組織培養

  哺乳動物細胞的相關知識大多源自大量離體研究的成果。在離體研究中，細胞通常生活在含有培養基的玻璃或塑料瓶中，溫度維持在37℃，氣體環境為含有5%二氧化碳的空氣，從而儘可能地模擬體內環境。植物細胞也可以進行培養，但通常需要對其細胞壁進行剝離處理。體外細胞與組織培養的實驗可追溯到19世紀末。在1910年左右，羅斯·哈里森（Ross Harrison）在美國巴爾的摩首次建立了組織與細胞培養的方法。取自實驗小鼠胚胎的組織（如肺等）通常可以像培養的單細胞一般生長良好，並形成「原代培養物」，但它們的壽命通常有限，在經過50輪左右的細胞分裂後，這些細胞將逐漸死亡。從固體組織中分離的細胞需要附著在塑料器皿的表面才能繼續生長並完成細胞分裂。但通常情況下，存在於血液中的血細胞則不需要附著於器皿表面，而是通過「懸浮」的方式進行培養。細胞通常以單一類型的方式進行培養，但混合的細胞培養物（如從骨髓中分離出的細胞集群）也可以成功存活，同時還能如體內一般保持細胞間的相互作用。當切下一小塊組織塊並投入培養時，最先開始生長的細胞是生物體內可對損傷做出響應的細胞類型，即成纖維細胞（fibroblast）。成纖維細胞是組成我們身體結構框架的結締組織（如韌帶和筋腱）中的重要成員。當機體受到損傷後，成纖維細胞可以將傷口的邊緣聚攏，同時分泌出膠原蛋白以形成疤痕組織。在體外培養時，成纖維細胞呈現出長而薄的形狀，當其在培養器皿表面移動時，細胞的前部會伸出並呈扇形展開（如圖3c所示）。在幾天之內，連續幾輪的細胞分裂將導致細胞培養瓶的表面變得越發擁擠，當培養瓶沒有足夠的空間提供給新分裂的細胞時，細胞分裂將會停止。這被稱為細胞生長的密度依賴性抑制，是正常細胞所具有的特徵，而從腫瘤中分離的細胞則不具備這一特性。當發生密度依賴性抑制時，我們需要對細胞進行傳代，並將細胞以較低的密度種於新的培養瓶中。原代細胞在經過約50次分裂後將會死亡，這給大多數實驗帶來時間限制的不便，因此，研究人員往往更喜歡使用無限次分裂的「永生」細胞系（通常來源於腫瘤）進行實驗。

  圖3 細胞的類型及其形狀

  a.造血（血液）幹細胞（haemopoietic stem cell），呈球形；

  b.上皮細胞（epithelial cell），呈多邊形；c.成纖維細胞（fibroblast）；d.脂肪細胞（adipocyte/fat cell）；e.通過觸手吸食草履蟲的奇異枝吸管蟲

  這些細胞均通過組織培養的方式生長。脂肪細胞的表面較為光滑，其他類型的細胞更為典型，表面具有膜皺褶以及指狀延伸（微絨毛）。左下角的圓形細胞顯示了脂肪細胞與正常細胞之間的大小差異

  海拉細胞——第一個永生的人類細胞系

  雖然永生的人類細胞系通常來源於腫瘤，但眾所周知，腫瘤活檢標本的原代培養體系極難建立，其成功率僅為1%。第一個人類永久細胞系由美國巴爾的摩的喬治·蓋伊（George Gey）於1951年成功建立，即海拉細胞。海拉細胞的名字取自細胞的來源—— 一位名叫亨麗埃塔·萊克斯（Henrietta Lacks）的女士的宮頸腫瘤活檢標本。亨麗埃塔的病情確診於約翰·霍普金斯醫院。在1951年，約翰·霍普金斯醫院是美國為數不多的幾家可以接待無醫療保險的黑種人就診的醫院之一。在當時，儘管世界各地的研究者都在嘗試對腫瘤細胞進行培養，卻無一例細胞的存活時間可以超過幾天，然而，亨麗埃塔的細胞在數天內就成倍增長。但與此同時，亨麗埃塔體內的腫瘤也呈現出快速生長的特點，很快便擴散至全身。不過數月，亨麗埃塔便因此去世了。亨麗埃塔的細胞培養成功的消息很快傳遍了整個細胞生物學界。為了滿足全世界對第一個永生人類細胞系的需求，塔斯基吉研究所開始批量生產海拉細胞，每周運送20 000管細胞（6萬億個細胞）至世界各地。也就是說，每隔幾個月，就有多達可以形成亨麗埃塔本人數量的細胞離開生產線。海拉細胞通常被用於那些無法在人體中完成的實驗。這些細胞被充分暴露於各種可能對腫瘤產生毒性的藥物中，或者經過各種輻射、毒素與病毒的處理。在大多數情況下，海拉細胞與其他不同種類的哺乳動物細胞具有相似的反應，更重要的是，這證明了人類細胞的培養並沒有任何獨特之處。亨麗埃塔的細胞已經在世界各個角落生長了半個多世紀的時間，如果將世界各地的海拉細胞集合起來，組裝成一個個亨麗埃塔（僅以海拉細胞構建），那麼她們的數量甚至可以達到亨麗埃塔故鄉的人口總數。事實上，亨麗埃塔的一個女兒在看完電影《侏羅紀公園》後，一度認為在倫敦有她母親的「複製人」。她查閱到倫敦有許多研究均以海拉細胞為研究對象。為了將海拉細胞的DNA與其最接近的個體進行比較，約翰·霍普金斯大學的研究人員還追蹤到了亨麗埃塔的孩子——若非如此，他們可能永遠不會得知關於他們母親細胞的事情。這一利害關係提醒了他們，母親的腫瘤催生了這個價值數百萬美元的產業。很自然地，他們（以及他們的律師）試圖從中獲利，但遺憾的是，1951年尚未有病人樣本權，因此，加利福尼亞州隨後裁定「個人所丟棄的組織並非其財產，不可用於商業化」。即便到了現在，亨麗埃塔的孩子在美國仍然沒有能力購買醫療保險。儘管經過了60來年的深入研究，甚至利用了最新的DNA分析技術，海拉細胞增殖特性的具體原因仍不清楚。可以說，海拉細胞宛如組織培養物中的「野草」，並可通過偶然的交叉污染取代許多其他細胞系，這一事實直到20年前通過DNA鑑定培養細胞的時候才被發現。

  

  幾十年來，在體外利用細胞所進行的研究一直受到質疑——因為在正常情況下，細胞將存在活動的機體內，處於一個三維的環境中，並受到壓力與各方面因素的影響，這是生長在塑料皿中的單層細胞所無法經歷的。但值得慶幸的是，在半個多世紀的研究中，利用體外培養的細胞所得出的誤導性結果並不算多，而且如果沒有這些體外實驗所積累的知識，我們對幹細胞用於人類治療的潛力根本無從得知。

  [1] nucleus，源自拉丁語「nucula」，即「小堅果」。

  [2] eukaryote，源自希臘語，意思是「真的核或堅果」。

  [3] prokaryote，源自希臘語，即「成為堅果之前」。