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動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)可以使用純天然的培養(yǎng)基或人工/合成的培養(yǎng)基混合一些天然產(chǎn)物。
天然培養(yǎng)基
天然培養(yǎng)基僅由天然生成的生物液體組成。天然培養(yǎng)基非常有用和方便，適用于多種不同的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)。但是，由于缺乏對(duì)這些天然培養(yǎng)基確切成分的認(rèn)識(shí)，使用天然培養(yǎng)基的主要缺點(diǎn)是可重復(fù)性差。
人工培養(yǎng)基
通過(guò)人為地加入一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（有機(jī)的和無(wú)機(jī)的）、維生素、鹽、O2和CO2氣體、血清蛋白、碳水化合物、輔因子，制備成人工或合成的培養(yǎng)基 。不同的人工培養(yǎng)基被分別設(shè)計(jì)用于下面的某個(gè)用途：
1）及時(shí)生存（平衡的鹽溶液，有特定的pH和滲透壓）
2）長(zhǎng)時(shí)間生存（平衡鹽溶液輔以各種配方的有機(jī)化合物和/或血清）
3）不確定生長(zhǎng)
4）特定功能。
培養(yǎng)基種類
用于細(xì)胞培養(yǎng)的各種各樣的人工培養(yǎng)基可以進(jìn)一步分為以下四種類型：
1）含血清的培養(yǎng)基：胎牛血清是動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)基最常見的補(bǔ)充成分。它用來(lái)作為一種成本相對(duì)較低的補(bǔ)充成分，提供動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)最佳的培養(yǎng)基。這些補(bǔ)充劑能夠?yàn)椴环€(wěn)定或不溶于水的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供載體或螯合劑，提供激素和生長(zhǎng)因子，蛋白酶抑制劑，并結(jié)合并中和有毒部分。
2）無(wú)血清培養(yǎng)基：培養(yǎng)基中含有血清存在有很多缺點(diǎn)，可能會(huì)成為免疫學(xué)研究中潛在的嚴(yán)重誤解的原因 。為了克服使用血清的這些缺點(diǎn)，一些無(wú)血清培養(yǎng)基中已經(jīng)開發(fā)出來(lái)了 。這些培養(yǎng)基通常是專門配制的，用以單一類型細(xì)胞的培養(yǎng)，包含確定量的純化的生長(zhǎng)因子、脂蛋白和其它蛋白質(zhì)，而這些物質(zhì)本來(lái)是由血清提供的 。這些培養(yǎng)基也被稱為“確定的培養(yǎng)基”，因?yàn)檫@些培養(yǎng)基中的物質(zhì)是精確可知的。
3）確定化學(xué)成分的培養(yǎng)基：這些培養(yǎng)基包含無(wú)污染的超純無(wú)機(jī)和有機(jī)成分，也可能含有純蛋白質(zhì)添加劑，如生長(zhǎng)因子 。這些成分通過(guò)基因工程細(xì)菌或酵母生產(chǎn)，添加維生素、膽固醇、特定氨基酸和脂肪酸 。
4）無(wú)蛋白質(zhì)培養(yǎng)基：無(wú)蛋白質(zhì)培養(yǎng)基不含有任何蛋白質(zhì)，僅包含用于細(xì)胞培養(yǎng)所必需的非蛋白成分。相比血清培養(yǎng)基，無(wú)蛋白培養(yǎng)基促進(jìn)較好的細(xì)胞生長(zhǎng)和蛋白表達(dá)，并有利于下游的表達(dá)產(chǎn)物純化 。
培養(yǎng)基的組成
培養(yǎng)基中混合有氨基酸、葡萄糖、鹽、維生素和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，供應(yīng)商可提供粉末或液體 。不同的細(xì)胞系對(duì)這些組分的要求有所不同，這些差別部分是由于大量的培養(yǎng)基配方 。每一成分擁有一個(gè)特定的功能，如下所述：
緩沖系統(tǒng)
pH值調(diào)節(jié)對(duì)維持最佳培養(yǎng)條件是至關(guān)重要的，通常可用以下兩個(gè)緩沖系統(tǒng)中的一個(gè)達(dá)到這一目的：
天然緩沖系統(tǒng)
天然的緩沖系統(tǒng)中的氣態(tài)CO2與培養(yǎng)基中的CO3/HCO3含量維持平衡。使用天然緩沖系統(tǒng)進(jìn)行培養(yǎng)需要在5％至10％CO2環(huán)境下進(jìn)行，通常由CO2培養(yǎng)箱維持。天然的緩沖系統(tǒng)一般成本低、無(wú)毒 。
HEPES
