随着人类基因组计划的完成，基因组学、蛋白质组学已经为大家所熟悉。20世纪末，药理毒理学家又提出了代谢组学(metabolomics或metabonomics)的概念。生命体内的许多终端效应分子并不都是核酸和蛋白质，许多非核酸非蛋白质类的中间及终末代谢产物在执行着重要的生理生化功能。代谢组学就是以研究细胞内一整套代谢产物为目的的学科。但人们要问，如果基因组和蛋白质组的结构和功能都搞清楚了，代谢组学也弄明白了，就能了解细胞了吗?回答是可以，但不全面，因为细胞的整体行为仍不清楚。于是又有了细胞组学(cy—tomics)的说法，它涵盖了细胞中的一切事件，是细胞基因组、蛋白质组、代谢组及细胞行为网络的总体概括。经典的细胞生物学着重研究细胞的形态、亚细胞结构及细胞器的功能，而细胞组学还强调细胞的整体行为及内环境和外环境对细胞行为的影响。 细胞组可以被定义为人体的细胞系统以及亚细胞系统和功能组分。
细胞组学是对于细胞组差异性进行研究的学科，更确切地说，细胞组学是基于基因型差异并综合全面的生物信息学知识而概括出的单细胞分子表型的学科。不同表型细胞功能的调节是一个具有高度动态性、空间性和时间性细微差异的过程。
细胞组学(cytomics)属于系统生物学(systems biology)的范畴，但与基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢物组学相比，同时兼有在单细胞水平独有的“一组学”和功能相结合的特征，是连接基因组、蛋白组和
组织功能的桥梁。细胞组学是近年来发展起来的一种致力于确定单细胞分子表型，进而研究细胞结构及分子功能的科学。其本质是使用高灵敏多参数荧光分析方法整合多种单细胞的不同事件，阐释组织和有机体的复杂事件和行为。 可以说，基因组定义了一个生物体的遗传潜力，但是不能完全反映环境变化时细胞整体功能性的变化，而细胞是机体表现功能的基本单位，其功能紊乱直接导致疾病的产生，因此，细胞不同的分子表型(疾病或受疾病影响的细胞分子表型)即细胞组学成为探索疾病分子机制行之有效的策略。
从认识生命的理论角度看，某一物种只有一套基因组，而这套基因组编码着一套蛋白质组，在细胞的不同状态或机体内不同的细胞组，一定不是全套基因组编码的整套蛋白质组在起作用，而只是特定的基因编码的一系列蛋白质决定着细胞的不同状态或功能，随着细胞状态或功能的转变，其存在的分子基础也必将改变，这将是cytomics的主要研究对象与内容。从研究生命的技术角度看，多细胞生物体内有许多具有不同状态(不同生命活动状态或功能状态)的细胞体，形成了生物体细胞层面的异质性，尽管它们都具备同一套基因组或理论上的蛋白质组，但在不同的细胞体中构成其表型的实际蛋白质组却大不一样，这种具有同一实际蛋白质组和同样细胞表型的细胞体被认为是“细胞组”(cytome)；只有从多个细胞组(cytome)并存的细胞异质体中，将特定的细胞组分离出来，作进一步的生化分析，才能从浩瀚的全套基因组和蛋白质组数据中，解读出决定细胞身份和命令细胞行为的密码。
2.细胞组学的历史发展
众所周知，人类基因组计划(Human Genome Project，HGP)的实施，带动了许多相关领域的发展，使得病毒、细菌、酵母、植物、动物、乃至人类的基因组得以阐明，由此产生了基因组学(Genomics)——该学科通过相应的核酸分析技术，明确了物种的全套基因组及其序列(Genome)。接着，研究基因组里每个基因的具体功能成为所有生命科学研究者要面对的课题。为此，人们将基因组学进一步分为结构基因组学(structural genomics)和功能基因组学(functional genomics)。前者旨在阐明基于核酸序列的氨基酸序列决定的蛋白质三维结构，填补核酸序列与蛋白质结构间的逻辑空白。后者则在于阐明基因的功能。功能基因组学又分为两大领域，一是蛋白质组学(proteomics)，MarcWillens 1994
