细胞生物学研究技术范文

关键词：电子显微镜技术；农学专业；教学；应用

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2014）05-0069-03

电子显微镜包括透射电子显微镜和扫描电子显微镜，它是一种研究物体超微结构精密分析仪器，主要用于研究样品的内部结构和表面形态特征的变化，在动物、植物、生物、医药、物理、化工材料等自然科学领域的科学研究中发挥着重要作用[1，2]。近年来，随着电镜技术的不断发展与其他技术学科的紧密结合，在动物医学、动物科学、农学、园林、食品与药品、草业、水利、机械交通等农学门类自然学科专业领域的应用更加广泛。因此，在农业高等院校本科和研究生教学中开设《电子显微镜技术》课程，可以为各专业学科的教学提供技术支持。新疆农业大学将《电子显微镜工作原理与应用》课程设定为全校本科生和研究生的公共选修课，有效地提升了各学科整体教学质量和科研能力。

一、《电子显微镜工作原理与应用》课程的教学内容与要求

1.《电子显微镜工作原理与应用》课程的教学内容。《电子显微镜工作原理与应用》课程理论教学内容包括：电子显微镜的概述、组织超微形态结构和功能、透射电镜的结构和工作原理、透射电镜的操作和使用、透射电镜的样品制备、扫描电镜的结构和工作原理、扫描电镜的操作和使用、扫描电镜样品制备技术、电镜样品制备实例，共九个部分。本科生理论课教学10学时，研究生理论课教学20学时。

《电子显微镜工作原理与应用》课程实验教学内容包括：电子显微镜的结构和使用操作、生物样品透射电镜制备方法、材料样品透射电镜制备方法、生物样品扫描电镜制备方法、材料样品透射电镜制备方法，共五个部分。本科生实验教学20学时，研究生理论课教学30学时。

2.《电子显微镜工作原理与应用》课程的教学要求。（1）《电子显微镜工作原理与应用》课程本科生教学要求。本科生教学中主要要求学生了解电子显微镜的结构和操作原理，动植物组织细胞超微结构、功能和细胞表面形貌特征，理化材料的晶体结构和形貌特点，常规生物样品和理化材料的制备技术方法。在实验教学中要求学生了解仪器的操作方法、生物样品的制备过程，掌握常规生物样品和理化材料的制备技术方法，使学生能够掌握电子显微镜技术在动植物组织细胞超微结构和理化材料研究中的应用。（2）《电子显微镜工作原理与应用》课程研究生教学要求。研究生教学中不仅要求学生要掌握电子显微镜的结构和操作原理，动植物组织细胞超微结构、功能和细胞表面形貌特征，理化材料的晶体结构和形貌特点，常规生物样品和理化材料的制备技术方法，而且还要求学生掌握电子显微镜的细胞化学定位技术、扫描电镜临界点干燥技术等特殊检测技术。

在实验教学中要使学生掌握仪器的操作方法，如超薄切片技术、半薄切片技术、负染技术、细胞化学定位技术、扫描电镜临界点干燥技术、离子溅射技术、细胞冰冻蚀刻技术等样品制备方法，使学生能够学会运用电子显微镜技术对动植物组织细胞超微结构和功能的研究方法和技术手段。

二、电子显微镜技术在农学门类高等院校教学中的应用

1.电子显微镜技术在农学专业实验教学中的应用。透射电子显微镜可以观察植物细胞的细胞壁、生物膜、叶绿体、线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体、微体、中心体、细胞骨架和细胞质内含物（如糖原、脂类、蛋白质），以及核膜、染色质、核仁的超微结构形态，通过对超微结构的学习和了解植物的生理代谢过程、病理变化机制，以及在外界因素的影响而导致形态结构和功能的改变[3，4]。为植物学、植物生理学、植物病学、植物生物学等学科学习奠定了理论基础，也为植物超微形态学的研究提供了技术手段。