化學(xué)緩沖液利用兩性離子做緩沖。HEPES在pH值范圍7.2-7.4內(nèi)具有優(yōu)異的緩沖能力，并且不需要受控的氣體環(huán)境 。HEPES是相對(duì)昂貴的，并且在高濃度時(shí)對(duì)于某些類型的細(xì)胞是有毒的。HEPES受到熒光照射的光敏效應(yīng)誘導(dǎo)后大大提高了對(duì)培養(yǎng)基的敏感性 。
酚紅
大多數(shù)市售的培養(yǎng)基含有酚紅作為pH指示劑，它能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)pH值 。在細(xì)胞的生長(zhǎng)過(guò)程中，由細(xì)胞釋放代謝物造成的pH值改變會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)基的顏色變化。在低pH值時(shí)，酚紅使培養(yǎng)基變成黃，而在較高的pH值水平時(shí)，使培養(yǎng)基變成紫色。介質(zhì)在pH值7.4應(yīng)該是亮紅色，最適合細(xì)胞培養(yǎng)工作。但是，使用酚紅也有一定的缺點(diǎn)，如下所述：
酚紅可以模仿一些類固醇激素，特別是雌激素的作用。因此，在用到雌激素敏感的細(xì)胞，如乳腺組織做研究的時(shí)候，最好是使用不含酚紅的培養(yǎng)基。
一些無(wú)血清的配方中存在酚紅會(huì)干擾鈉-鉀平衡。這種效應(yīng)可以通過(guò)在培養(yǎng)基中加入血清或牛垂體激素中和。
酚紅會(huì)干擾流式細(xì)胞分析時(shí)候的檢測(cè)。
無(wú)機(jī)鹽
培養(yǎng)基中的無(wú)機(jī)鹽有助于保持細(xì)胞的滲透平衡，通過(guò)提供鈉、鉀和鈣離子調(diào)節(jié)膜電位.
氨基酸
由于氨基酸是蛋白質(zhì)的組成部分，它們是所有已知細(xì)胞培養(yǎng)基的必需成分。培養(yǎng)基中必須包含必需氨基酸，因?yàn)榧?xì)胞不能自身合成。這些是細(xì)胞增殖必需的，其濃度決定了可達(dá)到的最大細(xì)胞密度。L-谷氨酰胺，作為一種必需氨基酸，在細(xì)胞培養(yǎng)是及其重要的。L-谷氨酰胺提供NAD，NADPH和核苷酸合成的氮元素，并作為新陳代謝的二次能量來(lái)源。L-谷氨酰胺是一種不穩(wěn)定的氨基酸，隨著時(shí)間的推移，會(huì)轉(zhuǎn)換成細(xì)胞不能利用的形態(tài)，因此應(yīng)該在使用前添加到培養(yǎng)基中 。添加比原有培養(yǎng)基配方更多的L-谷氨酰胺的時(shí)候要特別小心，因?yàn)樗慕到鈺?huì)導(dǎo)致氨的生成，氨會(huì)對(duì)某些細(xì)胞系有害。哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)基中的L-谷氨酰胺濃度可以從Medium 199中的0.68 mM到Dulbecco’s Modified Eagles的4 mM。無(wú)脊椎動(dòng)物的細(xì)胞培養(yǎng)基可包含高達(dá)12.32 mM的L-谷氨酰胺。有些補(bǔ)充成分，如glutamax更穩(wěn)定，可在長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)生長(zhǎng)緩慢的細(xì)胞時(shí)替代谷氨酰胺。
非必需氨基酸也可加入到培養(yǎng)基中，以替代那些在生長(zhǎng)過(guò)程中已被耗盡的成分。培養(yǎng)基中補(bǔ)充非必需氨基酸能夠刺激生長(zhǎng)，延長(zhǎng)細(xì)胞的生存。
糖類
糖類形式的碳水化合物是能量的主要來(lái)源。大多數(shù)培養(yǎng)基包含葡萄糖和半乳糖，而有一些含有麥芽糖和果糖。
蛋白質(zhì)和多肽
最常用的蛋白質(zhì)和肽是白蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白和纖連蛋白，在無(wú)血清培養(yǎng)基中特別重要。血清是一種蛋白質(zhì)豐富的來(lái)源，包括白蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白、抑肽酶、胎球蛋白和纖維連接蛋白。白蛋白是血液中的主要蛋白，結(jié)合水，無(wú)機(jī)鹽，游離脂肪酸，激素和維生素，并將這些成分在組織和細(xì)胞間傳輸。白蛋白的結(jié)合能力使它成為從細(xì)胞培養(yǎng)基中去除有毒物質(zhì)有效途徑。
抑肽酶是細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中的保護(hù)劑，在中性和酸性pH值環(huán)境下穩(wěn)定，耐高溫，耐蛋白水解酶降解。它對(duì)一些絲氨酸蛋白酶（如胰蛋白酶）有抑制能力。胎球蛋白是一種糖蛋白，胎兒和新生兒的血清中的濃度比成人血清中高。它也是一種絲氨酸蛋白酶抑制劑。纖維連接蛋白是細(xì)胞附著的關(guān)鍵組分。轉(zhuǎn)鐵蛋白是一種鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，能夠?yàn)榧?xì)胞膜提供鐵離子。
