细胞工程（Cell engineering）是指依据细胞生物学、分子生物学、工程学等基本原理，在细胞整体水平或细胞器水平上，定向改造细胞遗传特性，制造生物产品或创造新型生物，为遗传育种、资源保护、医药研究等行业提供服务的技术。细胞工程的主要研究对象包括染色体、细胞核、原生质体、整个细胞、受精卵、胚胎、组织、器官，甚至一个个体，如转基因动物等。
细胞工程是生物工程，或称生物技术（Biotechnology）大范畴中的一类。生物技术的发展历史久远，甚至人们还未完全了解细胞的情况下，凭借生活经验，就已经开始了古老生物技术的探索，如中国古代的酿酒、发面、醪糟等。时至今日，现代生物工程已经发展为涵盖生物学、化学、工程学，以至于数学、计算机、信息控制等诸多学科的综合性技术。从研究和操作层次上看，生物工程也衍生出包括发酵工程、酶工程、细胞工程、基因工程、生物化学工程和蛋白质工程等六大类别，细胞工程即属此列。
依据研究对象的不同及操作技术的差异，细胞工程主要涉足动植物细胞与组织培养、细胞融合、染色体工程、胚胎工程和细胞遗传工程等几大研究领域。并且，细胞工程技术已在优质植物快速培育与繁殖，动物胚胎工程快速繁殖优良与濒危品种，利用动植物细胞培养生产活性产物与药品，新型动植物品种的培育，供医学器官修复或移植的组织工程，转基因植物的生物反应器工程，珍稀动植物资源的保存与保护，以及在遗传学、发育学、能源、环境保护等方面得到广泛应用。
第一节 细胞培养
细胞培养是指人为设置适宜的生存条件以保证不同细胞能在体外生长，包括植物细胞的培养、动物细胞的培养和微生物细胞的培养三类。细胞培养的目的在于获得细胞，或是获得细胞的代谢产物。在细胞培养的过程中，不仅需要相关的器材和设施，更为重要的是，因不同细胞生长所需的营养物质和外界条件各异，故而需要针对不同的培养对象作针对性的实验设计。不同来源的细胞，由于内部构造、生理功能，以及生活环境的差异，培养细胞的形态特征、生长方式、细胞增殖等方面都表现出了一定的差别。近年来，随着细胞培养在医药和生物制品行业的广泛应用和蓬勃发展，一种大规模的细胞培养技术也应时而生，用于单克隆抗体、激素、细胞因子、病毒疫苗和一些特殊功能的效应细胞的生产。
【知识拓展】
组织培养：指在无菌条件下，将离体的植物器官（如根尖、茎尖、叶、花等）、组织（如花药组织、胚乳、皮层等）、细胞（体细胞、生殖细胞等）、胚胎（成熟或未成熟的胚）、原生质体等培养在人工配制的培养基上，给予适当培养条件，诱发其产生愈伤组织、潜伏芽，或者长成新的完整植株的一种实验技术。
一、细胞培养的设备、器材和培养基
（一）设备
一般，细胞培养需要三大必备设施：一个无菌实验室、一个超净工作台和一个恒温培养箱。无菌实验室由更衣间、缓冲间和操作间三部分组成，内设空气消毒用的紫外灯、空气过滤净化器和恒温装置；超净工作台内设鼓风机，驱动空气通过高效滤器过滤净化后，让净化空气徐徐通过台面空间，使操作区构成无菌环境；恒温培养箱分变通电热恒温培养箱和CO2培养箱，实验室普遍采用的是后者，它能提供较为恒定的CO2，通常为5％，使培养基的pH值保持稳定。
另外，细胞培养中还需要如干燥箱、冰箱、光学显微镜、离心机、消毒器、抽滤装置等。
（二）器材
细胞培养所需要的器材很多，包括玻璃器材，如培养瓶、培养皿、吸管、离心管等；塑料器材，如96孔板；橡胶器材，如瓶塞、盖子等；金属器材，如剪刀、镊子、手术刀、解剖刀、血管钳等。另外，还有纱布、注射器、牛皮纸、棉布、硫酸纸、铝盒、线绳等其他用品。因离体细胞对外界各种生化物质很敏感，所以上述器材的清洗、消毒是影响细胞培养成功的一个重要因素。
（三）培养基
在细胞培养过程中，所用溶液和培养基的好坏将直接影响实验的最终结果，因此在配制时要十分注意。平衡盐溶液，是细胞培养中常用的液体，一般由无机盐和葡萄糖配制而成，起着维持渗透压、缓冲和调节酸碱度等作用。常用的几种平衡盐溶液包括磷酸盐缓冲液（PBS）、Hanks液、碳酸氢钠溶液、胰蛋白酶溶液、EDTA溶液、抗生素溶液等。培养基，是维持细胞体外生存和生长的液相基质，包括天然培养基、人工合成培养基两大类。理想的培养基应具备以下几个特性：保持正常细胞渗透压和pH缓冲系统；供给细胞基本营养物；无毒无害、基本成分容易定量且容易配制。