2.电子显微镜技术在动物医学专业实验教学中的应用。在动物微生物学教学中，因病原微生物粒径微小，光学显微镜难以识别其特有结构，而通过TEM可以清晰地观察到细菌的特殊结构，如菌体鞭毛、菌毛、芽孢、荚膜等结构；病毒的囊膜、衣壳；霉病菌菌丝和孢子形态。通过电子显微镜的学习可以有助于学生对病原学的识别与理解，电子显微镜是病原学教学的有效工具[5]。

在动物病理学教学中，动物机体在致病因素作用下会导致细胞发生形态和功能上的改变，通过TME可以观察到病变区细胞的细胞器的损伤，对研究疾病的发生机制和致病机理和临床诊断提供有力的依据。例如，在肾活检、肿瘤诊治中电镜技术发挥了重要作用。电镜技术与免疫学技术相结合产生了免疫电镜技术，在超微结构和分子水平上研究各组织细胞的形态和功能，它可以对细胞表面及细胞内部的抗原进行定位，可以了解抗体合成过程中免疫球蛋白的分布情况、抗原—抗体复合物的结构细节以及免疫损伤引起细胞的病理变化[6]。

3.电子显微镜技术在动物科学专业实验教学中的应用。动物科学教学主要针对动物营养与饲养、饲料资源开发、饲料配方与饲料工艺设计，以及饲料与饲养企业管理等学科的研究，旨在满足人们日益增长的动物副食品饮食的需求。在动物科学的教学中将学习各种动物的养殖（包括养牛、养羊、养鹅、观赏动物饲养等），动物营养、遗传、繁殖、兽医学、牧草学、生态学、农业机械、农区规划、肉制品加工学等。在学习动物营养、遗传因素以及环境因素对动物生长发育的影响，可以通过电子显微镜观察动物组织细胞超微结构变化，来探讨和研究动物生长发育的特点，因此电子显微镜技术是动物科学教学和研究的重要技术手段。例如：应用扫描电镜检测鹿类毛的微观形态结构时可以明显观察到鹿毛的鳞片形态在科间、属间和种间存在的差异，同种不同个体毛的鳞片形态有差异，同一个体同一根毛样的不同部位也有差异[7]。

4.电子显微镜技术在食品与药品学专业实验教学中的应用。食品与药品学专业是以生命科学、食品科学和药品科学为基础，研究食品的营养、药品的安全与健康的关系，食品营养与安全保障、药品的安全与人类健康，通过对食品生产、加工的管理和控制，保证食品的营养品质和卫生质量，促进人体的健康。例如：荔枝的果实在采收后3～4天即开始变褐、变质、霉烂极不耐贮，通过用扫描电镜技术观察果皮结构，果皮的鲜红色是栅状组织细胞含大量花色甙所致，此花色甙流失，果皮即呈褐色。荔枝的外果皮仅有一层细胞外壁薄，角质层也薄，防止水分散失的能力差，果内的水分可部分地通过角质层散失到果外[8]。再如，运用扫描电镜对多种常见可食用淀粉颗粒的超微形貌进行观察，将考察的所有种类淀粉颗粒分为：块茎形、棒形、球形、扁平形、复粒结构、棱角圆滑和棱角尖锐多面体形及肾形等类别，通过扫描电子显微镜对淀粉颗粒超微形貌特征上加强国内淀粉产品的质量监管提供可靠参考[9]。

