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基因脈沖導入技術及應用
日期：2024-10-22 23:04
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摘要：
生命科學儀器2005第3卷/第5期
孫云1,2，蘇明皓2，袁其平1，童崢嶸2，徐寶強2
（1.中民航學院,天津300300；2.天津理工大學光電信息與電子工程系,天津300191）
摘要 本文先介紹了細胞電穿孔的基本原理和天津理工大學自行研制的 基因脈沖導入儀，重點介紹了細胞電穿孔誘導基因轉移在動物細胞、植物細胞、**、酵母上的應用及電穿孔技術的些特殊應用。基因脈沖導入技術應用前景十分廣泛。
關鍵詞基因脈沖導入，細胞電穿孔，膜電位
1細胞電穿孔的基本原理
細胞電穿孔是種新型生物物理新技術，它可使細胞可逆穿孔，從而導入外源RNA、DNA蛋白分子和各種小分子，產生具有新的生物性狀的轉化細胞株。該技術具有效率、低毒性、普適性和可控性的特點，在細胞工程和基因工程等方面具有廣泛應用。
設細胞為球形，懸浮在溶液里并處于電場中。電場誘導的膜電位可由下式表示：
V=1.5αEcosθ
（1）式中α是細胞的半徑，E是外加電場強度，θ是經過細胞膜任意點的徑向與電場方向之間的夾角。對于細胞的兩個點θ=0°或θ=180°，外加電場誘導的膜電位可進步簡化為：Vdp=1.5αE （2）
隨著外加電場強度的增大，在細胞膜上誘導的膜電位也隨之增大。當增大到定程度，細胞膜將出現電穿孔現象。此時的誘導膜電位Vcr叫臨界膜電位，Ecr叫做臨界外加電場。般認為，外加場強為1～10KV/cm、電脈沖的持續時間在1μs～10ms時細胞膜會出現微孔。
公式（1）是細胞電穿孔的理論基礎，又是實際應用的依據。但是實際情況是非常復雜的。例如，所有細胞都不是理想的球形，不同細胞形態各異、大小不同，就是同種細胞的大小、形狀也有區別；不同細胞膜組分有所不同，不同的培養條件以及細胞懸浮液成分不同造成生理條件不同等，對電穿孔都有不同程度的影響。因此公式不能給出準確值，只能給出參考值，應用中的實際電場強度仍需由實驗來確定。
2導入技術
2.1導入技術的介紹
基因脈沖導入儀的主要功能是產生個電壓、大電流指數規律的尖脈沖。其主要組成包括壓脈沖產生器、微機控制板和電小池。
無論在阻或低阻（例如含鹽或蔗糖緩沖液）情況下都可以正常工作，可用于植物、動物和各種微生物的各類細胞電穿孔，并能得到很的轉化率。該儀器用電擊法和傳統法相比簡單易行，省時間，效率，達到外同類產品的致效果。
根據客戶要求在原有產品基礎上我們又做了改進，研制出LN-201、301系列產品。LN-301系統框圖如圖2所示。該儀器采用點陣式LCD顯示，能夠同時顯示多個信息，可做到漢字、字符同屏，便于用戶的操作和使用。系統可單脈沖和多脈沖兩種功能，便于用戶的選擇使用。組合電容由0.5、1、2、4、8、10μF的6個電容組合而成，可根據用戶的需要自由地組合。為了避免壓放電對單片機的干擾，采用了數字地和模擬地各自獨立的方式，使該儀器的穩定性、可靠性得到較大的提。
與此配套的放電小池有1mm、2mm、4mm三種不同規格的放電小池。其中2mm、4mm小池的電有粘貼型的，1mm、2mm小池電有采用工字鋁注塑型的。
2.2電改進
在原有各種電解小池的基礎上，為了更好的滿足客戶在基因**和臨床醫學方面的要求，我們又提出針狀電代替放電小池的方案，研制出各種放電電如用于動物原地**注入（**增敏）和轉基因的針狀電（平行和梅花形）。四川大學實驗表明，當定強度的瞬態電磁脈沖作用于細胞體時，在細胞膜上將形成瞬時微孔，促進**等大分子進入細胞液。利用電穿孔結合******在昆明小鼠上接種和生長的S-180肉瘤，結果證明，這種方法可以明顯的抑制腫瘤細胞的生長。中醫學科學院整形醫院，用針狀和平板的組合電，實驗進展很順利，取得了很好的效果。
3技術應用
3.1電穿孔誘導基因的應用
（1）電穿孔誘導基因轉移在動物細胞上的應用利用電穿孔技術轉化動物細胞雜種已成為許多實驗室種有效的常規手段。電穿孔轉化率比傳統方法要數倍至上千倍。對貼壁生長的細胞，可以在單層培養物上進行原位基因電轉移，不僅操作簡便，且轉移效率較[1]。動物細胞電轉移不僅廣泛應用于各種轉化細胞株，而且為遺傳病的基因**了良好的前景。
