科。

動物細胞工程學主要涉及實驗動物細胞工程學，農業動物細胞工程學，野生動物細胞工程學，有的學者將部分水生動物也列入了動物細胞工程學的研究範圍。

實驗動物細胞工程

實驗動物細胞工程（experimental animal cell engineering）主要以齧齒動物如小鼠、大鼠、倉鼠和家兔等為實驗材料或模式動物，建立動物模型，開展的細胞工程學的基本理論和技術或方法等研究。

農業動物細胞工程

農業動物細胞工程（agricultural animal cell engineering）或家畜細胞工程（domestic animal cell engineering）主要以大型家畜如牛、綿羊、豬、山羊、水牛、馬和駝，甚至包括家養寵物狗和貓等為研究對象，針對生物工程技術在家畜生產中更為實際的套用而開展的理論和技術的研究。

野生動物細胞工程

野生動物細胞工程（wild animal cell engineering）主要針對野生動物如靈掌類動物如猴、野牛、盤羊、貂、貉、狐、熊貓、虎和獅子等，旨在保護和拯救瀕危動物或套用於人類生殖和醫學治療而進行的細胞工程學的套用性理論和技術的研究。

水生動物細胞工程

水生動物細胞工程（aquatic animal cell engineering）主要以海洋或河湖水生動物如魚、海膽、海鞘甚至包括兩棲類動物如蛙等為研究對象，進行的細胞工程技術的理論和技術的研究。

人類細胞工程

人類細胞工程（human cell engineering）主要以人類本身為研究對象，針對人類的醫學治療和輔助生殖如克服生育障礙、器官移植、細胞移植、免疫排斥克服、基因治療等進行的細胞工程技術的套用性理論和技術的研究。

研究內容

動物細胞工程學的主要研究內容可概括為以下幾個方面：動物細胞培養，動物細胞融合，單克隆抗體製備，染色體工程，幹細胞工程，轉基因動物及生物反應器，動物克隆等。現將主要內容簡述如下。

動物細胞、組織和器官的培養

動物細胞、組織和器官的培養（animal cell，tissue or organ culture）指將分離自動物機體各部分的細胞、組織塊或整個器官，用專用的培養基和培養箱進行體外培養（in vitro culture），抑或進行體內培養（in vivo culture）。

動物細胞、組織和器官的培養技術在人類醫學臨床治療上發揮了巨大的作用，具有廣闊的套用前景。

動物細胞的融合

動物細胞的融合（animal cell fusion）指藉助於化學的或物理的方法，通過改變細胞膜的結構進而改變其生物學特性即膜通透性，使兩個細胞或多個不同的細胞融合為一個細胞。

細胞的融合技術廣泛套用於細胞生物學、免疫學、遺傳學、病毒學、微生物學和醫學等不同領域的基礎研究和實踐套用。在動物上多用於產生雜種細胞，製備單克隆抗體，製備克隆動物等。

細胞融合技術還用於產生異種核質的雜種細胞，用以研究細胞的核質關係。

動物染色體工程

動物染色體工程（animal chromosome engineering）指採用化學的或物理的方法，按照人的意圖，有目標地改變細胞內染色體的數目、結構或成分的一種技術。

染色體工程可用於動物新品種或品系的培育，在家畜遺傳育種研究領域具有重要的科學和實用價值。如在綿羊的育種中，利用在自然條件下誘發的染色體突變所產生的綿羊的短腿性狀。

染色體工程在植物和水生動物的新品種培育上得到了更為廣泛的套用，獲得了許多多倍體高性能的新品種。

動物幹細胞工程

動物幹細胞工程（animal stem cell engineering）指利用幹細胞的生物學特性，按照人的意圖，藉助於化學的、物理的或生物的方法，定向誘導分化，產生機體各種功能細胞或組織的生物工程技術。

幹細胞(stem cell)具有自我更新和持續增殖能力及多種分化潛能。它包括胚胎幹細胞(Embryonic stem cells, ES)和成體幹細胞（somatic stem cells）和腫瘤幹細胞（tumor stem cell ）。

幹細胞工程技術主要用於生物學、醫學、遺傳學、發育生物學、細胞生物學、胚胎學、生殖學、神經生物學和育種學等諸多基礎研究和套用研究領域。

由於幹細胞具有分化為多種功能細胞的特性，使其在人類醫學、基因治療、發育調控等領域顯現出了重要的科學意義和廣泛的套用前景，因此越來越受到重視。

轉基因動物及生物反應器

轉基因動物（transgenic animal）是指藉助生物的、化學的或物理的方法，將外源目的基因注入到動物早期胚胎細胞內，或將外源目的基因轉染到體細胞內，再通過體細胞克隆動物技術構建胚胎，最終產生帶有該目的基因的動物個體的技術。

