组织培养

哺乳动物细胞的相关知识大多源自大量离体研究的成果。在离体研究中，细胞通常生活在含有培养基的玻璃或塑料瓶中，温度维持在37℃，气体环境为含有5%二氧化碳的空气，从而尽可能地模拟体内环境。植物细胞也可以进行培养，但通常需要对其细胞壁进行剥离处理。体外细胞与组织培养的实验可追溯到19世纪末。在1910年左右，罗斯·哈里森（Ross Harrison）在美国巴尔的摩首次建立了组织与细胞培养的方法。取自实验小鼠胚胎的组织（如肺等）通常可以像培养的单细胞一般生长良好，并形成“原代培养物”，但它们的寿命通常有限，在经过50轮左右的细胞分裂后，这些细胞将逐渐死亡。从固体组织中分离的细胞需要附着在塑料器皿的表面才能继续生长并完成细胞分裂。但通常情况下，存在于血液中的血细胞则不需要附着于器皿表面，而是通过“悬浮”的方式进行培养。细胞通常以单一类型的方式进行培养，但混合的细胞培养物（如从骨髓中分离出的细胞集群）也可以成功存活，同时还能如体内一般保持细胞间的相互作用。当切下一小块组织块并投入培养时，最先开始生长的细胞是生物体内可对损伤做出响应的细胞类型，即成纤维细胞（fibroblast）。成纤维细胞是组成我们身体结构框架的结缔组织（如韧带和筋腱）中的重要成员。当机体受到损伤后，成纤维细胞可以将伤口的边缘聚拢，同时分泌出胶原蛋白以形成疤痕组织。在体外培养时，成纤维细胞呈现出长而薄的形状，当其在培养器皿表面移动时，细胞的前部会伸出并呈扇形展开（如图3c所示）。在几天之内，连续几轮的细胞分裂将导致细胞培养瓶的表面变得越发拥挤，当培养瓶没有足够的空间提供给新分裂的细胞时，细胞分裂将会停止。这被称为细胞生长的密度依赖性抑制，是正常细胞所具有的特征，而从肿瘤中分离的细胞则不具备这一特性。当发生密度依赖性抑制时，我们需要对细胞进行传代，并将细胞以较低的密度种于新的培养瓶中。原代细胞在经过约50次分裂后将会死亡，这给大多数实验带来时间限制的不便，因此，研究人员往往更喜欢使用无限次分裂的“永生”细胞系（通常来源于肿瘤）进行实验。

图3 细胞的类型及其形状

a.造血（血液）干细胞（haemopoietic stem cell），呈球形；

b.上皮细胞（epithelial cell），呈多边形；c.成纤维细胞（fibroblast）；d.脂肪细胞（adipocyte/fat cell）；e.通过触手吸食草履虫的奇异枝吸管虫

这些细胞均通过组织培养的方式生长。脂肪细胞的表面较为光滑，其他类型的细胞更为典型，表面具有膜皱褶以及指状延伸（微绒毛）。左下角的圆形细胞显示了脂肪细胞与正常细胞之间的大小差异

海拉细胞——第一个永生的人类细胞系

虽然永生的人类细胞系通常来源于肿瘤，但众所周知，肿瘤活检标本的原代培养体系极难建立，其成功率仅为1%。第一个人类永久细胞系由美国巴尔的摩的乔治·盖伊（George Gey）于1951年成功建立，即海拉细胞。海拉细胞的名字取自细胞的来源—— 一位名叫亨丽埃塔·莱克斯（Henrietta Lacks）的女士的宫颈肿瘤活检标本。亨丽埃塔的病情确诊于约翰·霍普金斯医院。在1951年，约翰·霍普金斯医院是美国为数不多的几家可以接待无医疗保险的黑种人就诊的医院之一。在当时，尽管世界各地的研究者都在尝试对肿瘤细胞进行培养，却无一例细胞的存活时间可以超过几天，然而，亨丽埃塔的细胞在数天内就成倍增长。但与此同时，亨丽埃塔体内的肿瘤也呈现出快速生长的特点，很快便扩散至全身。不过数月，亨丽埃塔便因此去世了。亨丽埃塔的细胞培养成功的消息很快传遍了整个细胞生物学界。为了满足全世界对第一个永生人类细胞系的需求，塔斯基吉研究所开始批量生产海拉细胞，每周运送20 000管细胞（6万亿个细胞）至世界各地。也就是说，每隔几个月，就有多达可以形成亨丽埃塔本人数量的细胞离开生产线。海拉细胞通常被用于那些无法在人体中完成的实验。这些细胞被充分暴露于各种可能对肿瘤产生毒性的药物中，或者经过各种辐射、毒素与病毒的处理。在大多数情况下，海拉细胞与其他不同种类的哺乳动物细胞具有相似的反应，更重要的是，这证明了人类细胞的培养并没有任何独特之处。亨丽埃塔的细胞已经在世界各个角落生长了半个多世纪的时间，如果将世界各地的海拉细胞集合起来，组装成一个个亨丽埃塔（仅以海拉细胞构建），那么她们的数量甚至可以达到亨丽埃塔故乡的人口总数。事实上，亨丽埃塔的一个女儿在看完电影《侏罗纪公园》后，一度认为在伦敦有她母亲的“复制人”。她查阅到伦敦有许多研究均以海拉细胞为研究对象。为了将海拉细胞的DNA与其最接近的个体进行比较，约翰·霍普金斯大学的研究人员还追踪到了亨丽埃塔的孩子——若非如此，他们可能永远不会得知关于他们母亲细胞的事情。这一利害关系提醒了他们，母亲的肿瘤催生了这个价值数百万美元的产业。很自然地，他们（以及他们的律师）试图从中获利，但遗憾的是，1951年尚未有病人样本权，因此，加利福尼亚州随后裁定“个人所丢弃的组织并非其财产，不可用于商业化”。即便到了现在，亨丽埃塔的孩子在美国仍然没有能力购买医疗保险。尽管经过了60来年的深入研究，甚至利用了最新的DNA分析技术，海拉细胞增殖特性的具体原因仍不清楚。可以说，海拉细胞宛如组织培养物中的“野草”，并可通过偶然的交叉污染取代许多其他细胞系，这一事实直到20年前通过DNA鉴定培养细胞的时候才被发现。

几十年来，在体外利用细胞所进行的研究一直受到质疑——因为在正常情况下，细胞将存在活动的机体内，处于一个三维的环境中，并受到压力与各方面因素的影响，这是生长在塑料皿中的单层细胞所无法经历的。但值得庆幸的是，在半个多世纪的研究中，利用体外培养的细胞所得出的误导性结果并不算多，而且如果没有这些体外实验所积累的知识，我们对干细胞用于人类治疗的潜力根本无从得知。

[1] nucleus，源自拉丁语“nucula”，即“小坚果”。

[2] eukaryote，源自希腊语，意思是“真的核或坚果”。

[3] prokaryote，源自希腊语，即“成为坚果之前”。