5.电子显微镜技术在园林专业实验教学中的应用。林学与园艺学专业是农业的重要组成部分，学习和掌握果树、蔬菜、花卉及观赏树木的栽培与繁育技术。园艺学科属于应用基础和应用型研究学科，是以农业生物学为主要理论基础，研究园艺作物生长发育和遗传规律的一门学科，也是研究园艺作物起源与分类、种质资源、遗传育种、栽培、病虫害防治及采后处理、贮藏加工等应用技术与原理的综合性学科。例如，观察五倍子乙醇提取物对表皮葡萄球菌的体外抗菌活性及其在电镜下菌细胞形态超微结构的变化时，采用新的中药抑菌实验方法对五倍子乙醇提取物进行表皮葡萄球菌的最低抑菌浓度测定，用电镜观察用药后细菌细胞的形态改变。在电镜下观察经五倍子处理的表皮葡萄球菌细胞的超微结构，扫描电镜显示菌细胞形态大小不等，排列不整齐，大多数菌细胞的细胞壁破裂。在透射电镜下，菌细胞细胞壁结构、层次不请，胞浆膜层次不分明，细胞质内含物大多消失，细胞浆内包含体和染色体模糊不清[10]。再如，用扫描电镜对黑龙江产十种不同科属、不同生境的蕨类植物的孢子囊和叶表皮进行了详细观察，结果表明蕨类植物的孢子囊和叶表皮在扫描电镜下，显示出更为丰富的形态特征，并表现出细致而稳定的异同点，可作为蕨类系统分类的现代手段，能更好地应用于疑难科属的分类研究[11]。

6.电子显微镜技术在农业工程学专业实验教学中的应用。工程学是研究自然科学应用在各行业中的应用方式、方法的一门学科，同时也研究工程进行的一般规律，并进行改良研究。在农学专业中工程学专业主要包括水利科学专业、机械与交通专业、化学专业等学科。在工程学专业中建筑材料的质量与性质，对于工程建设至关重要。例如：对纳米材料特性的研究一般与粒径的大小分布及形状等微观结构有着重要的关系，扫描电子显微镜（SEM）和透射电镜（TEM）等，可以在极高的放大倍数下直接观察纳米颗粒的形貌和结构，特别是测量纳米颗粒的大小，既直观又非常方便，所以电子显微分析是研究纳米材料的一种重要手段，而其中透射电镜则是最常用的检测设备之一。透射电镜是基于传统电子束技术上发展起来的，它分辨率高、放大倍数高，分辨本领已达到了0.1～012nm，所得到的纳米图像直观清晰，可以揭示物质内部的微细结构，广泛应用于材料科学与生命科学领域，是研究纳米材料的常用重要分析仪器之一[12]。

三、展望

在农业技术快速发展的进程中，对农业人才专业素质的培养有了更高的要求。因而在教学过程中，就要使学生能够更扎实地掌握其专业基础知识和科学研究能力，在未来的农业科学的研究中，对样本显微和超微结构的研究也就越发深入，因而电子显微镜技术在农学专业的应用也越加广泛。因此，将电子显微镜技术应用于农业高等院校的科研和教学，使学生对动植物以及材料科学超微结构的认识有更加清晰地了解，为农业专业的人才培养和农业现代化发展提供技术保障，也可以为农业的发展提供重要的技术手段。

参考文献：

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[10]李仲兴，王秀华，时东彦.五倍子提取物对表皮葡萄球菌的抗菌作用及其扫描和透射电镜观察[J].中国中医药信息杂志，2004，10（11）：867-869.

[11]邢怡，党安志，刘保东.黑龙江产十种蕨类植物孢子囊和叶表皮的扫描电镜观察[J].植物研究，2004，4（24）：413-419.

[12]刘仁林，虞功清.植物透射电镜样品制备技术的改进[J].江西林业科技，2008，（1）：41-43.

