无血清培养基(Serum-Free Media)

Rose

通常，动物细胞的生长均有赖于血清的存在，在普通培养基中，如不加血清，绝大部分细胞不能增殖。目前，血清培养基中通常添加的比较好的血清是牛血清。经研究发现细胞培养中使用牛血清存在污染外源病毒和致病因子的风险：由于不同批次牛血清间的生物活性和因子的不一致，导致产品和实验结果的重现性差：制品中残留的牛血清易引起接种者对血清的过敏反应。
　　无血清培养基(Serum-Free Media)，通常以SFM表示，顾名思义，就是在细胞培养中不需要添加血清，但是在某些应用中可能要添加生长因子或细胞因子。无血清培养基中添加了血清的主要成分：粘附因子、生长因子、必需的营养物质和激素等，能减少血清带来的不利因素，使细胞培养的条件更稳定。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。采用无血清培养可简化纯化和鉴定各种细胞产物的程序，避免病毒污染造成的危害。
一、无血清细胞培养基及其优缺点

(一)无血清培养基及分类
　　无血清培养基是继天然培养基，合成培养基之后的第三类培养基。与传统的培养基相比较，无血清培养基是不含动物血清或其他生物提取液，但仍可以维持细胞在体外较长时间生长、繁殖的一种培养基。无血清培养基由于其组成成分相对清楚，制备过程简单，在现代生物技术学领域得到广泛应用。无血清培养技术也是阐明细胞生长，增值，分化及基因表达调控的基础研究问题的有力工具。
　　目前，无血清培养基的研究有两个方向：一是培养基中不含有任何动物来源的添加组分;二是培养基中不含有不明确的添加组分。依此可以将当前应用较多的无血清培养基归纳为以下四种：
1.一般意义上的无血清培养基，用各类可代替血清功能的生物材料配制细胞培养基，如牛血清白蛋白(BSA)，转铁蛋白，胰岛素等生物大分子物质，以及从血清中提取的去除蛋白质的混合脂类以及水解蛋白等。其特点是培养基中的蛋白含量较高，添加物质的化学成分不明确，其中含有大量的动物来源蛋白。
2.无动物来源培养基：许多商业公司开发的无动物来源培养基是基于生产重组药物的安全考虑，培养基中的添加组分无动物来源，需要的蛋白来源于重组蛋白或者蛋白水解物，这些组分可以保障细胞生长及增殖的需要。
3.无动物蛋白培养基：培养基完全不用动物来源的蛋白，但仍有部分添加物是来源于植物蛋白的水解片段或合成多肽片段等其他衍生物。此类培养基组分相对稳定，但必须添加类固醇激素和脂类前体，并且对培养的细胞是高度特异性的。
4.化学组分限定培养基，此类培养基是目前最安全的，最为理想的培养基，首先可以保证培养基批次间的一致性，其中所添加的少量动物来源的蛋白水解物、蛋白都是成分明确的组分。其特点是培养基的性质确定，配起培养基来也比较方便。
(二)无血清培养基的优缺点
无血清培养基的优点：
1. 可避免血清批次间的质量变动，提高细胞培养和实验结果的重复性。
2. 避免血清对细胞的毒性作用和血清源性污染。
3. 避免血清组分对实验研究的影响。
4. 有利于体外培养细胞的分化。
5. 可提高产品的表达水平并使细胞产品易于纯化。
6. 组分稳定，可大量生产。
7. 不含有丝分裂原抑制剂，可以促进细胞增殖。
无血清培养基的缺点：
⒈ 细胞在无血清培养基中易受某些机械因素和化学因素的影响，培养基的保存和应用不 如传统的合成培养基方便。
2. 成本较高。
3. 针对性很强，一种无血清培养基仅适合某一类细胞的培养。
4. 处于发育的不同分化阶段的细胞(例如干细胞与定向前体细胞相比)需要不同的配方，对生长因子和细胞因子的选择尤为重要。而且在去除血清的同时，也去除了一些血清蛋白具有的保护、解毒作用，因此对试剂、水的纯度和仪器清洁度的要求更高。
二、无血清培养基组成及主要添加因子