二、细胞培养的条件
细胞培养的条件应模拟体内生长环境，除保证细胞生长所需的营养外，还要考虑细胞生长的环境如温度、气体环境、氢离子浓度、渗透压等。一般而言，细胞培养需要以下几类物质：水、糖、氨基酸、维生素、无机离子、微量元素、血清、促细胞生长因子等。
【知识拓展】
渗透和渗透压：细胞的生命活动需要一种相对稳定的离子浓度。因细胞膜对水具有可透性，水会从低溶质浓度一侧（高水浓度）向高溶质一侧（低水浓度）运动，这种运动称为渗透。水分子运动的驱动力等于跨膜水压的差异，称为渗透压（Osmotic pressure）。
三、细胞生长的方式、类型和增殖特点
细胞是构成除病毒外的生命体的基本结构单位。不同来源的细胞，其内部构造不同、生理功能不同、所处环境条件不同，因而形态也多种多样。在体外条件下，培养细胞大多在培养瓶（皿）中生长，按生长方式的不同可分悬浮型生长和贴壁型生长两种情况。悬浮型生长的细胞，因胞内渗透压高于周围液体环境，细胞基本呈圆形，像血液白细胞、淋巴组织细胞、某些肿瘤细胞、杂交瘤细胞、转化细胞系等都属此类；贴壁型生长的细胞，因受到细胞和细胞间、细胞和器皿表面的接触影响，一般会表现出成纤维细胞型细胞、上皮型细胞、游走型细胞、多形型细胞等四种类型。在细胞进行正常的生长时，无论细胞种类和供体年龄如何，在生长中大致都要经过潜伏期、指数增长期、平衡期和衰亡期等四个时期。
【知识拓展】
Hayflick界限：1961年，Hayflick提出，细胞，至少是培养的细胞，不是不死的，而是有一定的寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限；细胞分裂的次数在于细胞本身，与外界培养条件无关；癌细胞可以无限增殖。
接触抑制：细胞在生长过程中达到相互接触时停止分裂的现象。
第二节 胚胎干细胞
干细胞（Stem cell，SC）是一类具有自我更新与分化潜能的细胞。依据分化潜能的差异，干细胞可分为单能干细胞，如表皮干细胞只能分化产生角化表皮细胞；多能干细胞，如造血干细胞可分化产生12种类型的血细胞；全能干细胞，如受精卵可分化产生构成生物体的所有类型的细胞。依据来源的不同，干细胞可分为成体干细胞和胚胎干细胞。
胚胎干细胞（Embryonic stem cell，ESC，ES细胞），是一种全能干细胞，是从着床前胚胎内细胞团或原始生殖细胞经体外分化抑制培养分离的一种全能性细胞系，可以分化成任何一种组织类型的细胞。胚胎干细胞最早是由埃文斯（Evans）和考夫曼（Kaufman）以及马丁（Martin）等1981年分别从小鼠早期胚胎中分离培养成功并建立细胞系。
一、胚胎干细胞的特征
胚胎干细胞体积小、核大、有一个或多个核仁，细胞中多为染色质，结构简单，散布着大量核糖体和线粒体。对高等脊椎动物而言，干细胞在机体组织中的居所被称为干细胞巢，构成了干细胞增殖与分化的一个微环境，这种微环境一定程度上决定了其体外生长的特点。
胚胎干细胞具有高度的分化潜能，以小鼠干细胞为例，如果改变培养环境和条件来诱导其分化，则其可形成包括心肌细胞、神经细胞等多种类型细胞，而且细胞的分化是沿着正常胚胎发育的顺序进行。
二、胚胎干细胞的建系
（一）ES细胞的分离获得
胚胎干细胞的来源为囊胚期胚胎的内生细胞团（Inner cell mass，ICM）或原始生殖细胞（Primordial germ cell，PGC）。不同物种，甚至同一物种的不同品系动物的胚胎发育速度存在差异，因此，不同动物选择胚胎发育的时机也是不同的。一般而言，小鼠多选用3～4天的囊胚；牛多选用6～7天的囊胚；人取7~8天的囊胚。为了提高ES细胞的分离效率，在实验中可采用一些方法处理目的胚胎，如以外源激素处理胚胎使其缓着床、囊胚内细胞团的体外培养处理、透明带的脱带以裸露胚胎等方法。