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以青为模式生物的缘起

在生物学领域，生物学家习惯通过对选定的生物物种进行科学研究，用以揭示某种具有普遍规律的生命现象，这种被选定的生物物种就被称为模式生物。对生物学家而言，选取合适的模式生物作为研究对象尤为重要。19世纪末20世纪初，人们发现，如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上，发育现象的难题便可以得到部分解答。李名友从2000年进入中国科学院水生生物研究所研究遗传学伊始，就与生物的生殖繁衍结下不解之缘，选择便于研究的模式生物也成为一切研究的基础。

提到模式生物，人们首先会想到小鼠。小鼠和人类亲缘关系近，与人类共享着80%的遗传物质和99%的基因，在生物学领域应用广泛，是当今世界上研究最详尽的哺乳类实验动物，然而，其胚胎深埋于母体子宫中而无法进行胚胎学观察。鱼类体外产卵，胚胎透明，可以很好地弥补这一缺陷，而且鱼类的胚胎发育在体外进行，因此鱼类成为研究发育生物学的优良品种。从鱼类生殖细胞研究中获得的信息，可以为了解其他动物、包括人类的繁衍或不育提供重要线索和新的见解，鱼类生殖细胞的研究将为生物生殖细胞学和生殖工程学提供大量有用信息。

鱼类模式生物中，以斑马鱼应用最为广泛。除斑马鱼外，青也因其独特的优势占有一席之地。青是一种原产东亚的小型卵生淡水硬骨鱼，胚胎透明，在28℃下培养，其胚胎10天后便可孵化，两三个月内达到性成熟；成鱼体型较小，大约3～4厘米长；青鱼适应性强，能够在4℃～40℃的范围内生存。和斑马鱼相比，它的基因组较小，只有斑马鱼的一半，具有成熟的细胞培养技术、有性染色体、性别决定的性别分化基因等；青鱼的发育在体内进行，早期阶段便于观察。

所有的这些优势，让青鱼成为研究生殖生物学、干细胞学和发育生物学等方向的良好模式物种，李名友以青为模型，建立起方法学，然后运用于应用研究。

建立性控育种基础平台

物种的延续和繁衍主要依靠生殖细胞，在鱼类及许多其他的生物中，生殖细胞在胚胎发育早期就已形成，且由原始生殖细胞发育而来，任何一个发育过程的缺陷都会导致不育，要想保证生殖的万无一失，就要对整个发育过程进行全程监督。

“青不仅胚胎透明，而且还有成体透明的品系，利用生殖细胞被特异标记过的转基因青鱼，从胚胎发育到成体阶段，可以很清晰地观察到生殖细胞发育的全过程。”李名友说，“这样就可以发现生殖基因在生殖细胞发育的哪个阶段起作用”，为了解鱼类的繁殖育种建立了理论基础，为阐释人类的不育机制做出必要补充，利用这一原理，可以开发辅助生殖技术，协助缺少任何阶段生殖细胞的不育病人完成生殖活动。

此外，性别决定和性别分化在鱼类进化、生殖和生产过程中有特殊的意义。鱼类的性别分化有着惊人的多样性：很多重要的经济鱼类，特别是海水鲈形目种类如石斑鱼类，常常会发生性逆转――既有先雌后雄型，也有先雄后雌型。在很多鱼中，性别不同，生长速度的差异也很大，有的是雄性长得快，如鲤鱼、罗非鱼和黄颡鱼等；有的是雌性长得快，如牙鲆、半滑舌鳎和虹鳟等。李名友介绍说，青有性别染色体，有雄性和雌性决定基因，其性别决定机制研究较为透彻，用它做模式物种，便于研究性别决定机制，为性控育种建立基础平台。

这种通过人为干预，使动物繁育按照人们所希望的性别繁殖后代的性控技术，在我国鱼类水产业已有应用，如全雄黄颡鱼，全雌鲤鱼和雌性比例占优势的牙鲆等，大大提高了渔业的经济效益。在这其中，了解生殖细胞的发育全过程以及性别决定和分化的机制，就可以为正确使用性控技术提供理论支持。

“借腹怀胎”技术

2009年，世界上首例半克隆青鱼“霍莉”诞生。霍莉是由单倍体细胞的嵌合卵发育而来，单倍体细胞只有一套染色体，进行细胞核移植时，只需把单倍体细胞移植到未去核的卵母细胞，就能保证父母双方对后代遗传信息的贡献，而且能像正常受精发育一样，产生一个新的、不可预知的父母双方遗传特性的结合体，为单倍体胚胎干细胞核能够模拟授精并产生后代提供了直接的理论依据和实验证据，这是半克隆技术区别于克隆技术的关键。