（2）電穿孔誘導基因轉移在植物細胞上的應用
它可以效地把外源DNA或RNA攝取到受體細胞，建立起轉化新株。例如將質粒pCMC1020導入大豆原生質中，已選擇出轉化愈傷組織，并生長出根[2]。
又將pD23和pMP1質粒導入玉米原生質中經選擇培養已獲得轉化植株[3][4]。植物電穿孔可以獲得耐寒、耐旱、抗蟲、抗病毒等良品種。
（3）電穿孔誘導基因轉移在**上的應用[5]
**電穿孔基因轉移應用研究近幾年來有了很大的發展，目前已有100多種**能成功地進行基因電轉移。
天津醫科大學第附屬醫院將質粒D N A和噬菌體DNA成功地轉化或導入大腸桿菌。該電場單次電壓脈沖范圍1.0 k V/2.5 k V（初電場強度2.8kV/cm～16kV/cm）、電容范圍為5～20μF，用質粒p U C 1 8和受體菌株D H 5α，獲得轉化率為109～1010/μgDNA。
（4）電穿孔誘導基因轉移在酵母上的應用
酵母細胞電穿孔誘導基因轉移，如能把有關的目的基因轉移到細胞而得到表達，并能篩選出所需要的菌株，則對制藥業、釀造業和輕工業起到巨大推動作用。
復旦大學生物化學系成功地進行了青島海葵強心多肽在枯草桿菌和畢氏膠木中的分泌表達研究。
3.2電穿孔技術的特殊應用
（1）電插入法將蛋白分子
插入細胞膜當外加電場大于或等于臨界值時，在細胞膜上形成親水的孔洞，貫通于細胞內外。而當外加電場稍小于臨界值，但可將外源蛋白質插入細胞質膜，而不造成明顯的損傷。這種新穎的方法叫電插入法。例如將CD4受體插入紅細胞膜上，不僅可以延長受體的循環生活期，而且了種**艾滋病的方法[6]。
（2）將蛋白分子導入細胞
在條件下，電穿孔可使細胞損傷小，而又使細胞有效地通透，將內切酶抗體等導入細胞。例如將腫瘤天門冬酰胺合成酶的單克隆抗體導入SHU**細胞和人成纖維細胞HT-5K，細胞成活率達80%～90%，而且90%的活細胞結合了抗體[7][8]。
（3）建立基因庫
電穿孔技術現已公認是在原核細胞中進行基因轉移的有效的手段。對些好的菌株，其轉化率達1010/μgDNA，從而僅用少量DNA即可構建綜合的基因庫。Dower等利用電穿孔方法已經開發構建大于109個獨立重組的質粒庫[9]。
（4）在原位研究酶的活性
例如海膽卵在受精過程中，其生理活性增強，而酶是影響新陳代謝的因素，研究酶調節機制是令人感興趣的問題，電穿孔對細胞完整的干擾小，可以把帶標記的底物導入細胞，進行酶活性的研究[10]。
（5）基因靶定向
在通常情況下，導入哺乳動物的DNA在細胞內基因組由非同源重組整合到非特定位置上。導入的DNA也可以偶然地由同源重組直接整合到特定位置。這種同源重組稱為基因靶定向。基因轉移效率越，同源重組體就越多。而電穿孔方法了個快速、效的將外源DNA導入哺乳動物細胞的方法，使之能很容易的產生大量的細胞轉化體，成為基因靶定向中誘導DNA進入細胞的個值得推薦的方法。
參考文獻
[1]Raptis,L.,andFirth,K.L.,1990DNACellbiol.9:615-621
[2]Christon,P.,et al.,1987,PNAS USA.84:3962-3966
[3]Rhodes.C.A.,etal.,1988Science240:204-207
[4]Allen,S.P.andBlaschek,H.P.,1990,FEMSMicrobriol.Lett.70:217-220
[5]宋詩鐸、張同海、祁偉、趙為誠、徐寶強、劉建民應用電激法在大腸桿菌中導入外源性DNA生物工程學報1993，9（3）：237-240
[6]Zeira,M.,etal.,1991,proc.Natl.Acad.Sci,USA.88:4409-4413
[7]Chakrabarti,R.,1989,J.Biol.Chem.264:15494-15500
[8]BerglandD.L.,andStarkey,J.R.,1991,Cylometry12:64-67
[9]Dower,W.J.,and Cwirla,S.E.,1992,in“Guide to Electroporation and Electrofrsion ”Chang, D.C.,etal.,editors Academic press,Ssn Dieago p291-301