（二）ES细胞的分化抑制培养和建系
细胞分化是指全能性或多能性细胞在形态、生理生化和功能上向专一或特异性方向转变的过程，其本质是细胞内部不同基因的差异性时空表达的结果。因为，ES细胞具有高度的分化潜能，因此，它的培养需采用分化抑制培养的方法，通常采用饲养层培养法，即应用小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）和SIM小鼠成纤维细胞耐硫代鸟嘌呤细胞作为饲养层细胞，ES细胞在其上培养。因为，MEF和SIM都能分泌促进胚胎干细胞增生的因子，如成纤维细胞生长因子，以及抑制胚胎干细胞自主分化的因子，如白血病因子（LIF），结果使得ES细胞既能增殖，又能抑制其分化。ES细胞经培养可获取大量增殖的ES细胞，经传代培养建系，ES细胞一旦建系便生长迅速，一般约18～24小时分裂一次，每两天更换一次培养液，每3～4天传代一次。
【知识拓展】
成纤维细胞：是结缔组织中最常见的细胞，由胚胎时期的间充质细胞分化而来。细胞呈梭形或扁的星状，具有突起。在结缔组织中，成纤维细胞还以其成熟状态——纤维细胞的形式存在，二者在一定条件下可以互相转变。成纤维细胞乃是功能活动旺盛的细胞，细胞和细胞核较大，轮廓清楚，核仁大而明显，细胞质弱嗜碱性，具明显的蛋白质合成和分泌活动。
（三）ES细胞的保存
长期培养的ES细胞会出现变异，表现在核型出现异常、细胞存活数目减少。因此ES细胞建系成功后，在早期传代过程中需要不断冻存。细胞冻存包括以下环节：抗冻保护剂的选择与添加、植冰和降温速度、解冻方法、抗冻剂的脱除等。当前，常采用的冷冻保护液为液氮（零下196℃），冷冻保护剂为二甲基亚砜（DMSO）、氨基酸（AA）、丙三醇等。
三、胚胎干细胞体外诱导分化与应用
胚胎干细胞具有高度的分化潜能，在特定的体外培养条件和诱导剂的共同作用下，胚胎干细胞可分化成各种类型的细胞。
（一）ES细胞可作为研究某些前体细胞起源和细胞谱系演变的理想的材料
因ES细胞在体外可被诱导分化成各种类型的细胞，而在细胞变化的过程中，必然先要经过一定的前体细胞阶段，如造血干细胞可定向分化成血液中至少12种类型的血细胞，在此过程中，可以观察到细胞的形态变化。
（二）ES细胞可作为定性和定量分析不同细胞因子对其生长和分化影响的材料
如维甲酸（Retinoic acid，RA）可诱导ES细胞分化为神经细胞；二甲基亚砜（Dimethyl sulfoxide，DMSO）可诱导ES细胞成为肌肉细胞；血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）可诱导ES细胞成为血管内皮细胞等。
（三）ES细胞可作为研究某些基因在胚胎发育中功能表现的材料
通过外源基因的导入，或内源基因的剔除来观察目的基因的功能。如果发现早期胚胎有某种基因缺陷而会患基因病如囊性纤维化（一种30岁以前便会致人死亡的疾病），可以收集部分或全部胚胎干细胞，通过基因工程技术将正常的基因替代干细胞中的缺陷基因，再将修复后的胚胎干细胞嵌入胚胎中，将会出生一个健康的婴儿。
（四）ES细胞可作为特化细胞的移植材料
如1995年，帕克西斯（Pacacios）等利用骨髓基质细胞或其条件培养液诱导ES细胞在体外分化成造血干细胞。这一重大研究进展不仅证明了ES细胞体外分化为造血细胞的机制与在体胚胎相似，而且也为临床输血找到了一条新途径。再有，1995年，贝恩（Bain）等用悬浮培养4天的拟胚体在含甲酸（RA）的培养液中继续培养4天，再使拟胚体贴壁培养可以高度重复地分化出神经细胞。
此外，胚胎干细胞在细胞学、组织学、器官修复、基因治疗方面都具有非常令人憧憬的应用前景。如用胚胎干细胞对脊髓损伤的修复；ES细胞可作为理想的供体心肌细胞源用于临床细胞移植，补充因病损伤的心肌组织；ES细胞可以被培养成胰岛β细胞而用于临床糖尿病的治疗；通过基因添加（Gene addition）疗法和基因组编辑（Genome editing）疗法用于遗传病患者的治疗，以及ES细胞用于更广泛的整形医学，等等。
