Становлення Анатолія Гольцева як вченого пройшло у стінах Інституту проблем кріобіології та кріомедицини НАН України починаючи від витоків його створення Миколою Пушкарем та до теперішніх днів, від аспіранта до академіка НАН України. Його першим науковим вчителем була Алла Цуцаєва – керівник відділу кріоімунології. Алла Цуцаєва у середені 70-х років минулого сторіччя вперше започаткувала на теренах України науковий напрямок – кріобіологія гемопоетичних і стромальних стовбурових клітин. Саме в цьому відділі Анатолій  Гольцев виконав кандидатську і докторську дисертації. У подальшому протягом багатьох років його вчителем був видатний вчений, лікар і громадський діяч – академік НАН України Валентин  Грищенко – директор ІПК і К НАН України (1983-2011 рр.).

З 1993 р. А.М. Гольцев очолює відділ кріопатофізіології та імунології (КПФ та І), відтоді  було сформульовано основний науковий напрям відділу КПФ та І, а саме: вивчення особливостей перебігу патофізіологічних процесів у біологічних об’єктах різного рівня організації після дії низьких температур та специфічність відповіді на них імунної системи організму. Анатолій Гольцев є ініціатором і виконавцем розробок технологій кріоконсервування, довгострокового збереження та забезпечення функціональної повноцінності біооб’єктів різного походження: кісткового мозку, широкого спектру клітин і тканин фетального походження (печінки, нервової тканини, тощо), клітин плаценти, кордової крові та особливостей відповіді імунної системи організму на їх введення з метою подальшого використання в клінічній практиці. Вже на початку роботи відділу у цьому напрямку під його  керівництвом  було захищено кандидатську дисертацію за спеціальністю «кріобіологія» аспіранткою Оленою  Луценко.
Враховуючи злободенність розвитку аутоімунних захворювань, протягомі багатьох років у відділі акцентовано увагу на  питанні вивчення патофізіологічних аспектів і механізмів розвитку різних аутоімунних патологій від клітинного до молекулярного рівнів. Анатолієм Гольцевим започатковано новий напрямок наукових досліджень – обгрунтування можливості використання кріоконсервованих продуктів фетоплацентарного комплексу для лікування хвороб аутоімунного генезу. Саме по цій тематиці співробітниками відділу: Бабенко Н.М., Козловою Ю.О., Ямпольською К. Є., Бондаровичем М.О., Рассохою І.В. та іншими, більшість яких і по теперішній час продовжують працювати у відділі кріопатофізіології та імунології, було захищено дисертаційні роботи.

З метою підвищення ефективності лікування аутоімунних і вірусних патологій у відділі також вперше розроблені теоретичне обгрунтування і методичні підходи до ліофілізації лейкоконцентрату кордової крові людини, що може бути значним внеском у клінічну медицину, зокрема у період пандемії COVID19.

Важливим напрямком досліджень, який у відділі ведуть пров.н.с. Волкова Н.О. та ст.н.с. Юхта М.С., є використання клітинних нанотехнологій для відновлення хрящової тканини та корекції імунного статусу при лікуванні аутоімунної патології, розробка біотехнологічних методів з метою використання біополімерних гелів для ефективного кріоконсервування сперматогоніальних стовбурових клітин та тканин звитих канальців для відновлення фертильності у чоловіків при різних станах сперматогенезу. Результати цієї роботи неодноразово були високо оцінені на вітчизняних і міжнародних форумах.

Під керівництвом Анатолія  Гольцева його учнями проводяться дослідження на молекулярно-генетичному рівні з вивчення впливу факторів кріоконсервування, на стан клітин стовбурового компартменту із різних джерел. Теоретично обгрунтована і експериментально доведена можливість використання кріоконсервування як фактора  спрямованої регуляції «intrinsic state» клітин різного походження. Отримано важливі результати для розробки нових підходів до діагностики і лікування злоякісних пухлин за допомогою нанотехнологій і ультранизьких температур. Підтвердженням важливості цих багатовекторних підходів до діагностики і лікування злоякісних пухлин за допомогою нанотехнологій є патенти на винахід за цієї тематикою, які посіли перше місце в 2016 р. на Всеукраїнському конкурсі “Винахід року” в номінації “медицина”. У відділі вперше був запропанований науковий напрямок, який має безпосереднє відношення до архіважливої проблеми сучасності – онкології. А саме сумісно з Інститутом сцинтиляційних матеріалів НАН України були розроблені і науково обгрунтовані піході сумісного використання ультранизьких температур наночастинок ортованадатів для візуалізації і інактивації стовбурових ракових клітин.