[10]Swezeg,R.R.,and Epel,D.,1992,同上，p347-361
孫云1,2，蘇明皓2，袁其平1，童崢嶸2，徐寶強2
（1.中民航學院,天津300300；2.天津理工大學光電信息與電子工程系,天津300191）
摘要 本文先介紹了細胞電穿孔的基本原理和天津理工大學自行研制的 基因脈沖導入儀，重點介紹了細胞電穿孔誘導基因轉移在動物細胞、植物細胞、**、酵母上的應用及電穿孔技術的些特殊應用。基因脈沖導入技術應用前景十分廣泛。
關鍵詞基因脈沖導入，細胞電穿孔，膜電位
1細胞電穿孔的基本原理
細胞電穿孔是種新型生物物理新技術，它可使細胞可逆穿孔，從而導入外源RNA、DNA蛋白分子和各種小分子，產生具有新的生物性狀的轉化細胞株。該技術具有效率、低毒性、普適性和可控性的特點，在細胞工程和基因工程等方面具有廣泛應用。
設細胞為球形，懸浮在溶液里并處于電場中。電場誘導的膜電位可由下式表示：
V=1.5αEcosθ
（1）式中α是細胞的半徑，E是外加電場強度，θ是經過細胞膜任意點的徑向與電場方向之間的夾角。對于細胞的兩個點θ=0°或θ=180°，外加電場誘導的膜電位可進步簡化為：Vdp=1.5αE （2）
隨著外加電場強度的增大，在細胞膜上誘導的膜電位也隨之增大。當增大到定程度，細胞膜將出現電穿孔現象。此時的誘導膜電位Vcr叫臨界膜電位，Ecr叫做臨界外加電場。般認為，外加場強為1～10KV/cm、電脈沖的持續時間在1μs～10ms時細胞膜會出現微孔。
公式（1）是細胞電穿孔的理論基礎，又是實際應用的依據。但是實際情況是非常復雜的。例如，所有細胞都不是理想的球形，不同細胞形態各異、大小不同，就是同種細胞的大小、形狀也有區別；不同細胞膜組分有所不同，不同的培養條件以及細胞懸浮液成分不同造成生理條件不同等，對電穿孔都有不同程度的影響。因此公式不能給出準確值，只能給出參考值，應用中的實際電場強度仍需由實驗來確定。
2導入技術
2.1導入技術的介紹
基因脈沖導入儀的主要功能是產生個電壓、大電流指數規律的尖脈沖。其主要組成包括壓脈沖產生器、微機控制板和電小池。
無論在阻或低阻（例如含鹽或蔗糖緩沖液）情況下都可以正常工作，可用于植物、動物和各種微生物的各類細胞電穿孔，并能得到很的轉化率。該儀器用電擊法和傳統法相比簡單易行，省時間，效率，達到外同類產品的致效果。
根據客戶要求在原有產品基礎上我們又做了改進，研制出LN-201、301系列產品。LN-301系統框圖如圖2所示。該儀器采用點陣式LCD顯示，能夠同時顯示多個信息，可做到漢字、字符同屏，便于用戶的操作和使用。系統可單脈沖和多脈沖兩種功能，便于用戶的選擇使用。組合電容由0.5、1、2、4、8、10μF的6個電容組合而成，可根據用戶的需要自由地組合。為了避免壓放電對單片機的干擾，采用了數字地和模擬地各自獨立的方式，使該儀器的穩定性、可靠性得到較大的提。
與此配套的放電小池有1mm、2mm、4mm三種不同規格的放電小池。其中2mm、4mm小池的電有粘貼型的，1mm、2mm小池電有采用工字鋁注塑型的。
2.2電改進
在原有各種電解小池的基礎上，為了更好的滿足客戶在基因**和臨床醫學方面的要求，我們又提出針狀電代替放電小池的方案，研制出各種放電電如用于動物原地**注入（**增敏）和轉基因的針狀電（平行和梅花形）。四川大學實驗表明，當定強度的瞬態電磁脈沖作用于細胞體時，在細胞膜上將形成瞬時微孔，促進**等大分子進入細胞液。利用電穿孔結合******在昆明小鼠上接種和生長的S-180肉瘤，結果證明，這種方法可以明顯的抑制腫瘤細胞的生長。中醫學科學院整形醫院，用針狀和平板的組合電，實驗進展很順利，取得了很好的效果。
3技術應用
3.1電穿孔誘導基因的應用
（1）電穿孔誘導基因轉移在動物細胞上的應用利用電穿孔技術轉化動物細胞雜種已成為許多實驗室種有效的常規手段。電穿孔轉化率比傳統方法要數倍至上千倍。對貼壁生長的細胞，可以在單層培養物上進行原位基因電轉移，不僅操作簡便，且轉移效率較[1]。動物細胞電轉移不僅廣泛應用于各種轉化細胞株，而且為遺傳病的基因**了良好的前景。
（2）電穿孔誘導基因轉移在植物細胞上的應用