脂肪酸和脂質(zhì)
同樣，它們?cè)跓o(wú)血清培養(yǎng)基中是特別重要的，因?yàn)樗鼈兺ǔ４嬖谟谘逯小?/span>
維生素
許多維生素是細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖必不可少的。細(xì)胞不能合成足夠數(shù)量的維生素，因此，是組織培養(yǎng)中重要的補(bǔ)充成分。血清同樣是細(xì)胞培養(yǎng)中維生素的主要來(lái)源，但是，培養(yǎng)基中也包含不同的豐富維生素，適用于某一特定細(xì)胞系的培養(yǎng)。維生素B群是生長(zhǎng)刺激最常見的添加維生素。
微量元素
無(wú)血清培養(yǎng)基中通常會(huì)補(bǔ)充微量元素，來(lái)代替那些血清中的常見成分。微量元素，如銅、鋅、硒和三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物，都是適當(dāng)?shù)募?xì)胞生長(zhǎng)所必需的化學(xué)成分。這些微量營(yíng)養(yǎng)元素是許多生物過(guò)程必需的，例如酶功能的維持。
培養(yǎng)基補(bǔ)充成分
某些細(xì)胞系推薦使用的完整生長(zhǎng)培養(yǎng)基還需要額外的成分，它們?cè)诨A(chǔ)培養(yǎng)基和血清中不存在。這些成分和補(bǔ)充物質(zhì)，有助于維持細(xì)胞增殖和細(xì)胞的正常代謝 。雖然一些補(bǔ)充成分如激素，生長(zhǎng)因子和信號(hào)物質(zhì)是某些細(xì)胞系正常生長(zhǎng)所需的，但最好還是要采取以下一些預(yù)防措施：
由于添加補(bǔ)充成分會(huì)改變完整生長(zhǎng)培養(yǎng)基的滲透壓，這會(huì)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響，因此最好在添加補(bǔ)充成分后重新檢測(cè)一下滲透壓。對(duì)于大多數(shù)細(xì)胞系，最佳的滲透壓應(yīng)該介于260 mOSM/kg到320 mOSM/kg之間。
添加補(bǔ)充成分后培養(yǎng)基的保質(zhì)期會(huì)發(fā)生變化。含蛋白質(zhì)補(bǔ)充物的完整培養(yǎng)基降解速度往往比基本培養(yǎng)基快。
抗生素
雖然不是細(xì)胞生長(zhǎng)必需的，抗生素通常還是會(huì)用來(lái)控制細(xì)菌和真菌污染物生長(zhǎng) 。常規(guī)細(xì)胞培養(yǎng)不建議使用抗生素，因?yàn)榭股乜梢匝谏w由支原體和耐藥細(xì)菌造成的污染 。此外，抗生素還會(huì)干擾敏感細(xì)胞的代謝。
培養(yǎng)基中的血清
血清是白蛋白、生長(zhǎng)因子和生長(zhǎng)抑制劑的復(fù)雜混合體 。血清是細(xì)胞培養(yǎng)基中最重要的組分之一，作為氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素（特別是脂溶性維生素，如A，D，E，和K）、碳水化合物、脂質(zhì)、激素、生長(zhǎng)因子、礦物質(zhì)和微量元素的來(lái)源。通常會(huì)在培養(yǎng)基中使用胎兒和小牛來(lái)源的血清來(lái)支持細(xì)胞生長(zhǎng) [29] 。胎兒血清含有豐富的生長(zhǎng)因子，適當(dāng)細(xì)胞克隆和難以培養(yǎng)的細(xì)胞的生長(zhǎng) [30] 。胎兒血清被用于接觸抑制研究，因?yàn)樗^低的生長(zhǎng)促進(jìn)特性。正常的生長(zhǎng)培養(yǎng)基往往包含2-10％的胎兒血清。培養(yǎng)基中補(bǔ)充血清具有以下作用 [31] ：
1）血清未細(xì)胞提供了基本的營(yíng)養(yǎng)成分（在溶液中和結(jié)合到蛋白質(zhì)上的）。
2）血清為生長(zhǎng)促進(jìn)和特定細(xì)胞功能提供多種生長(zhǎng)因子和激素。
3）它提供了多種結(jié)合蛋白質(zhì)，如白蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白，可以攜帶其他成分進(jìn)入細(xì)胞。例如：白蛋白可攜帶脂類、維生素、激素等進(jìn)入細(xì)胞。
4）它還可提供蛋白質(zhì)，如纖連蛋白，促進(jìn)細(xì)胞附著到基質(zhì)上。它提供擴(kuò)散因子幫助細(xì)胞在分裂前擴(kuò)散。
5）它還提供蛋白酶抑制劑，保護(hù)細(xì)胞免受降解。
6）它還提供礦物質(zhì)，如Na+，K+，Zn2 +，F(xiàn)e2 +等。
7）它增加培養(yǎng)基的粘性，因此保護(hù)細(xì)胞在懸浮培養(yǎng)攪拌過(guò)程中免受機(jī)械損傷。
8)它還可以作為一種緩沖液。
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