摘要： 動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)在生物技術(shù)領(lǐng)域起著重要的作用。它在生物醫(yī)藥領(lǐng)域、細(xì)胞工程、酶工程等領(lǐng)域中都是不可缺少的工具。
培養(yǎng)基是人工配制的滿足細(xì)胞生長和維持的營養(yǎng)基質(zhì)。培養(yǎng)基的發(fā)展大致經(jīng)過3個階段：天然培養(yǎng)基階段(直接采用某些組織凝塊、生物性液體和組織提取液等作為細(xì)胞的培養(yǎng)基)，合成培養(yǎng)基階段(如DMEM、RPMl 1640等)和無血清培養(yǎng)基階段。合成培養(yǎng)基通常需在其中添加一些諸如血清(常用的如小牛血清、胎牛血清等，一般在5% - 10%)等天然的體液性補(bǔ)充物才能較長時間地維持細(xì)胞生長。
在無血清培養(yǎng)基出現(xiàn)之前，血清被廣泛用于細(xì)胞培養(yǎng)達(dá)幾十年之久。動物血清主要包括胎牛血清、小牛血清、成牛血清、馬血清、羊血清、雞血清、兔血清等，其中以胎牛血清的使用最為普遍。 動物血清在細(xì)胞培養(yǎng)中提供細(xì)胞增殖所需的生長因子、激素、轉(zhuǎn)移蛋白、貼壁和鋪展在培養(yǎng)基質(zhì)上的因子、蛋白酶抑制劑和其他營養(yǎng)物質(zhì)。使用血清的優(yōu)點(diǎn)是血清含有促進(jìn)細(xì)胞增殖和維持的大部分因子，它幾乎是通用的生長添加物，適用于動物、人和昆蟲細(xì)胞等的細(xì)胞培養(yǎng)。因而使用血清不需要為每一個細(xì)胞系優(yōu)化培養(yǎng)基，節(jié)省了大量時間和精力。
動物血清成分復(fù)雜，含有豐富的蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、激素等，其組分及含量常依動物性別、年齡、生理狀態(tài)、營養(yǎng)條件不同而有差異。盡管大部分成分已知，仍然存在不清楚的組分。因而血清在細(xì)胞培養(yǎng)中的作用至今沒有完全明確。由于不同生產(chǎn)廠家的血清間及同一廠家生產(chǎn)的不同批次的血清間所含因子的質(zhì)量和數(shù)量差異大，因此影響細(xì)胞培養(yǎng)的可重復(fù)性，制約動物細(xì)胞規(guī)模化培養(yǎng)。很多研究人員為了保證同一實(shí)驗(yàn)的一致性，不得不購買和儲存大量同一批次的經(jīng)篩選后確定為優(yōu)質(zhì)的血清。這一問題也使得比較不同研究者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極為困難。
血清中蛋白含量大且成分復(fù)雜（大于100種），使得實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化困難，使疫苗、單克隆抗體及生物活性蛋白等用培養(yǎng)細(xì)胞生產(chǎn)的生物產(chǎn)品的下游分離和純化更復(fù)雜。干細(xì)胞培養(yǎng)要求在促進(jìn)細(xì)胞增殖的同時，又要保持細(xì)胞的發(fā)育特性，不發(fā)生分化，對培養(yǎng)基組分的要求更加苛刻。使用血清可能改變細(xì)胞在體內(nèi)的正常狀態(tài)，可能促進(jìn)某種細(xì)胞（成纖維細(xì)胞）生長的同時，抑制另一類細(xì)胞生長（表皮細(xì)胞）。在培養(yǎng)原代細(xì)胞時使用含血清的培養(yǎng)基可能不能阻止成纖維細(xì)胞過度增殖，而影響原代細(xì)胞的生長。
雖然血清含有促進(jìn)細(xì)胞生長的成分，但同時含有內(nèi)毒素、血色素、補(bǔ)體、抗體等其他有害成分，影響細(xì)胞生長甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡，需要大量測試工作才知道對細(xì)胞生長的凈作用。低質(zhì)量的血清常被病毒、真菌和支原體等微生物感染。 此外，血清來源不穩(wěn)定，可能受來源地區(qū)環(huán)境及牛群疾病影響發(fā)生供應(yīng)緊張，造成價(jià)格上的波動。另外，血清使用不方便。
胎牛血清的收集過程遭到倫理學(xué)的質(zhì)疑。懷孕母牛在屠宰前腹部被刨開，取出胎牛。在無菌條件下，刺破胎牛的心臟或頸動脈/臍帶靜脈以獲取血清，給胎牛造成痛苦。更符合人道的無血清培養(yǎng)基應(yīng)該得到支持。
要實(shí)現(xiàn)細(xì)胞培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)化，最好不要在細(xì)胞培養(yǎng)過程中使用血清。無血清培養(yǎng)基是不含動物血清或其他生物提取液，但仍可以維持細(xì)胞在體外較長時間生長、繁殖的一種培養(yǎng)基。無血清培養(yǎng)基的研究有兩個方向：一是培養(yǎng)基中不含有任何動物來源的添加組分；二是培養(yǎng)基中不含有不明確的添加組分。當(dāng)前應(yīng)用較多的無血清培養(yǎng)基歸納為以下四種：