該技術用於生物學、農業、生物醫學、免疫學等研究，也常用於動物的遺傳育種研究和生產領域，試圖獲得人類所需的轉基因產品，如培育抗某種疾病的家畜品種，或生產某種產品的專用家畜、轉基因魚，或生產貴重醫用藥物蛋白等。在生物學研究領域，轉入或剔除某一基因以研究其表達和調節等生物學功能或作用機制，已成為重要的研究技術手段。

動物生物反應器（animal bioreactor）指利用動物的某種細胞、組織或器官作為反應生成的載體，生產人類需要的生物製品。一個動物體就相當於一個生物工廠。

譬如利用乳腺生物反應器或血液生物反應器生產具有生物活性的人凝血因子、促紅細胞生成素、抗胰蛋白酶等醫用蛋白，或提高動物乳汁中的乳蛋白等食用蛋白。根據人類的意圖，利用轉基因動物技術製作高表達的動物生物反應器，生產特定的轉基因生物製品，具有很大的商業價值，將成為未來醫藥工業或食品生產的重要途徑。

動物胚胎工程

動物胚胎工程（animal embryo engineering）也稱胚胎生物工程，指對配子或胚胎進行人為的干預，改變其自然狀態下的生殖、生長發育模式的一系列操作技術。

嚴格地分，它可分成配子操作和胚胎操作兩個層次。前者主要包括配子即精子和卵子的人工採集、體外保存、體外獲能、性別（XY）精子分離、超數排卵（superovulation）、卵母細胞的體外成熟（in vitro maturation， IVM）等操作過程。

後者包括體外授精、胚胎收集、體外發育、性別鑑定、胚胎保存、胚胎嵌合、胚胎分割、胚胎移植等操作。

胚胎工程技術廣泛用於生殖生物學、胚胎學、發育生物學、遺傳育種學和生殖醫學的研究套用，並成為這些研究領域的重要技術手段。

從本世紀的三十年代起，該技術就逐步成功地套用於畜牧業生產，尤其是在優良種畜的引進、品種的保存、種畜的迅速擴繁、品種的改良和瀕危動物的保護等方面發揮了極其重要的作用，極大地提高了畜牧生產的科技水平，產生了巨大的經濟效益和社會效益。

胚胎工程技術在人類的人工輔助生殖方面也得到了廣泛的套用。利用超數排卵、體外授精（in vitro fertilization， IVF）、體外發育（in vitro development， IVD）和胚胎移植（embryo transfer， ET）技術，在世界上誕生了成千上萬的試管嬰兒，克服了部分因生殖障礙而導致的不育不孕，有效地提高了人口的優生優育水平，促進了人類的生殖健康。

動物克隆技術

動物克隆技術（animal cloning technology）也稱核移植（nuclear transfer）技術。指動物的無性繁殖技術，即不經過雌雄兩性的性結合，通過細胞培養和顯微操作（micromanipulation）等系列技術，使動物個體產生與其自身表型相同和性能一致的後代。

根據所由細胞來源的不同，可分為體細胞克隆動物（somatic cell-cloned animal）和胚胎細胞克隆動物（embryonic cell-cloned animal）。

動物克隆技術用於生物學、生殖學、遺傳學和育種學等研究領域，在拯救和保護瀕危動物，尤其是珍貴遺傳資源的保存及畜牧業生產中的套用方面展現了光明的前景。

在人類的臨床醫學治療領域也具有重要的研究和潛在的套用價值，如利用克隆技術即治療性克隆（therapeutic cloning）產生人的早期胚胎，從其中分離胚胎幹細胞，以用於人的疾病治療。這項技術是目前生物工程領域最前沿的技術之一，倍受社會的關注。

雖已成功地誕生了諸多克隆動物後代，但在人的克隆問題上，各國政府都通過立法或聲明明確禁止複製人，即生殖性克隆（reproductive cloning）。不過許多國家的政府和科學家有條件地支持治療性克隆，即通過克隆產生人的早期囊胚（blastocyst），分離胚胎幹細胞，用於人類的疾病研究和臨床治療。

成體細胞向幹細胞的逆分化技術

（adult cells transform to stem cells or retrodifferentiation ）指用物理的、生物的或化學的方法，將動物終端分化的功能細胞轉移到幹細胞的胞質內，使其去分化，失去原有的生物學功能，並再轉變為幹細胞，重新迴轉到幹細胞狀態。這項新技術首次由美國哈佛大學的研究人員 William J. Cromie於2005年報導獲得成功，並稱之為“遺傳時鐘的倒轉（genetic clock rewound）”。

現在有關實驗室也已開始立項研究，但該技術還不完全成熟，仍處於實驗室研究階段。不過可以預見，若該技術完全成熟，將對生物學、生物醫學、遺傳學、細胞生物學、發育生物學等相關學科的研究產生重大影響。