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细胞实验:细胞培养基种类与成份

发布时间:2021-10-15 04:48:01 阅读:17892次 来源:本站

  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。

  一、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、淋巴液、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。

  (一)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,胎牛血清是品质最高的,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最少。

  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) 提供激素和各种生长因子:胰岛素、肾上腺皮质激素(氢化可的松、地塞米松)、类固醇激素(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、以及激素等,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,如含有携带激素、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解毒的因子,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、激素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,只是在损伤愈合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、细菌毒素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最低,存在多个国家间限制进出口生物材料的国际法规。

  (二)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。既可用于细菌微生物培养,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,这对于蛋白质药物显得更加重要。因为从动物细胞中生产生物药品,其面临的最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。

  二、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。

  三、基础培养基

  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、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,细胞生长不良而死亡,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+是细胞外液中最主要的阳离子,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。

  四、低血清细胞培养基

  1、概述

  营养丰富的培养基是维持细胞活性及高密度生长的基础,营养缺乏容易引起细胞凋亡,新生牛血清中所含大部分营养成分可以通过化学成分明确的营养物质如氨基酸维生素等成分组合取代。低血清培养基营养成分大优于基础培养基,仅需添加1%~5%新生牛血清,而对细胞生长、增殖、形态、活性和功能没有影响甚至有所改善。

  在国外低血清培养基早已有之,如Gibco等。但是他们的低血清培养基是在基础培养基中选择性的加入重组胰岛素(recombinant insulin)、人源转铁蛋白(human (holo) tran- sferrin)以及牛血清白蛋白等,有些还包含一些生长因子,这些重组蛋白和动物来源成分对生物制品的安全性有很大影响。成本低。

  2、应用案例

  采用199(SLM)、MEM(SLM)和DMEM(SLM)低血清培养基分别培养Vero细胞、BHK21细胞和CHO细胞,新生牛血清用量可以从10%降至3%,减少新生牛血清使用批次和批间差的影响,减少生物制品纯化损失,减少由于不确定蛋白或者其它血清组分带来干扰和差异的风险,提高制品安全性。低血清培养基可以在方瓶、3L转瓶、15L 转瓶及生物反应器中培养细胞,在疫苗生产中可以达到低血清高密度的培养效果。

  低血清培养基营养成分优于基础培养基,易使细胞增殖迅速,代谢旺盛,代谢产物对细胞有不良影响,易产生细胞老化脱落现象。因此需要适当增加换液次数,增加传代频率。获取同样的细胞量,用低血清培养基将比用传统培养基缩短近1/3 的时间,可提高生产效率。

  采用199(SLM)低血清培养基培养Vero细胞分泌狂犬疫苗病毒,滴度明显高于采用199 培养基传统培养获得的滴度。采MEM(SLM)低血清培养基BHK21细胞,在本实验情况下12 代内细胞形态和致密度均优于MEM培养基传统培养情况,因而可以预期其产生的口蹄疫、甲肝等疫苗生产的病毒产量将提高。低血清培养基用于反应器Vero细胞狂犬疫苗的生产,实践证明效果良好。采DMEM(SLM)低血清培养基添加1%小牛血清在转瓶中培养CHO细胞生产EOP,可提高收液次数,每次收液表达量明显提高。

  五、无血清细胞培养基

  1、概述

  无血清培养基是用来在无血清条件下生长特殊类型的细胞或进行专门应用的培养基。一般是由基础培养基和替代血清的补充因子组成。无血清培养基中没有添加血清,但含有个别蛋白或大量蛋白组分。无血清培养基与无蛋白培养基的区别在于培养基中没有添加蛋白,但含有一些动物或植物来源成分,如低分子量肽的水解物。还有一种化学限定培养基,培养基中不含有蛋白、水解产物或未知结构的组分,所有成分均有已知的化学结构。

  2、优点和缺点

  优点:

  1) 未知组分少;

  2) 培养基中不存在血清中的抗体、补体等成分,对培养细胞影响小;

  3) 杂蛋白含量少,生产的产品后期处理较容易,例如疫苗生产由于人用疫苗需要纯化减少杂蛋白,纯化过程中成本消耗很大,疫苗的损失也很大;

  4) 无血清培养既可以实现细胞的大规模悬浮培养,增加培养液的利用率,可以采用发酵罐培养减少了人力消耗。

  缺点:

  目前为止不是所有的细胞都能在无血清培养基中培养。无血清培养基的某些组分价格昂贵,导致无血清无法工业推广的主要原因。

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