1. 一般意義上的無血清培養(yǎng)基：用各類可代替血清功能的生物材料配制細(xì)胞培養(yǎng)基，如牛血清白蛋白（BSA）、轉(zhuǎn)鐵蛋白、胰島素等生物大分子物質(zhì)，以及從血清中提取的去除蛋白質(zhì)的混合脂類以及水解蛋白等。其特點(diǎn)是培養(yǎng)基中的蛋白含量較高，添加物質(zhì)的化學(xué)成分不明確，其中含有大量的動物來源蛋白。
2. 無動物來源培養(yǎng)基：許多無動物來源培養(yǎng)基是基于生產(chǎn)重組藥物安全的考慮，培養(yǎng)基中的添加組分無動物來源，需要的蛋白來源于重組蛋白或者蛋白水解物，這些組分可以保障細(xì)胞生長及增殖的需要。
3. 無動物蛋白培養(yǎng)基：培養(yǎng)基完全不用動物來源的蛋白，但仍有部分添加物是來源于植物蛋白的水解片段或合成多肽片段等其他衍生物。此類培養(yǎng)基組分相對穩(wěn)定，但必須添加類固醇激素和脂類前體，并且對培養(yǎng)的細(xì)胞是高度特異性的。
4. 化學(xué)組分限定培養(yǎng)基：此類培養(yǎng)基是目前最安全的，最為理想的培養(yǎng)基，首先可以保證培養(yǎng)基批次間的一致性，其中所添加的少量動物來源的蛋白水解物、蛋白都是成分明確的組分。其特點(diǎn)是培養(yǎng)基的性質(zhì)確定，配起培養(yǎng)基來也比較方便。
無血清培養(yǎng)基可滿足細(xì)胞生長需要，不僅避免了血清的許多不利因素，還有血清培養(yǎng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：組分穩(wěn)定可大量配制，蛋白含量低，不含有絲分裂原抑制劑可促進(jìn)細(xì)胞增殖，簡化各種提純和鑒定細(xì)胞產(chǎn)物的程序。在含血清的合成培養(yǎng)基中，往往不能較長時間地維持細(xì)胞高密度培養(yǎng)，同時衰老死亡的細(xì)胞可把細(xì)胞內(nèi)的蛋白酶釋放到培養(yǎng)基中，降解蛋白類目的產(chǎn)物，這對蛋白類生物制品的生產(chǎn)是極為不利的。在無血清培養(yǎng)條件下，細(xì)胞的生長速率和細(xì)胞密度及蛋白的表達(dá)水平都不亞于血清培養(yǎng)，甚至在某些方面超過血清培養(yǎng)，某些細(xì)胞的生長和抗體的產(chǎn)量甚至高于有血清時數(shù)倍。細(xì)胞易受攪拌等機(jī)械因素的影響，無血清培養(yǎng)基粘度小，因此對細(xì)胞影響小。在控制細(xì)胞生長、增殖、分化及基因表達(dá)調(diào)控的調(diào)節(jié)機(jī)制的研究中和細(xì)胞工程等現(xiàn)代生物技術(shù)中，對一致性和確定的條件要求，來自產(chǎn)物純化的生物技術(shù)上的壓力，世界范圍的血清供應(yīng)的逐漸緊張的情況，以及嚴(yán)格的質(zhì)量控制要求，都將迫使普遍采用無血清培養(yǎng)基。 無血清培養(yǎng)基取代含血清的培養(yǎng)基已成為未來細(xì)胞培養(yǎng)的趨勢。然而無血清培養(yǎng)基也存在著一些劣勢。無血清培養(yǎng)基目前價(jià)格偏高，另外，一般無血清培養(yǎng)基通用性不高，不同類型的細(xì)胞株或細(xì)胞系可能需要不同的添加成分。處于發(fā)育的不同分化階段的細(xì)胞(例如干細(xì)胞與定向前體細(xì)胞相比)需要不同的配方，對生長因子和細(xì)胞因子的選擇尤為重要。細(xì)胞在無血清培養(yǎng)基中易受某些機(jī)械因素和化學(xué)因素的影響，培養(yǎng)基的保存和應(yīng)用不如傳統(tǒng)的合成培養(yǎng)基方便。而且在去除血清的同時，也去除了一些血清蛋白具有的保護(hù)、解毒作用，因此對試劑、水的純度和儀器清潔度的要求更高。
目前市場上部分血清替代品：
KnockOutTM Serum Replacement (Gibco) 胚胎干細(xì)胞（ESC）/誘導(dǎo)多能細(xì)胞（iPSC）的血清替代品，成分明確，支持未分化的多能干細(xì)胞培養(yǎng)。保存：避光，-5 至 -20℃凍存；有效期：12個月。
KNOCKOUTTMSR XenoFree CTSTM（Gibco）支持人胚胎干細(xì)胞（hESC）的生長和增殖，只含有人源蛋白或人的重組蛋白。保存：避光，-5 至 -20℃凍存；有效期：18個月。
HyClone AdvanceSTEM Serum Replacement（HyClone）為培養(yǎng)小鼠胚胎干細(xì)胞（mESC）設(shè)計(jì)的配方。保存：凍存。
XerumFreeTM（TNC Bio） 世界首創(chuàng)通用的完全無動物成分的血清替代品，成分明確，含少量重組蛋白，適用于干細(xì)胞、其他常用細(xì)胞系及昆蟲細(xì)胞等的培養(yǎng)。100多個研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)單位成功試用，效果相當(dāng)或好于血清。保存：避光，2 至8℃；有效期：12個月。 |
