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细胞培养基

一、 细胞培养基的概念和原理
细胞培养基是人工模拟细胞在体内生长的营养环境,是提供细胞营养和促进细胞生长增殖的物质基础。培养液或培养基的含义几乎相同,英文都是medium。当它是粉剂时,倾向性地称为培养基,而将粉剂配成液体后,多称为培养液。培养液中常常补加血清、***等成分。培养基主要包括天然细胞培养基、合成细胞培养基和无血清细胞培养基等。

天然细胞培养基是人们早期采用的细胞培养基,直接取自于动物组织提取液或体液,如血浆凝块、血清、**液、胚胎浸出液等。营养价值高,但成分复杂,差异大、不稳定,来源也受到限制。水解乳蛋白和胶原是两种较好的天然培养基,富含氨基酸。血清是天然培养基中*有效和*常用的培养基,但其组成成分复杂,其中一些成分与功能不明确。血清的来源有胎牛血清、小牛或成牛血清、马血清、鸡血清、羊血清及人血清,*广泛应用的为胎牛血清和小牛血清。

合成细胞培养基是用化学成分明确的试剂配制的培养基,组分稳定,主要包括糖类、必需氨基酸、维生素、无机盐类等。自1950 年199 细胞培养基问世以来,合成细胞培养基发展至今已有几十种,除了沿用半个世纪的基础合成细胞培养基之外,近年来还出现了营养成分更加丰富的低血清细胞培养基。由于细胞种类和培养条件不同,适宜的合成细胞培养基也不同,在动物细胞培养中*常用基础细胞培养基有6~7 种,如BME、MEM、DMEM、HAM F12、PRMI1640、199 等。由于天然培养基的一些营养成分不能被合成细胞培养基完全代替,因此一般需在合成细胞培养基中添加5%~10%的小牛血清。小牛血清的加入对细胞培养非常有效,但小牛血清的成分复杂,这对培养产物的分离纯化和检测会带来一定的不便,为减少小牛血清的影响,开发了营养成分更加丰富的低血清细胞培养基,可以将小牛血清的使用量降低到1~3%。

无血清细胞培养基(serum free medium, SFM)是指在使用中无需添加血清的细胞培养基,且其组成成分不含有任何动物组分。按照其组分分类,还可以分为无动物组分无血清细胞培养基和化学限定无血清细胞培养基,前者组分中可能含有某些植物来源成分,而后者完全由化学成分明确的组分组成。其中,无动物组分无血清细胞培养基是目前在生物制药行业中应用*广泛的,它提高了细胞培养的质量,避免了使用血清带来的麻烦。目前,已有多种无血清培养基上市,如杂交瘤细胞无血清培养基、CHO细胞无血清培养基、Vero细胞无血清培养基和NS0 细胞无血清培养基等。无血清培养基通常添加生长附加成分,如**与生长因子、低分子营养成分和转铁蛋白等促细胞生长的附加成分,一般包括胰岛素、孕酮、硒酸钠、腐胺、转铁蛋白等。

细胞培养基是细胞培养的基础,它为动物细胞的健康快速成长提供营养物质。所以只要用到细胞来制造生物技术产品,细胞培养基的重要作用就无可替代。

二、细胞培养基的种类与基本成分

2.1 天然培养基
天然培养基是指来自动物体液或利用组织分离提取的一类培养基,如血浆、血清、**液、鸡胚浸出液等。组织培养技术建立早期,体外培养细胞都是利用天然培养基。但是由于天然培养基制作过程复杂、批间差异大,因此逐渐被合成培养基所替代。

2.1.1 小牛血清

用于细胞培养的血清主要是牛血清,培养某些特殊细胞也用人血清、马血清等。选择用牛血清培养细胞的原因主要是来源充足、制备技术成熟、经过长时间的应用考验人们对其有比较深入的理解。牛血清分为小牛血清、新牛血清、胎牛血清。小牛血清取自出生10~30 天的小牛;新牛血清取自出生24小时之内的新生牛;胎牛血清应取自剖腹产的胎牛。显然,胎牛血清是品质*高的,因为胎牛还未接触外界,血清中所含的抗体、补体等对细胞有害的成分*少。牛血清对绝大多数哺乳动物细胞都是适合的,但并不排除在培养某种细胞时使用其他动物血清更合适。牛血清中含有丰富的细胞生长必须的营养成份,具有极为重要的功能。