它可以效地把外源DNA或RNA攝取到受體細胞，建立起轉化新株。例如將質粒pCMC1020導入大豆原生質中，已選擇出轉化愈傷組織，并生長出根[2]。
又將pD23和pMP1質粒導入玉米原生質中經選擇培養已獲得轉化植株[3][4]。植物電穿孔可以獲得耐寒、耐旱、抗蟲、抗病毒等良品種。
（3）電穿孔誘導基因轉移在**上的應用[5]
**電穿孔基因轉移應用研究近幾年來有了很大的發展，目前已有100多種**能成功地進行基因電轉移。
天津醫科大學第附屬醫院將質粒D N A和噬菌體DNA成功地轉化或導入大腸桿菌。該電場單次電壓脈沖范圍1.0 k V/2.5 k V（初電場強度2.8kV/cm～16kV/cm）、電容范圍為5～20μF，用質粒p U C 1 8和受體菌株D H 5α，獲得轉化率為109～1010/μgDNA。
（4）電穿孔誘導基因轉移在酵母上的應用
酵母細胞電穿孔誘導基因轉移，如能把有關的目的基因轉移到細胞而得到表達，并能篩選出所需要的菌株，則對制藥業、釀造業和輕工業起到巨大推動作用。
復旦大學生物化學系成功地進行了青島海葵強心多肽在枯草桿菌和畢氏膠木中的分泌表達研究。
3.2電穿孔技術的特殊應用
（1）電插入法將蛋白分子
插入細胞膜當外加電場大于或等于臨界值時，在細胞膜上形成親水的孔洞，貫通于細胞內外。而當外加電場稍小于臨界值，但可將外源蛋白質插入細胞質膜，而不造成明顯的損傷。這種新穎的方法叫電插入法。例如將CD4受體插入紅細胞膜上，不僅可以延長受體的循環生活期，而且了種**艾滋病的方法[6]。
（2）將蛋白分子導入細胞
在條件下，電穿孔可使細胞損傷小，而又使細胞有效地通透，將內切酶抗體等導入細胞。例如將腫瘤天門冬酰胺合成酶的單克隆抗體導入SHU**細胞和人成纖維細胞HT-5K，細胞成活率達80%～90%，而且90%的活細胞結合了抗體[7][8]。
（3）建立基因庫
電穿孔技術現已公認是在原核細胞中進行基因轉移的有效的手段。對些好的菌株，其轉化率達1010/μgDNA，從而僅用少量DNA即可構建綜合的基因庫。Dower等利用電穿孔方法已經開發構建大于109個獨立重組的質粒庫[9]。
（4）在原位研究酶的活性
例如海膽卵在受精過程中，其生理活性增強，而酶是影響新陳代謝的因素，研究酶調節機制是令人感興趣的問題，電穿孔對細胞完整的干擾小，可以把帶標記的底物導入細胞，進行酶活性的研究[10]。
（5）基因靶定向
在通常情況下，導入哺乳動物的DNA在細胞內基因組由非同源重組整合到非特定位置上。導入的DNA也可以偶然地由同源重組直接整合到特定位置。這種同源重組稱為基因靶定向。基因轉移效率越，同源重組體就越多。而電穿孔方法了個快速、效的將外源DNA導入哺乳動物細胞的方法，使之能很容易的產生大量的細胞轉化體，成為基因靶定向中誘導DNA進入細胞的個值得推薦的方法。
參考文獻
[1]Raptis,L.,andFirth,K.L.,1990DNACellbiol.9:615-621
[2]Christon,P.,et al.,1987,PNAS USA.84:3962-3966
[3]Rhodes.C.A.,etal.,1988Science240:204-207
[4]Allen,S.P.andBlaschek,H.P.,1990,FEMSMicrobriol.Lett.70:217-220
[5]宋詩鐸、張同海、祁偉、趙為誠、徐寶強、劉建民應用電激法在大腸桿菌中導入外源性DNA生物工程學報1993，9（3）：237-240
[6]Zeira,M.,etal.,1991,proc.Natl.Acad.Sci,USA.88:4409-4413
[7]Chakrabarti,R.,1989,J.Biol.Chem.264:15494-15500
[8]BerglandD.L.,andStarkey,J.R.,1991,Cylometry12:64-67
[9]Dower,W.J.,and Cwirla,S.E.,1992,in“Guide to Electroporation and Electrofrsion ”Chang, D.C.,etal.,editors Academic press,Ssn Dieago p291-301
[10]Swezeg,R.R.,and Epel,D.,1992,同上，p347-361