　　无血清培养基由营养完全的基础培养基添加激素，生长因子，贴壁因子和结合蛋白而组成。
(一)基础培养基
　　早期用于细胞培养的基础培养基有血浆凝块，淋巴液，大豆蛋白胨和胚胎浸膏等天然培养基。1950年Morgan等在前人的研究基础上研究出199培养基，是动物细胞培养基发展到一个崭新的阶段，及合成培养基阶段。合成培养基是按细胞生长需要将一定比例的氨基酸、维生素、无机盐、葡萄糖等组合成的基础培养基。目前市场上已经有上百种的合成培养基商品。在众多的合成培养基中，MEM、DMEM、RPMI 1640、F12、和TC100的使用最为广泛。
　　基础培养基的成分是完全已知的，因此在对不同的细胞株进行培养时可以对基础培养基的某些组分进行相应的调整，以更好的符合细胞株的营养要求或提高目的蛋白的表达量。
(二)主要添加因子
　　又称补充因子，是代替血清的各种因子的总称。多数无血清培养液必须补加3—8种因子，任何单一因子都不能取代血清。已知有100多种此类因子，其中有些是必须补充因子，如胰岛素、亚硒酸钠和转铁蛋白，其他多数为辅助作用的因子。
　　按其功能不同，我们可将补充因子分为四类：
1.激素和生长因子
　　很多细胞用无血清培养时需要加入激素，如胰岛素、生长激素、胰高糖素等。几乎所有的细胞系都需要胰岛素，它是一种多肽，能与细胞上的胰岛素受体结合形成复合物，促进RNA、蛋白质和脂肪酸的合成，一致细胞凋亡，是重要的细胞存活因子。细胞无血清培养中，胰岛素的使用浓度为0.1-10μg/ml。Jan等认为在批式培养中胰岛素迅速耗尽是细胞比生长速率下降的主要原因。此外甲状腺素等和甾体类激素中的孕酮、氢化可的松、雌二醇等也是无血清细胞培养是常用的补充因子。不同细胞株对激素的种类和数量要求有所不同。
　　生长因子是维持细胞体外培养生存、增殖和分化所必需的补充因子。按化学性质可分为多肽类生长因子和甾类生长因子。无血清培养基中添加的生长因子主要是多肽类生长因子，近些年已鉴定的多肽类生长因子已有20-30种，其中半数以上都可以通过基因重组的手段获得相应的重组生长因子。无血清培养基较常见的生长因子有表皮生长因子(EGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)和神经生长因子(NGF)等。生长因子是有效的促有丝分裂原，能缩短细胞群体倍增时间。
2.结合蛋白
　　结合蛋白有两种，一种是转铁蛋白，另一种是白蛋白。
　　大多数哺乳动物细胞上存在特定的转铁蛋白受体，受体与转铁蛋白与铁离子的复合物结合是细胞获取必需的微量元素铁的主要来源，此外转铁蛋白还具有生长因子的性质并能与其他微量元素如钒等结合。不同细胞对转铁蛋白的需要量也不同。
　　白蛋白也是无血清培养基中常用的添加因子。它通过与维生素、脂类、激素、金属离子和生长因子的结合而稳定和调节上述物质在无血清培养基中活性的作用，此外还有结合毒素和减轻蛋白酶对细胞影响的作用。
3.贴壁因子
　　绝大多数的真核细胞在体外生长时需要固着在适宜的基底上。细胞固着作用是一个复杂的过程，包括贴壁因子吸附于器皿或载体的表面。细胞与贴壁因子的结合等。无血清培养中常用的贴壁因子有细胞间质和血清中的成分，如纤粘连蛋白、胶原、昆布氨酸和多聚赖氨酸等。
4.其他添加因子
　　一些细胞系的无血清培养还需要补充某些低分子量的化学物质，如微量元素、维生素、脂类等，维生素B主要以辅酶的形式参与细胞代谢，维生素C和维生素E具有抗氧化作用。丁二胺和亚油酸等提供细胞膜合成所需的脂质和细胞生长所需的水溶性脂质。
三、无血清培养基的应用

　　目前在大规模动物细胞的培养中已经普遍适用于无血清培养基。在疫苗生长、单抗和各种生物活性蛋白等生物制品的应用领域中，优化无血清培养基的成分可使不同的细胞在最有利于细胞生长和表达目的产物的环境中维持高密度培养，降低生产成本。在人类细胞培养中，应用无血清培养基还能有选择性地控制及避免成纤维细胞的过度生长。在无血清培养条件下，某些细胞的生长量和抗体的产量甚至较有血清时高出数倍。
　　除生产生物制品外，无血清培养基也被广泛应用于细胞生物学、药理学、肿瘤学领域：
(1)研究细胞的分化条件：无血清培养基其组成可以是完全确知的化学物质，因而可根据研究的需要增减具有重要生物活性物质的种类和数量。这就为研究细胞分化的条件提供了有效的手段。
(2)用于激素、生长因子和药物等与细胞相互作用的研究。
(3)用于从多种细胞混杂的培养中选择目的细胞：通过对无血清培养中的某些成分的取舍，可抑制原代组织培养物中非目的细胞的过度生长，达到选择目的细胞的目的。
(4)肿瘤病理学和病因学的研究：如用于研究致癌因子对细胞的影响，研究肿瘤细胞对可能触发正常细胞终末分化的外周信号的反应能力，或用于研究正常细胞与肿瘤细胞的生长和移行与基底膜信号的关系等。
(5)无血清培养基在生物制品生产中的得到广泛应用，国内外的很多生产单位都在致力于如何将无血清培养基与发酵罐培养技术更好的结合应用。
　　另外，无血清培养基还广泛应用于干细胞和免疫细胞的研究和临床治疗中。且在此领域对无血清培养基的需求量最大而且最迫切。

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/20373075