1) 血清主要作用

(1) 提供基本营养物质:氨基酸、维生素、无机物、脂类物质、核酸衍生物等,是细胞生长必须的物质。

(2) 提供**和各种生长因子:胰岛素、肾上腺皮质**(氢化可的松、地塞米松)、类固醇**(雌二醇、睾酮、孕酮)等。生长因子如成纤维细胞生长因子、表皮生长因子、血小板生长因子等。

(3) 提供结合蛋白:结合蛋白作用是携带重要的低分子量物质,如白蛋白携带维生素、脂肪、以及**等,转铁蛋白携带铁。结合蛋白在细胞代谢过程中起重要作用。

(4) 提供促接触和伸展因子使细胞贴壁免受机械损伤,对培养中的细胞起到某些保护作用。

2) 优点和缺点

血清是非常复杂的混合物,成分多样,含有各种生理平衡的分子量差别很大的生物分子,有的对细胞生长有促进作用,如含有携带**、矿物质、微量元素和脂类物质的转运蛋白等。血清能够提供细胞贴壁因子和扩散因子。血清中含有起稳定作用和**的因子,能够维持培养基的pH 值并抑制蛋白酶直接或间接的酶解。但是血清的加入也带来了很多问题:
(1) 血清的成份可能有几百种之多,目前对其准确的成份、含量及其作用机制仍不清楚,尤其是对其中一些多肽类生长因子、**和脂类等尚未充分认识,这给研究工作带来许多困难;

(2) 血清都是批量生产,各批量之间差异很大,而且血清保存期至多一年,因此,要保证每批血清的相似性极为困难,从而使实验的标准化和连续性受到限制;

(3) 不能排除血清中含有易变物质,这被认为是“瓶中恶化”的原因之一。

(4) 对大多数细胞,在体内状态,血清不是它们接触的生理学液体,只是在损伤**以及血液凝固过程中才接触血清,因此使用血清有可能改变某种细胞在体内的正常状态,血清可能促进某些细胞的生长(成纤维细胞)同时抑制另一类细胞生长(表皮细胞)。

(5) 血清含一些对细胞产生毒性的物质,如多胺氧化酶,能与来自高度繁殖细胞的多胺反应(如精胺、亚精胺)形成有细胞毒性作用的聚精胺。补体、抗体、****等都会影响细胞生长,甚至造成细胞死亡。

(6) 取材中可能带入支原体、病毒,对细胞产生潜在影响。

(7) 血清的使用使得实验和生产的标准化困难,其中的蛋白质使得某些转基因蛋白生物药品生产中分离纯化工作很难完成。

(8) 大规模生产中,血清来源越来越困难,价格昂贵,是构成生产成本的主要部分之一。

(9) 为了使与传染源相关的风险减少到*低,存在多个国家间限制进出口生物材料的国际法规。
2.1.2 水解乳蛋白

水解乳蛋白(Lactalbumin Hydrolysate )为乳白蛋白经蛋白酶和肽酶水解的产物,含有丰富的氨基酸。既可用于**微生物培养,又可用于动物细胞培养。细胞培养中一般为0.5%水解乳蛋白(经平衡盐溶解)与合成培养基(如MEM)按1:1混合使用。目前在生产中主要用于低鼠肾细胞等细胞的培养和维持。但是水解乳蛋白的使用也给生物制品的生产带来一定的风险。首先由于水解乳蛋白系或者制品带来风险。其次水解乳蛋白及含有动物组分培养基的使用,使生物制品下游处理变得复杂,这对于蛋白质**显得更加重要。因为从动物细胞中生产生物药品,其面临的*大困难就是如何去除内源或同源蛋白。不确定的成分,像动物肽类物质的引入,势必会增加提取、分离、纯化的步骤,一方面使成本提高,另一方面也会影响生物制品的产量和质量。

