無血清培養(yǎng)基的組成和作用介紹

在細胞培養(yǎng)中大多數動物細胞體外培養(yǎng)時都需要加入血清提供營養(yǎng)，但由于血清存在很多潛在風險，促使科學家們進行無血清馴化細胞的研究。所以，在1976 年Hayashi 等人提出了無血清培養(yǎng)基的概念，此后，大量生物醫(yī)藥學家開始對無血清培養(yǎng)基進行研制。80 年代后，無血清培養(yǎng)基的研究與制備廣泛發(fā)展，到 90 年代已有一些商業(yè)化無血清培養(yǎng)基。與傳統(tǒng)的培養(yǎng)基相比較，無血清培養(yǎng)基是不含動物血清，但仍可以維持細胞在體外較長時間生長、增殖的一種培養(yǎng)基。無血清培養(yǎng)基由于其組成成分相對清楚，制備過程簡單，在現(xiàn)代生物技術學領域得到廣泛應用。 無血清培養(yǎng)基的組成和作用

1.葡萄糖
動物細胞培養(yǎng)基中添加的糖主要是葡萄糖，添加量通常在5-25mM之間。葡萄糖的主要代謝途徑是通過糖酵解代謝成丙酮酸，進而降解成乳酸。這最終會導致乳酸在培養(yǎng)基中積累。代謝流研究分析發(fā)現(xiàn)，只有一小部分（約20-30%）的葡萄糖流向其它途徑包括三羧酸循環(huán)和戊糖磷酸旁路。
除了葡萄糖，研究發(fā)現(xiàn)，動物細胞也能利用谷氨酰胺作為主要的能量物質。谷氨酰胺的添加量常常高于其它氨基酸（2-4mM），也是很多細胞系生長需要的物質。在大多數情況下，谷氨酰胺和葡萄糖會分別被快速利用，在耗盡之前，會引起細胞生長抑制。

2.氨基酸
細胞不同，所需的特定營養(yǎng)也不同，同理，它們所需的必需氨基酸（動物體內不能自身合成）也是不同的。一些非必需氨基酸通常也會加入到培養(yǎng)基中，這是因為有些細胞系自身不能產生相應的氨基酸，從而會限制細胞生長。培養(yǎng)基中氨基酸限制會降低細胞生長速率和/或最高細胞密度。其它非必需氨基酸細胞可以產生，但是不足以維持最優(yōu)生長。一些氨基酸如谷氨酰胺在培養(yǎng)基中不穩(wěn)定，因此需要單獨加入以維持其在一個合適的濃度水平。
支鏈氨基酸被很多細胞包括MDCK細胞、人成纖維細胞、小鼠骨髓瘤細胞和BHK細胞等消耗得特別快。研究發(fā)現(xiàn)，當雜交瘤細胞利用谷氨酰胺利用率很低的時候，支鏈氨基酸被氧化的更多。同樣，谷氨酰胺的消耗降低，絲氨酸的消耗就會升高。

一些細胞系對氨基酸限制比其它細胞要敏感，因此，在大規(guī)模培養(yǎng)基中，補料策略非常重要。例如，谷氨酰胺濃度低，BHK細胞就會消耗更多的其它氨基酸，尤其是必需氨基酸如亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸和非必需氨基酸如絲氨酸和谷氨酸鹽。

3.鹽
為防止?jié)B透壓失衡，培養(yǎng)基的鹽濃度需與滲透壓匹配。培養(yǎng)基細胞生長標準滲透壓是300mOsm/kg，這個滲透壓適用于絕大多數細胞。值得注意的是，由于鹽會改變培養(yǎng)基的滲透壓，因此，向培養(yǎng)基中加鹽的時候要特別小心。大多數細胞能承受的滲透壓范圍在270~330mOsm/kg。
經常用的鹽有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、PO43-和HCO3-。它們幾乎出現(xiàn)在所有的基礎培養(yǎng)基中。

4.微量元素
培養(yǎng)基中添加了血清含有的無機微量元素，如Mn、Cu、Zn、Mo、Va、Se、Fe、Ca、Mg、Si、Ni和不常用的微量元素如Al、Ag、Ba、Br、Cd、Co、Cr、F、Ge、J、Rb和zr。這些微量元素激活酶的活性，也是大多數細胞生長所需的元素。

無血清培養(yǎng)基中經常添加的元素是硒。硒的主要功能是抗氧化和促進細胞生長，硒以硒蛋白家族形式在動物細胞中發(fā)揮生理作用，目前已被確認的形式有11種，據研究，這些蛋白均參與抗氧化活動，如谷胱甘肽過氧化物酶和硫氧還蛋白酶。

