解读细胞培养基

细胞培养基（cell culture medium）是人工模拟动物细胞的体内生长环境，维持体外细胞存活和增殖的营养物质基础，其主要功能是为细胞提供适宜的pH和渗透压，以及细胞本身不能合成的各种营养物质。本文将对细胞培养基的种类、成分及理化性质，以及相关问题等方面进行介绍。

1. 细胞培养基的种类

按照细胞培养基的发展历史，细胞培养基大致可分为平衡盐溶液、天然细胞培养基、合成细胞培养基、无血清细胞培养基、限定化学成分细胞培养基等几大种类。

1.1 平衡盐溶液（balanced salt solution，BSS）

BSS主要是由无机盐、葡萄糖组成，它的作用是维持细胞渗透压平衡，保持pH稳定及提供简单的营养。其主要用于细胞的漂洗、配制其他试剂等。几种常用的BSS配方如下（表1-1）。

D-Hank's与Hank's的一个主要区别是前者不含有Ca2+和Mg2+，因此D-Hank's常用于配制胰酶溶液。因为Ca2+、Mg2+是细胞膜的重要组成成份，参与细胞粘附等功能，使用不含Ca2+、Mg2+的BSS可避免细胞结团。此外，Hanks液和Earle液是常用的BSS基础溶液，前者缓冲能力较弱，适合于密闭培养；后者缓冲能力较强，适合于5% CO2的培养条件。

几种常用的BSS配方（g/L）

1.2 天然细胞培养基

天然培养基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。其优点是营养成分丰富，培养效果良好，但缺点是成分复杂，来源受限且制作过程复杂、批间差异大。目前广泛使用的天然培养基是血清，另外各种组织提取液、促进细胞贴壁的胶原类物质在培养某些特殊细胞也是*。

水解乳蛋白是乳白蛋白经蛋白酶和肽酶水解的产物，含丰富的多肽、氨基酸和碳水化合物。一般配制成0.5 %溶液（采用平衡盐溶液溶解）与合成培养基（如MEM细胞培养基）以1:1的比例混合使用。

目前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。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。血清中含有各种血浆蛋白、多肽、脂肪、碳水化合物、生长因子、激素、无机物等，这些物质对促进细胞生长或抑制生长活性是达到生理平衡的。此外，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。目前，血清多作为一种添加成分与合成培养基混合使用，使用浓度一般为5 ~ 20 %，-常用是10 %。

由于水解乳蛋白和血清成份复杂，批间差异大及存在病毒等外源污染风险，对下游生物制品的分离纯化和安全性都存在较大的影响，在生物制药行业的使用也越来越少。因此，基于对血浆成份的分析，合成细胞培养基应运而生。

1.3 合成细胞培养基

合成培养基是根据天然培养基的成分，用化学物质模拟合成、人工设计、配制的培养基。早开发的基础培养基（minimal essential medium, MEM），其本质为含有盐、氨基酸、维生素和其他必需营养物的pH缓冲的等渗混合物。在此基础上，DMEM、IMDM 、HAM F12、PRMI1640等各种合成细胞培养基被不断开发出来。常用合成培养基的配方此处不详细介绍。

常用合成培养基的特性及应用的范围

与天然培养基相比，有些天然的未知成分尚无法用已知的化学成分所替代，因此，细胞培养中使用合成培养基时必须加入一定量的天然培养基成分，以克服合成培养基的不足。-普遍的做法是添加5 ~ 10 %的血清，这样才能维持细胞活力，促进细胞增殖。针对不同的动物细胞，现已开发了多种商业化、个性化的低血清细胞培养基配方，营养成份更加丰富，血清使用量可降低至1～3 %，由此可减少了血清等动物来源成份对生物制品安全性的影响。

1.4 无血清细胞培养基（serum free medium，SFM）

经历了天然培养基、合成培养基后，无血清培养基和无血清培养成为当今细胞培养领域的一大趋势。采用无血清培养可降低生产成本，简化分离纯化步骤，避免病毒污染造成的危害。无血清培养基，一般是在合成培养基的基础上，加入成份完全明确的或部分明确的血清替代成份，达到既能满足动物细胞培养的要求，又能有效克服使用血清所带来问题的目的。

无血清培养基中通常需要添加一些额外的组分，才能帮助细胞贴壁生长，包括以下几大类物质：

1）促贴壁物质：一般为细胞外基质，如纤连蛋白、层粘连蛋白等。它们还是重要的分裂素以及维持正常细胞功能的分化因子，对许多细胞的繁殖和分化，起着重要作用。纤连蛋白主要促进来自中胚层细胞的贴壁与分化，这些细胞包括成纤维细胞、肉瘤细胞、粒细胞、肾上皮细胞、肾上腺皮质细胞、CHO细胞、成肌细胞等。

2）促生长因子及激素：针对不同细胞添加不同的生长因子。激素也是刺激细胞生长、维持细胞功能的重要物质，有些激素是许多细胞*的，如胰岛素。

3）酶抑制剂：培养贴壁生长的细胞，需要用胰酶消化传代，在无血清培养基中需含酶抑制剂，以终止酶的消化作用，达到保护细胞的目的。-常用的是大豆胰酶抑制剂。

4）结合蛋白和转运蛋白：常见如转铁蛋白和牛血清白蛋白。牛血清白蛋白的添加量比较大，可增加培养基的粘度，保护细胞免受机械损伤。许多旋转式培养的无血清培养基都含有牛血清白蛋白。

5）微量元素：硒是-常见的。

1.5 无蛋白无血清细胞培养基与化学组份限定无血清细胞培养基

1）无蛋白无血清细胞培养基（protein free midium, PFM）

这类培养基完全不含有动物来源蛋白，但仍有部份添加物是植物蛋白的小水解片段或合成多肽片段，以及类固醇激素和脂类前体等，以替代动物激素、生长因子的作用。其特点是完全没有蛋白或蛋白含量极低，有利于生物制品的分离纯化。

2）化学组份限定无血清细胞培养基（Chemically defined media, CDM）

此类培养基是目前-安全、-为理想的无血清细胞培养基，所有成份的浓度都完全明确，即使其所添加的少量蛋白，也是可经过纯化处理，成份明确、浓度确定的蛋白。这类培养基较为理想地减少了生产的可变性，提高了生产工艺的重复性，并有效降低了纯化成本。

1.6 个性化细胞培养基

严格意义上来说，个性化细胞培养基不在细胞培养基的传统分类之列，其具体是指一类根据细胞特性、细胞培养工艺特点、使用者需求习惯而量身定制的细胞培养基，主要目的是提高细胞产率、产品质量、产品安全性和降低血清的使用等。个性化细胞培养基可能是无血清培养基，也可能是低血清培养基，终是为满足某一种或某一类生物制品的生产需求。