2.2平衡盐溶液

平衡盐溶液(balanced salt solution,BSS )简称盐溶液,集缓冲液的缓冲能力、生理盐水的等渗性以及培养液的营养供应特点于一体,兼具维持渗透压、缓冲和调节溶液的酸碱度、同时供给细胞生存所必需的能量和无机离子成分的作用。各种BSS的缓冲系统有所不同,其中以Hank’s液和Earle’s液为例,它们主要差别在于碳酸氢钠的水平,在Earle’s (2.2 g/L)中比在Hank’s (0.35 g/L) 中高。碳酸氢钠需用高水平的CO2平衡,以维持溶液的pH值。Eagles液在空气水平的CO2 中,溶液会变碱,Hank’s液在CO2培养箱中会变酸。如果希望在CO2培养箱中保存组织,需要用Earle’s液,。如果仅仅是清洗将要在细胞培养基中储存的组织,用Hank’s液就可以了。

一些BSS含有的Ca2+、Mg2+是细胞膜的重要组成成分,同时参与许多重要的细胞功能活动。但它们有使细胞凝集的作用,在配制分散细胞的消化液和特殊用途的细胞洗涤时,宜采用Ca2+、Mg2+含量较低的Dulbecco液或无Ca2+、Mg2+的D-Hanks液,或者PBS液。

2.3基础培养基

2.3.1 概述

基础细胞培养基主要包括199、MEM、RPMI-1640、DMEM 、DMEM/F12等。主要成分是氨基酸、维生素、碳水化合物、无机盐和其它一些辅助物质。人工合成培养基使用时还需添加一定量的血清使细胞生长和繁殖。

2.3.2 组成及作用

氨基酸:组成蛋白质的基本单位。不同的细胞对氨基酸的需求各异,但几种必需氨基酸细胞自身不能合成,必须依靠培养液提供,如组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸、半胱氨酸、酪氨酸等。其余非必需氨基酸,细胞可以自己合成,或通过转氨作用由其他物质转化而来。绝大部分细胞对谷氨酰胺有较高的要求,因为谷氨酰胺是作为能源

及碳源物质同时被细胞利用,是是细胞合成核酸和蛋白质必需的氨基酸,在缺少谷氨酰胺时,细胞生长不佳而死亡,所以各种培养液中都含有较多的谷氨酰胺。细胞所能利用的氨基酸是L型同分异构体,D型氨基酸不能被利用。
维生素:维持细胞生长的一种生物活性物质,对细胞代谢有重大作用。它们在细胞中大多形成酶的辅基或辅酶,没有它们,酶便没有活性,代谢活动将无法进行。维生素分为水溶和脂溶两大类,的培养液中直接采用ATP和辅酶A。

葡萄糖:大部分培养基都以葡萄糖作为能量来源之一。

无机盐:维持培养基渗透压平衡,参与细胞的代谢活动。主要有Na+、K+、Ca2+、Mg2+等。Na+是细胞外液中*主要的阳离子,对维持渗透压的恒定有决定性的作用。K+主要分布在细胞内液,细胞内K+对于激活某些酶是必需的,并在调节细胞内环境的酸碱平衡上也有极重要意义。Ca2+在细胞外液中的作用是将组织内部细胞之间相互粘着,在细胞内参与许多重要的细胞生理活动,如传导、参与肌肉细胞收缩等。在悬浮培养时,为了减少细胞的聚集和附着,要减少Ca2+的浓度。Mg2+是构成细胞间质的重要成分,对于细胞间相互稳定结合有很重要的意义。磷的化合物对细胞物质代谢和生理功能调控有重要作用。

其他成分:肽、核苷、嘌呤等。可帮助细胞的克隆化培养及维持某些特殊细胞系的生长。