细胞动力学参数

研究细胞增殖动力学时，不仅要分析细胞周期，还要包括一些其他的参数，称为细胞动力学参数，如分裂指数、标记指数、生长分数和细胞消亡等。对体外培养的细胞，还可分析生长曲线、最大细胞密度、贴瓶率或克隆形成率等。
分裂指数 简称MI (mitotic index)。在细胞群体中，分裂细胞所占的比例，可代表该群体细胞增殖的情况。在一定时间内观察到的分裂象数目，随细胞进入分裂的速度和分裂时间的长短而定。MI的计算是连续数1,000个细胞内的分裂细胞数。
标记指数 简称LI (labelling index)。用氚标记的胸腺嘧啶核苷(3H-TdR)进行脉冲标记，经放射自显影术计算1,000个细胞内的标记核数，即为LI。生长快的瘤组织和DNA合成期长的细胞群体其LI高。在组织学上这一群细胞的LI与另一群的不同； 肿瘤表面细胞的LI比中心区为高。
生长分数 简称GF (growth fraction)。在细胞群体中一般可分增殖细胞和非增殖细胞两种成分，GF为细胞群体中增殖细胞的百分数。有的肿瘤，如恶性淋巴肉瘤和胚胎瘤的生长分数可达90%，而腺癌的生长分数则少于6%。非增殖细胞包括生长慢的细胞、不连续增殖的细胞、间期很长的细胞和接近消亡的不育细胞。GF可用³H-TdR标记测定。(LI)P值来自代表增殖细胞特性的标记有丝分裂曲线。
细胞消亡 死细胞或活细胞从肿瘤组织中消亡常可影响肿瘤的生长率。在动物中，可用放射自显影术分析细胞动力和体积测量相结合的方法，定量测定细胞的消亡率。由于这种技术是间接的，操作需时较长，故有人改用直接测定3H-TdR的转换率，也可用¹³¹I、¹²⁵I、标记的碘脱氧尿嘧啶核苷(¹²⁵I-UdR)或³H-TdR测定之。
培养细胞贴瓶率 贴瓶率简称PE (plating efficien-cy)，或称克隆形成率、集落形成率，是表示培养细胞能否增殖的指标之一。将分散的少量单个细胞置于培养瓶内，经一定时间后，计算由单个细胞形成的克隆数。PE的计算是克隆数除以被种入的细胞数。
最大细胞密度 当细胞培养的生长曲线达到最高值时，培养瓶内的细胞总数除以瓶底的面积，即为最大细胞密度。
细胞周期 细胞分裂结束后到下一次分裂的终末所经历的过程为细胞周期，此过程所需要的时间称为细胞周期时间(Tc)。这是50年代在细胞学上的重大发现之一，过去只注意细胞有分裂期及静止期，后来发现静止期并不静止，而在进行DNA、RNA、蛋白质和酶的合成，为细胞分裂准备条件，尤其是DNA在一定的时期中合成和加倍，经过细胞一分为二，DNA平均分配给两个子细胞，才能保持每个细胞内遗传物质的稳定性。1959年Quastler和Sharman利用³H-TdR标记小鼠小肠腺窝上皮的分裂象方法，测定细胞周期各个时相的时间，确定细胞周期中有G1、S、G2及M四个时相。1962年Lajtha等提出细胞群体是由一群细胞周期时相不均一的细胞所组成，还包括许多休眠状态细胞，称为G₀期细胞。关于细胞周期的模式图参见图1。下面简述四个时相的特点。
(1) G₁期(DNA合成前期): 细胞分裂完成后至DNA复制的间隙称为G1期。此期细胞内的DNA含量为二倍体。G₁期时间长短的变化比S、G₂和M期大，如小鼠食管上皮细胞的周期时间(TC)为115小时，十二指肠腺细胞为15小时。食管上皮细胞的G₁期长达103小时，而十二指肠腺细胞则为6小时，所以周期长短的差别主要在G₁期。生长很慢的组织(如肾、肝、胰等)和不更新的细胞（如神经细胞等）均含有G₁期的DNA。体外培养的细胞能可逆地使细胞增殖控制于G1期，如密度抑制营养缺乏和大部分抑素都可使细胞周期阻滞于G₁期。G₁期的完成需要RNA(tRNA、rRNA)和蛋白质合成，如用药物抑制蛋白质或RNA的合成，G₁期则不能完成，DNA复制就不能启动。可见G₁期的功能是为DNA合成作准备，决定细胞是否能进入S期。