年首先提出的“蛋白质组”(proteome)一词，系指任一物种的基因组编码的全套蛋白质。因此，蛋白质组学是基于蛋白质组的研究，它通过相应的蛋白质分析技术(主要是双向电泳和质谱技术)去阐明物种基因组表达的全套蛋白质组。显而易见，蛋白质组学与结构基因组学的数据并不能解释细胞的特定状态或功能，这一凸现的问题驱动着功能基因组学的另外一个重要领域——cvtomics的形成。Cytomics的概念首先由Davies等提出，他们发现，当使用来自动物细胞骨架的分子探针和技术进行植物细胞骨架研究时，极少蛋白质被鉴别出来，但这并不意味着植物细胞就只有如此少的蛋白质构成其细胞骨架，而是说明应采用植物细胞特定的技术和方法去检测之。事实也证明，当他们采用植物细胞特异的技术和方法后，很快发现了一些新的植物细胞骨架蛋白质，因此，他们提出了植物“cytomics”的概念。
随后，在国际互联网上开始了有关cytomics的多角度的讨论，包括来自基因组学领域、生化领域和分析细胞学领域的专家，直至由国际分析细胞学会(International Society for Analytical Cytology，ISAC)倡议，在2003年4月召开第一届国际Cytomics研讨会，才使这一领域研究得以全面展开。
3.细胞组学技术的优势
细胞组学作为一门新兴的学科其分析策略具有以下优势：
(1)分析因素完整详尽。细胞组学是细胞系统异质性的多分子、单细胞分析，结合同一样本中体细胞的分析结果，获得细胞分子表型最完整详尽的信息。
(2)分析手段高效。应用于细胞组学的流式细胞术(flow cytometry，FCM)或者细胞成像分析可以在数秒钟之内提供成千上万个单细胞的多参数分子信息，快速确定多种细胞类型异质性的特征性表达分子。
(3)与基因组学及蛋白质组学分析相比，其结果更接近体内真实情况。在一定范围内，细胞异质性的出现反映了在复杂调节网络中细胞间的相互作用，包含了丰富的结构和功能调节通路的分子信息，更接近体内真实环境。
(4)细胞组学分析有助于补充基因组学及蛋白质组学研究结果。
由分子及蛋白(基因)对不同分子所表现的不同行为起源进行逆向分析，有助于阐明疾病发展及疗效的分子机制。
(5)细胞组学的技术手段易于临床应用。应用细胞组学手段对少量细胞进行分析，即可预测患者的疾病进展，并为有效的提供实验依
据。
4.细胞组学的技术性和分析性功能
细胞组学的本质是采用灵敏、非侵害性、基于荧光技术的方法，对于单个细胞进行集成化分析，以揭示组织和生命体的复杂行为。由于大量荧光标记物和多种仪器专用荧光探针的应用，细胞组学分析已实现了多参数、多及多元化，能够定性和定量测定，也可以进行终点法和动态连续测量。更重要的是，细胞组学技术能够根据细胞荧光定量数据与细胞组学成像技术对细胞形态进行综合分析。在当前的细胞组学技术中，已建立了流式细胞术、激光捕获显微切割(1aser capture microdissection，LCM)、共聚焦激光扫描显微(confocal laser scanning microsco．PY，CLSM)、激光扫描细胞分析术(1aser scanning cy．tometry，LSC)以及高内涵筛选(high—content screening，HCS)和生物成像等相关技术。其中HCS由于可以同时提供高内涵和高通量分析，也被用于药物发现和毒理学检测。
3．1 流式细胞术