Підготовка кваліфікованих наукових кадрів є невід’ємною частиною професійної діяльності Анатолія  Гольцева і його наукової школи. З 1980 по 2011рр  він був вченим секретарем, а з 2011 по 2021 р. головою Спеціалізованої вченої ради ІПКіК НАН України. З 2011 р. і до теперішнього часу є координатором кафедри ЮНЕСКО з кріобiологiï при ІПКіК НАН України та керівником медико-біологічної секції Північно-Східного наукового центру НАН і МОН України.

На базі ІПКіК НАН України Анатолій Гольцев викладає навчальні дисципліни за спеціальністю 091 – Біологія: “Кріобіологія в системі біологічних наук”, “Загальні проблеми та конкретні підходи до кріоконсервування клітин і тканин” та за спеціальністю 222 – Медицина: “Кріобіологічні та біотехнологічні підходи в сучасній медицині”.

Під його керівництвом  22 кандидатських дисертаційних робіт. Він був науковим консультантом 4 докторських дисертацій.
За свою плідну наукову та педагогичну діяльність Анатолія Гольцева  вшановано багатьма відзнаками: Державною премією України в галузі науки та технiки (1992 р.). Вiн є соросівським професором (1998 р), був нагороджений  іменною стипендією Харківської обласної держадміністрації для видатних вчених ім. І.І.Мечникова в області медицини і біології (2006 р.), почесною відзнакою Української Федерації вчених (2015 р.). У 2008 р. наукова діяльність Анатолія Гольцева була відзначена нагородою НАН України «За наукові досягнення». У 2016 р. А.М. Гольцева нагороджено медаллю «Почесного доктора Харківського національного університета ім. В.Н. Каразіна», йому присуджено звання «Заслужений діяч науки і техніки України» і вручено відзнаку за активну співпрацю з науковцями НАМН України (2018 р.). У 2019 р. був нагороджений премією НАН України ім. В.П. Комісаренка в галузі патофізіології і ендокринології за серію наукових праць «Визначення патофізіологічних основ розвитку імунозалежних захворювань з метою розробки ефективних способів їх лікування». В 2020 р. йому було присвоєно почесне звання «Почесний академік «Української медичної стоматологічної академії»».
Також він  є членом редколегій відчизняних і закордонних журналів, очолює Харківські обласні товариства кріобіологів і кріомедиків, імунологів. Співробітники відділу є членами Всеукраїнських товариств геронтологів, онкологів, імунологів та алергологів, міжнародного товариства “Society for Low Temperature Biology”.

Учні Анатолія Гольцева завдяки його професійному досвіду, підтримці, цінним порадам вченого та викладача у теперешній час виросли, сформувалися і відбулися не тільки як науковці, а q як викладачі. Так, Ірина  Рассоха – доцент кафедри медичної біології Харківського національного медичного університету. Ольга Кучкова (Кожина) – заступник завідуючого гематологічного відділення Обласного клінічного онкологічного центра. Дмитро  Лебединець – доцент Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна, лікар невропатолог Центрального клінічного госпіталю Укрзалізниці, керівник інсультного центру клінічної лікарні Феофанії. Тетяна Калініченко– завідувачка лабораторії кріоконсервування гемопоетичних клітин ДУ “Інституту гематології та трансфузіології” НАМН України. Олексій Ліхіцький – спеціаліст Лабораторії із  вивчення екто- та ендопротезування.

На теперешній час Анатолій Гольцев, його учні і колеги докладають всіх зусиль з метою продовження плідної діяльності школи, популяризації своїх традицій та результатів.