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細胞培養基

一、 細胞培養基的概念和原理
細胞培養基是人工模擬細胞在體內生長的營養環境,是提供細胞營養和促進細胞生長增殖的物質基礎。培養液或培養基的含義幾乎相同,英文都是medium。當它是粉劑時,傾向性地稱為培養基,而將粉劑配成液體后,多稱為培養液。培養液中常常補加血清、***等成分。培養基主要包括天然細胞培養基、合成細胞培養基和無血清細胞培養基等。

天然細胞培養基是人們早期采用的細胞培養基,直接取自于動物組織提取液或體液,如血漿凝塊、血清、**液、胚胎浸出液等。營養價值高,但成分復雜,差異大、不穩定,來源也受到限制。水解乳蛋白和膠原是兩種較好的天然培養基,富含氨基酸。血清是天然培養基中*有效和*常用的培養基,但其組成成分復雜,其中一些成分與功能不明確。血清的來源有胎牛血清、小牛或成牛血清、馬血清、雞血清、羊血清及人血清,*廣泛應用的為胎牛血清和小牛血清。

合成細胞培養基是用化學成分明確的試劑配制的培養基,組分穩定,主要包括糖類、必需氨基酸、維生素、無機鹽類等。自1950 年199 細胞培養基問世以來,合成細胞培養基發展至今已有幾十種,除了沿用半個世紀的基礎合成細胞培養基之外,近年來還出現了營養成分更加豐富的低血清細胞培養基。由于細胞種類和培養條件不同,適宜的合成細胞培養基也不同,在動物細胞培養中*常用基礎細胞培養基有6~7 種,如BME、MEM、DMEM、HAM F12、PRMI1640、199 等。由于天然培養基的一些營養成分不能被合成細胞培養基完全代替,因此一般需在合成細胞培養基中添加5%~10%的小牛血清。小牛血清的加入對細胞培養非常有效,但小牛血清的成分復雜,這對培養產物的分離純化和檢測會帶來一定的不便,為減少小牛血清的影響,開發了營養成分更加豐富的低血清細胞培養基,可以將小牛血清的使用量降低到1~3%。

無血清細胞培養基(serum free medium, SFM)是指在使用中無需添加血清的細胞培養基,且其組成成分不含有任何動物組分。按照其組分分類,還可以分為無動物組分無血清細胞培養基和化學限定無血清細胞培養基,前者組分中可能含有某些植物來源成分,而后者完全由化學成分明確的組分組成。其中,無動物組分無血清細胞培養基是目前在生物制藥行業中應用*廣泛的,它提高了細胞培養的質量,避免了使用血清帶來的麻煩。目前,已有多種無血清培養基上市,如雜交瘤細胞無血清培養基、CHO細胞無血清培養基、Vero細胞無血清培養基和NS0 細胞無血清培養基等。無血清培養基通常添加生長附加成分,如**與生長因子、低分子營養成分和轉鐵蛋白等促細胞生長的附加成分,一般包括胰島素、孕酮、硒酸鈉、腐胺、轉鐵蛋白等。

細胞培養基是細胞培養的基礎,它為動物細胞的健康快速成長提供營養物質。所以只要用到細胞來制造生物技術產品,細胞培養基的重要作用就無可替代。

二、細胞培養基的種類與基本成分

2.1 天然培養基
天然培養基是指來自動物體液或利用組織分離提取的一類培養基,如血漿、血清、**液、雞胚浸出液等。組織培養技術建立早期,體外培養細胞都是利用天然培養基。但是由于天然培養基制作過程復雜、批間差異大,因此逐漸被合成培養基所替代。

2.1.1 小牛血清

用于細胞培養的血清主要是牛血清,培養某些特殊細胞也用人血清、馬血清等。選擇用牛血清培養細胞的原因主要是來源充足、制備技術成熟、經過長時間的應用考驗人們對其有比較深入的理解。牛血清分為小牛血清、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小時之內的新生牛;胎牛血清應取自剖腹產的胎牛。顯然,胎牛血清是品質*高的,因為胎牛還未接觸外界,血清中所含的抗體、補體等對細胞有害的成分*少。牛血清對絕大多數哺乳動物細胞都是適合的,但并不排除在培養某種細胞時使用其他動物血清更合適。牛血清中含有豐富的細胞生長必須的營養成份,具有極為重要的功能。