该方法要求细胞(或生物学微粒)为悬浮状态。FCM可以对同一细胞的多种荧光标记物进行发射光的定量，并且发射光与其形态相关，能够揭示关键细胞的功能和结构。分析速度可以达到每秒上千个细胞，并根据异质细胞中的单个细胞的荧光或发射光特性将其分开。FCM具有多参数特
征，并可进行终点法或动态测定，能够在选定的细胞中定量分析药物作用引起的细胞效应，提供多种靶标，为细胞敏感性或抗药性提供直接证据。
3．2 激光捕获显微切割卡孔
地铁人员定位
为了改进细胞分离手段，在固体组织中实现细胞分离纯化，人们发展了多种显微切割方法。LCM 技术以自动化及标准化的显微切割能力，增加了从复杂组织中选择目标细胞来进行后续分子分析的重复性和准确性。它由倒置显微镜配合一个小功率的近红外激光器组成。激光可精确地将单个细胞或一团细胞选出用于分析。这样就可以比较异质性、检测突变，并比较同一组织中多种细胞类型的基因表达。
线性相位>拉纸笔
3．3 共聚焦荧光扫描显微镜
CLSM检测法优于传统的荧光显微镜，因为它排除了对焦不准造成的模糊，并且可以在较厚标本中产生连续的光学叠加。共聚焦可以应用于标记了适宜荧光探针的固定或活的样品。在某些特定高内涵分析实验中需要进行共聚焦，特别是那些要求对细胞器或细胞膜进行精确辨别定位的实验。在异质细胞
中，有些细胞可能由于有丝分裂或凋亡而变圆，偏离大多数细胞的聚焦平面，且在分析中被遗漏，而共聚焦则可以对完整样本进行采集。由于这项技术可以根据空间和时间进行荧光测定进而得到完备的细胞信息，因而越来越多地被用于科学和技术领域
3．4 激光扫描细胞分析术
LSC是一种基于显微镜的扫描荧光计，结合了流式细胞术和细胞成像术的优点。它可以通过直接测定固定样品中单个细胞的荧光来进行多参数分析，如在多种载体包括玻片、培养皿和多孔板上的单层细胞、涂片、印记、离心细胞或组织块。此外，它可以对目标细胞进行再着和坐标的重新定位分析。最后通过荧光测定单细胞的结果可以用直方图或散点图表示，并用单细胞照片或照片图表结合表示，从而进一步分析¨。
3．5 高内涵筛选生物成像
典型的HCS生物成像系统是由自动荧光显微镜，捕获图像的电荷耦合器件图像传感器(charge coupled device，CCD)照相机和一个图像存储及数据处理系统组成的。图像获取和分析的每一步骤都是由软件控制的。当HCS生物成像系统应用于细胞水平的高通量筛选时，这项创新技术允许使用多孔板并在每次实验中对大量细胞进行分析。由于HCS成像仪具有滤镜和分光镜体系，可以收集多种荧光波长，因而可同时产生多个细胞指标，包括每种荧光标记细胞组分(如DNA和蛋白质)的荧光强度和定位，还可
水田打浆机测量其数目、大小和形状。该系统的速度可以达到每秒检测一个孔并使瞬时l生和空间分辨率相结合。此外，它具有保持稳定温度和CO条件的能力，可以进行活细胞功能实验。图像水平的高内涵实验与其他技术相比，具有多种优势。首先，它可以对贴壁细胞进行分析，保留了所有的形态特征和目的靶标分析；更重要的是，固定细胞可以进一步用其他探针试剂或抗体进行检测，其存档的图像可以利用不同的分析方法处理，因而可以从同一样本中提取出更多的附加信息。另一个重要优势是可以用较少的细胞得到更有力的数据结果，如可以在高密度孔板上以最小化的载体(384或1536孔板)进行实验，提高了通量，同时节约了时间和试剂。
5.虚拟细胞与虚拟技术
研究细胞可以用活体细胞，也可采用虚拟技术，即用计算机模拟细胞内的反应系统并进行虚拟实验。虚拟细胞的前期工作可以追溯到20世纪80年代。但那时还称不上真正的虚拟细胞，而只不过是单个的生化反应虚拟系统，真正算得上的第一个虚拟细胞出现在90年代。Mycoplasma genitalium的基因组很小，只有580kb，约含480个基因，实验证明其自我生存所必需的基因仅127个，其中105个编码蛋白质，22个编码rRNA及tRNA。用了495条规则将之构成一个虚拟的自我生存细胞(self—surviving cell)，虚拟了糖酵解、蛋白质合成及降解、基因转录与翻译，以及脂质合成等代谢途径。第二个虚拟细胞是人红细胞，它无复制、无转录、无翻译，结构与功能相对较覆膜砂自动生产线