图1 细胞周期模式图

(2) S期(DNA合成期): 细胞的DNA含量增加一倍，只在此期³H-TdR可掺入DNA。DNA分子合成有一定顺序，即在S期初期合成的DNA总是在初期合成，后期合成的总是在后期合成。原核细胞中的全部染色体组都包含在简单的DNA分子中，形成密闭圈。S期中分子的复制是从一个定点开始沿着圈向两个方向进行。真核细胞的DNA复制由大量复制单位完成，单个真核染色体有许多复制单位，核内DNA合成的诱导者在胞质。这种诱导物质没有种族特异性，在S期开始时产生，维持整个S期，S期外的时相都不存在。
(3) G₂期（增殖休止期）: 为DNA合成结束到有丝分裂前的间隙阶段。此期DNA复制已经完成，染色体螺旋丝仍处于延展状态。但仍有蛋白质和RNA合成，为有丝分裂做准备。G2期为细胞分裂周期中另一个敏感阶段，很多理化因素都可阻抑G2期，使细胞不能进入M期，导致分裂指数下降。
(4) M期（有丝分裂期）: 为细胞分裂期，可分前、中、后、末四期。
❶前期： 染色质逐渐形成染色体，每条染色体由两条纵半分体组成，核仁消失，核膜崩解，中心体分裂为两个中心粒出现星体和纺锤体。
❷中期： 染色体移向赤道面，在纺锤体上的染色体整列称赤道板。所有染色体的着丝点同时进行分裂，两个子着丝点移动分开时，染色单体也依次分开。
❸后期： 染色单体缩短，在两组染色体间纺锤丝拉长，这群细丝叫推进体，把子染色体推向两极。
❹末期： 子染色体向两极移动结束时即为末期的开始。核重建，染色体的染色线螺旋逐渐解开，出现核膜与核仁，胞质分裂。在胞质分裂时细胞器如线粒体和高尔基体等也分配到两个子细胞中。
目前分析细胞周期的方法有显微分光光度法或显微速流荧光分析法测定DNA含量。根据细胞群体DNA分布方图能大致确定细胞周期各阶段的细胞数量。用细胞融合的方法，分裂期的细胞诱导间期染色质早期浓集(premature chromosome condensation，简称PCC)，从不同形态特征可分析出G₁、S和G₂期细胞在细胞群体中所占的百分比。用BudR (b^romodeoxyuridine)标记，经Giemsa染色，显示姐妹染色单体差异染色，可算出在一定时间内经过几次周期的细胞数。北京市肿瘤研究所用此法分析了人类淋巴细胞周期，并算出细胞群体中各时相的平均时间。目前常用的还是放射自显影术，中国医学科学院肿瘤研究所，从标记分裂期曲线(图2)，测定作者培育的食管癌细胞株(Eca 109)细胞各时相的平均时间，得出G₁＝小时，S=小时，G₂＝4小时，M=小时， GT=小时。北京师范大学生物系与有关单位协作，用显微定格摄影法测定我国自己培养的几个细胞株的分裂时间，得出结果如下。

图2 标记分裂期曲线模式图

从标记中期曲线计算各时相的时间G₂＝t₀
M=2(t₁-t₀)
S=t₂-t₁
G₁＝t₃-t2-2t₁+t₀
GT=t₃-t1

细胞株	有丝分裂期各阶段时间（分）
	前期	中期	后期	末期	M期
食管癌Eca109 食管癌CaEs17 鼻咽癌CNE 肝癌BE77402 鼻咽癌三极分裂	11～20 10 15 5 33	10～50 32 34 29 23	8 8 3 4 4	20～40 7 9 6 13	49～118 57 61 44 73