1) 血清主要作用

(1) 提供基本營養物質:氨基酸、維生素、無機物、脂類物質、核酸衍生物等,是細胞生長必須的物質。

(2) 提供**和各種生長因子:胰島素、腎上腺皮質**(氫化可的松、地塞米松)、類固醇**(雌二醇、睪酮、孕酮)等。生長因子如成纖維細胞生長因子、表皮生長因子、血小板生長因子等。

(3) 提供結合蛋白:結合蛋白作用是攜帶重要的低分子量物質,如白蛋白攜帶維生素、脂肪、以及**等,轉鐵蛋白攜帶鐵。結合蛋白在細胞代謝過程中起重要作用。

(4) 提供促接觸和伸展因子使細胞貼壁免受機械損傷,對培養中的細胞起到某些保護作用。

2) 優點和缺點

血清是非常復雜的混合物,成分多樣,含有各種生理平衡的分子量差別很大的生物分子,有的對細胞生長有促進作用,如含有攜帶**、礦物質、微量元素和脂類物質的轉運蛋白等。血清能夠提供細胞貼壁因子和擴散因子。血清中含有起穩定作用和**的因子,能夠維持培養基的pH 值并抑制蛋白酶直接或間接的酶解。但是血清的加入也帶來了很多問題:
(1) 血清的成份可能有幾百種之多,目前對其準確的成份、含量及其作用機制仍不清楚,尤其是對其中一些多肽類生長因子、**和脂類等尚未充分認識,這給研究工作帶來許多困難;

(2) 血清都是批量生產,各批量之間差異很大,而且血清保存期至多一年,因此,要保證每批血清的相似性極為困難,從而使實驗的標準化和連續性受到限制;

(3) 不能排除血清中含有易變物質,這被認為是“瓶中惡化”的原因之一。

(4) 對大多數細胞,在體內狀態,血清不是它們接觸的生理學液體,只是在損傷**以及血液凝固過程中才接觸血清,因此使用血清有可能改變某種細胞在體內的正常狀態,血清可能促進某些細胞的生長(成纖維細胞)同時抑制另一類細胞生長(表皮細胞)。

(5) 血清含一些對細胞產生毒性的物質,如多胺氧化酶,能與來自高度繁殖細胞的多胺反應(如精胺、亞精胺)形成有細胞毒性作用的聚精胺。補體、抗體、****等都會影響細胞生長,甚至造成細胞死亡。

(6) 取材中可能帶入支原體、病毒,對細胞產生潛在影響。

(7) 血清的使用使得實驗和生產的標準化困難,其中的蛋白質使得某些轉基因蛋白生物藥品生產中分離純化工作很難完成。

(8) 大規模生產中,血清來源越來越困難,價格昂貴,是構成生產成本的主要部分之一。

(9) 為了使與傳染源相關的風險減少到*低,存在多個國家間限制進出口生物材料的國際法規。
2.1.2 水解乳蛋白

水解乳蛋白(Lactalbumin Hydrolysate )為乳白蛋白經蛋白酶和肽酶水解的產物,含有豐富的氨基酸。既可用于**微生物培養,又可用于動物細胞培養。細胞培養中一般為0.5%水解乳蛋白(經平衡鹽溶解)與合成培養基(如MEM)按1:1混合使用。目前在生產中主要用于低鼠腎細胞等細胞的培養和維持。但是水解乳蛋白的使用也給生物制品的生產帶來一定的風險。首先由于水解乳蛋白系或者制品帶來風險。其次水解乳蛋白及含有動物組分培養基的使用,使生物制品下游處理變得復雜,這對于蛋白質**顯得更加重要。因為從動物細胞中生產生物藥品,其面臨的*大困難就是如何去除內源或同源蛋白。不確定的成分,像動物肽類物質的引入,勢必會增加提取、分離、純化的步驟,一方面使成本提高,另一方面也會影響生物制品的產量和質量。