为简单。红细胞主要有两种功能：携02／CO，及维持自身生存。为要生存，它需要能量(ATP)和还原剂(NADH、NADPH)，因而在虚拟红细胞中构建了糖酵解通路、磷酸戊糖通路及核苷酸代谢通路。
为了验证虚拟细胞的可用性，进行了红细胞饥饿实验。最初设想糖酵解是红细胞中ATP生成的惟一途径，ATP是糖酵解的惟一能源，如果剥夺葡萄糖供给，必然导致ATP的减少。但在虚拟系统实验中，“剥夺”葡萄糖之后，却出现了ATP瞬时增多，而后才减少的现象。用活体细胞重复上述实验，得到相同结果，印证了虚拟红细胞实验的正确性。ATP瞬时增多的解释是：在糖酵解途径前半段，葡萄糖→6-磷酸葡萄糖及6-磷酸果糖→l，6-二磷酸果糖两步反应中各消耗1分子ATP。后半段中，1，3-二磷酸甘油酸→3一磷酸甘油酸，及磷酸烯醇式丙酮酸→烯醇式丙酮酸两步反应各生成1分子ATP，但1个六碳糖生成2个三碳糖，故后半段中这两步反应共生成4个分子ATP。快速剥夺葡萄糖供应后，ATP消耗先阻断，ATP生成后停止，时间差造成ATP瞬时增多，但最终归于耗竭。
在虚拟细胞的基础上，又通过数字技术在计算机内模拟了人的器官乃至人体的正常生理或病理状态，即所谓的虚拟器官／虚拟疾病／虚拟人。如果将糖尿病虚拟患者、风湿性关节炎虚拟患者、哮喘病虚拟患者用于先导化合物的筛选，将会开辟新药研制的新天地。
虚拟技术是在系统地收集和分析实验研究积累的大量有关生理生化数据及物理化学参数
并建立数据库的基础上，用数学描述语言输入基于化学计量学和酶动力学动态质量平衡的综
合性代谢模型中，并借助代数方程、微分方程或偏微分方式解析这些数据，开发出可显示性
软件，用于虚拟实验。虚拟细胞的运作包括启动／规则运行／界面显示等。显示的界面如Re．actor Window可浏览任一生化系统或其某一反应：Substrate Window可选择底物或改变给入量；Genemap Window则可以变化基因表达。酶的抑制／复活、底物或代谢物的剥夺／加入、药物或毒物的添an／剂量调整，配伍、基因敲除／敲人、器官切除／复位等只需点击，即可实现。
6.细胞组学与肾脏病学
由于许多疾病都不是单基因、单靶点确定的，其发生发展过程存在复杂的信号与网络系统，利用完全基因组序列与先进的仪器一起，如影像分析和流式细胞术同时对大量单细胞多重分子多样性快速测定，可定量测定细胞悬液范围内各种细胞功能状态，获取工作模型全套资料。
在肾脏疾病中，例如肾炎，肾细胞不但是被动受害者，也是直接参与者，即在此特定情况下肾细胞也是炎症细胞，能产生多种炎症介质，加重肾炎。通过细胞组学技术的分析和检测，可以了解细胞行为，疾病状态下细胞结构和功能的差异性，细胞的内外环境变化，从细胞层面阐明疾病发生发展的分子通路及调节模式，从而很更加明确疾病的发生和发展过程。比如，可以先研究肾细胞表型背景下的基因表达，蛋白功能，代谢成分情况，而在疾病情况下可出现细胞或细胞组学的分子异常，分子细胞表型呈现的“疾病——特异性分子谱”和诊断或预测性标志物，通过编写出不同的分子谱，采用不同的
分子谱，了解疾病分子细胞表型是怎样影响细胞组学。这些特异性分子谱和标志物，也将成为药物研究的作用环节／靶标。如炎症细胞、免疫细胞等，均可在细胞结构和功能上提供特征性的评价指标。
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