在半克隆技术基础之上，李名友正在研究“生殖细胞移植――借腹怀胎技术”这一项目。生殖细胞移植是调节鱼类生殖的重要细胞工程技术，譬如使用转基因的生殖细胞获得鱼类新品种，从亲缘关系较近的小型鱼类代替亲本获得重要大型经济鱼类的配子，利用冷冻生殖细胞技术可保存濒危物种的基因资源等。“借腹怀胎”技术将在发展可持续渔业及保护生物学领域发挥其巨大的潜能。

生殖干细胞和生殖细胞移植发展虽已有10多年历史，并在多种经济鱼类中取得了可观的成绩，但仍有诸多问题亟待解决――如性成熟周期过长、不育受体难以获得……生殖细胞移植技术从实验室走上生产应用还有一定距离，而模式鱼类如斑马鱼和青，技术成熟、性周期短，可以很好地弥补这些缺陷；用模式鱼代孕经济鱼类，可以大大缩短育种周期，提高育种效率。青很容易因为生殖细胞缺失而得到不育的受体，将标记的生殖细胞作为供体移植到青囊胚、小鱼或成鱼中，得到的全是供体的后代。

利用青的这一优势，李名友致力于研究生殖干细胞和受体体细胞之间相互作用的分子机制。这些研究为利用模式鱼“借腹怀胎”生产经济鱼类积累技术和建立技术平台，为遗传育种和濒危种质资源的保护和恢复提供新的思路和方法，最终建立模式生物代孕经济鱼类――借腹怀胎技术平台。

细胞生物学研究技术范文篇3

【中图分类号】R454【文献标识码】A【文章编号】1007-8517(2010)14-023-1

纳秒脉冲技术是近年来新兴的前沿研究课题,它的迅速发展促进了肿瘤治疗的进步。本文介绍了纳秒脉冲技术的特点、作用原理以及在医药领域中的应用。

1概述

目前生物学上传统的电穿孔治疗的研究多集中在脉冲电场致细胞膜结构的种类发生改变,尚未涉及对细胞核DNA的作用。纳秒脉冲(Nanosecondpulse)由于上升时间极短,不足以对细胞膜充电,而能量密度又高,可使电场透过细胞膜进入内部对细胞核等产生影响,尤其是对核DNA等产生较强的破坏作用。脉冲时间达到纳秒级,传递到组织和细胞的能量很小,细胞内引起的热效应可忽略;输入能量较低的前提下,由于作用时间达到千万亿分之一秒,产生的瞬态高功率脉冲可在不损害生物的前提下获得更强的生物效应;安全耐受、无并发症。

微秒脉冲虽然可以导致细胞膜出现电穿孔,但膜上的微孔的形成是可逆的,在撤去电场后微孔能自行恢复,因此并不足以直接杀死肿瘤细胞;纳秒脉冲不但能够诱导肿瘤细胞发生可逆性电击穿即电穿孔和内处理效应,而且在保证患者安全的前提下,将恰当参数组合的脉冲引入到肿瘤组织中,使细胞发生不可逆性电击穿效应并诱导细胞凋亡,达到杀伤肿瘤细胞的目的,同时还可诱发机体抗血管和淋巴转移效应、免疫效应等,破坏肿瘤的生存条件,有效地减少肿瘤细胞转移到其他部位的可能性,提高治疗的有效性和安全性[1]。