在某些情況下，特定微量元素的加入會降低對某種生長因子的需求。例如，在很多細胞如B淋巴細胞、MDCK和人二倍體成纖維細胞中，亞鐵鹽能夠替代轉鐵蛋白。

研究發(fā)現(xiàn)，鈣參與細胞增殖活動，這對于很多過程如信號轉導、細胞分裂和細胞黏附等過程很重要。鈣調蛋白（一種鈣激活蛋白）通過不同的濃度水平調節(jié)細胞分裂過程中的很多絲氨酸/蘇氨酸激酶活性。鈣濃度升高，對很多細胞如角質形成細胞和人二倍體成纖維細胞生長有利。降低培養(yǎng)基中的鈣濃度，就會降低細胞間的黏附。在很多生產系統(tǒng)中，細胞結團是一個大問題，這會降低產量和細胞存活率。如降低培養(yǎng)基中的鈣濃度，則可以避開這個問題的產生，而且這在很多攪拌培養(yǎng)系統(tǒng)中被證明十分有效。

5.維生素
培養(yǎng)基中的維生素和荷爾蒙濃度相對較低，它們被作為輔助因子利用，不同細胞系對它們的營養(yǎng)需求存在很大不同。因此，這些輔助因子在不同的培養(yǎng)基中變化很大。維生素對細胞的限制表現(xiàn)在細胞生長和存活上，但不影響最高細胞密度。

培養(yǎng)基中的維生素水平隨細胞種類的不同而不同?；A培養(yǎng)基配方如為HeLa細胞和小鼠成纖維細胞而設計的BME培養(yǎng)基含有生物素、葉酸、尼可酰胺、泛酸鹽、吡哆醛、核黃素和硫胺。無血清培養(yǎng)基配方越復雜，例如F12、DMEM、M199，它含有的維生素種類就越多。每種維生素的含量都是根據具體的細胞系靠經驗添加。因此，每種培養(yǎng)基都需要根據不同的情況而設計。

6.緩沖鹽
在細胞培養(yǎng)過程中，HCO3-經常和二氧化碳環(huán)境（5-10%）配合使用作緩沖系統(tǒng)，這使得培養(yǎng)基的pH普遍維持在6.9-7.4，在培養(yǎng)箱或者搖瓶中，通過控制氣體控制CO2，HCO3--CO2緩沖系統(tǒng)的缺點在于，離開CO2的環(huán)境，培養(yǎng)基迅速變?yōu)閴A性。為防止這種情況發(fā)生，有機緩沖液Hepes（pH7.0）經常以~25mM的濃度加入培養(yǎng)基，這使得CO2的濃度可以降低至2%

7.生長因子
為促進細胞生長，經常在一些培養(yǎng)基中添加特定蛋白，在無血清或低血清的培養(yǎng)基中，這些蛋白能夠為細胞生長提供基礎物質。他們被稱為“生長因子”。

這類生長因子包括成纖維細胞生長因子（酸性FGF和堿性FGF）、類胰島素生長因子（IGF）、表皮生長因子（EGF）、神經生長因子（NGF）、血小板衍生生長因子（PDGF）和轉化生長因子（TGF：α和β）。這些生長因子在1-10ng/mL的范圍內均有活性。

8.脂類
在細胞內，脂類有很多作用。它們是細胞膜、外部信號傳感器的組件，也是能量代謝之源。血清本身含有脂類，但是基礎培養(yǎng)基配方通常不含脂類。某些脂類作為添加劑添加到無血清培養(yǎng)基中，顯示有促進細胞增殖的作用。

通常，血清中的脂類有脂肪酸、磷脂、卵磷脂和膽固醇。磷脂不但是細胞膜的主要構成組件，在調節(jié)生長的信號傳導途徑中也起到非常重要的作用。在細胞外，磷脂對很多細胞系的生長起促進作用。在很多貼壁細胞如MDCK、小鼠上皮細胞和其它腎細胞中，磷脂酸和溶血磷脂酸能促進它們生長。在無血清培養(yǎng)基中，其它脂類如卵磷脂、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇可以促進人二倍體成纖維細胞的生長。膽固醇對大多數細胞也有促進生長作用，也是某些細胞（如骨髓瘤細胞）生長的必需成分。其它一些特定的脂肪酸，如油酸和亞油酸，在雜交瘤細胞的無血清培養(yǎng)的傳代中也能提高生長速度和產量。

無血清培養(yǎng)基的優(yōu)勢
1.可避免血清批次間的質量變動，提高細胞培養(yǎng)和實驗結果的重復性。
2.避免血清對細胞的毒性作用和血清源性污染。
3.避免血清組分對實驗研究的影響。
4.有利于體外培養(yǎng)細胞的分化。
5.可提高產品的表達水平并使細胞產品易于純化。

無血清培養(yǎng)基的缺點
1.細胞在無血清培養(yǎng)基中易受某些機械因素和化學因素的影響，培養(yǎng)基的保存和應用不如傳統(tǒng)的合成培養(yǎng)基方便。
2.成本較高。
3.針對性很強，一種無血清培養(yǎng)基僅適合某一類細胞的培養(yǎng)。