2.2平衡鹽溶液

平衡鹽溶液(balanced salt solution,BSS )簡稱鹽溶液,集緩沖液的緩沖能力、生理鹽水的等滲性以及培養液的營養供應特點于一體,兼具維持滲透壓、緩沖和調節溶液的酸堿度、同時供給細胞生存所必需的能量和無機離子成分的作用。各種BSS的緩沖系統有所不同,其中以Hank’s液和Earle’s液為例,它們主要差別在于碳酸氫鈉的水平,在Earle’s (2.2 g/L)中比在Hank’s (0.35 g/L) 中高。碳酸氫鈉需用高水平的CO2平衡,以維持溶液的pH值。Eagles液在空氣水平的CO2 中,溶液會變堿,Hank’s液在CO2培養箱中會變酸。如果希望在CO2培養箱中保存組織,需要用Earle’s液,。如果僅僅是清洗將要在細胞培養基中儲存的組織,用Hank’s液就可以了。

一些BSS含有的Ca2+、Mg2+是細胞膜的重要組成成分,同時參與許多重要的細胞功能活動。但它們有使細胞凝集的作用,在配制分散細胞的消化液和特殊用途的細胞洗滌時,宜采用Ca2+、Mg2+含量較低的Dulbecco液或無Ca2+、Mg2+的D-Hanks液,或者PBS液。

2.3基礎培養基

2.3.1 概述

基礎細胞培養基主要包括199、MEM、RPMI-1640、DMEM 、DMEM/F12等。主要成分是氨基酸、維生素、碳水化合物、無機鹽和其它一些輔助物質。人工合成培養基使用時還需添加一定量的血清使細胞生長和繁殖。

2.3.2 組成及作用

氨基酸:組成蛋白質的基本單位。不同的細胞對氨基酸的需求各異,但幾種必需氨基酸細胞自身不能合成,必須依靠培養液提供,如組氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸、纈氨酸、半胱氨酸、酪氨酸等。其余非必需氨基酸,細胞可以自己合成,或通過轉氨作用由其他物質轉化而來。絕大部分細胞對谷氨酰胺有較高的要求,因為谷氨酰胺是作為能源

及碳源物質同時被細胞利用,是是細胞合成核酸和蛋白質必需的氨基酸,在缺少谷氨酰胺時,細胞生長不佳而死亡,所以各種培養液中都含有較多的谷氨酰胺。細胞所能利用的氨基酸是L型同分異構體,D型氨基酸不能被利用。
維生素:維持細胞生長的一種生物活性物質,對細胞代謝有重大作用。它們在細胞中大多形成酶的輔基或輔酶,沒有它們,酶便沒有活性,代謝活動將無法進行。維生素分為水溶和脂溶兩大類,的培養液中直接采用ATP和輔酶A。

葡萄糖:大部分培養基都以葡萄糖作為能量來源之一。

無機鹽:維持培養基滲透壓平衡,參與細胞的代謝活動。主要有Na+、K+、Ca2+、Mg2+等。Na+是細胞外液中*主要的陽離子,對維持滲透壓的恒定有決定性的作用。K+主要分布在細胞內液,細胞內K+對于激活某些酶是必需的,并在調節細胞內環境的酸堿平衡上也有極重要意義。Ca2+在細胞外液中的作用是將組織內部細胞之間相互粘著,在細胞內參與許多重要的細胞生理活動,如傳導、參與肌肉細胞收縮等。在懸浮培養時,為了減少細胞的聚集和附著,要減少Ca2+的濃度。Mg2+是構成細胞間質的重要成分,對于細胞間相互穩定結合有很重要的意義。磷的化合物對細胞物質代謝和生理功能調控有重要作用。

其他成分:肽、核苷、嘌呤等。可幫助細胞的克隆化培養及維持某些特殊細胞系的生長。

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