纳秒脉冲技术在医药领域内初试锋芒是在2002年世界十大科技进展新闻评选中:科学家使用脉冲间隔为千万亿分之一秒的脉冲,分别对两种实验动物的卵巢细胞和肾脏细胞进行“连珠炮”式的“轰击”,致使细胞膜上出现了一个孔径极小的孔,顺利地移植入目标物质。在此之后,细胞自身的生长帮助细胞膜上的这个小孔再度“关闭”,使细胞结构恢复正常[2]。

2在医药领域中的应用

2.1治疗皮肤疾病(Dermatologydisease)

用Q-Switchedlasers治疗病人额头的痣。治疗前额头的痣颜色深、显著;而用Q-Switchedlasers治疗后,颜色变淡,几近消失[1]。

2.2药物转运(Drugdelivery)

当携带药物的微粒通过细胞的内吞作用进入细胞内后,给细胞一定的纳秒脉冲,能促使载药微粒释放药物,从而达到药物在细胞内释放的效果[3]。

2.3肿瘤治疗(Cancertherapy)

传统肿瘤治疗方法的机理在于杀伤肿瘤细胞并抑制其生长与增殖,因而只能延缓肿瘤的进展,不能达到治愈的目的。而诱导肿瘤细胞凋亡能使肿瘤组织缩小甚至消失,减少对正常细胞的损害和治疗过程中的不良反应。因此,研究诱导肿瘤细胞凋亡方法及机制,对于肿瘤治疗有着特别重要的意义。目前,国内外的学者已开始研究利用纳秒脉冲技术用来治疗皮肤癌[4]、前列腺癌[5]、黑色素瘤[6]、白血病[7]、卵巢癌[8]、肝癌[9]。

在恶性肿瘤细胞中,细胞核通常较大,并表现为多形性和染色质增多,核仁数目增多,常规染色的肿瘤细胞中核仁深染并且增加。长脉冲作用在细胞膜上,对细胞核、线粒体等细胞器基本没有影响;随着脉宽减小,电场透过细胞膜进入内部,对细胞核等产生影响;当脉宽小到纳秒级别时候,电场能穿过核膜对核仁等产生较强的破坏作用。当周期性的脉冲作用于肿瘤细胞时,细胞处于不断的充放电动态过程,从而在核中及其周围形成电场,由于增生旺盛的肿瘤细胞核染色质的介电常数与周围原生质的介电常数不等,必然造成肿瘤细胞核对纳秒脉冲的高度敏感性,从而达到选择性杀伤的目的,能杀伤并抑制恶性肿瘤生长[10]。

2.4医学影像(MedicalImaging)

四川绵阳的西南科技大学信息与控制工程学院的傅佑麟等[11]将此技术应用于人体内部探测,取得一定的研究进展。

除上述应用之外,纳秒脉冲技术对伤口愈合[12]、去除息肉、除脂(减肥)等方面也有一定的研究和应用[13]。

3商业化前景

KarlH.Schoenbach教授2004年在《Nature》预言:纳秒脉冲将在近几年内可望实现临床试验并逐步得到应用,这种方法不需要药物的辅助就能达到良好的杀灭肿瘤细胞的效果,可以避免炎症、溃疡和化学药物等副作用[13]。

4现存问题与展望

研究的肿瘤类型和药物类型有限,仅限于头颈癌、皮肤癌、胰腺癌、肝癌、黑色素瘤、卵巢癌等肿瘤,对其他肿瘤研究尚无报道;目前的研究大多为离体细胞实验,在体动物实验的报道少见;科研费用昂贵,需要强大的资金后盾。

纳秒脉冲技术在医药领域中的应用是电工学科与生命学科高度融合,是一项多学交叉的、综合性、前沿研究课题。作为一种物理学领域崭新发展起来的细胞干预手段,纳秒超短脉冲在细胞内的生物过程和机理都尚无深入研究,是一个充满未知数的有趣研究方向。

参考文献

[1]杨孝军,胡丽娜,李均,等.低能陡脉冲致人卵巢癌SKOV-3细胞核DNA链断裂损伤的实验研究[J].实用妇产科杂志,2004.