細(xì)胞培養(yǎng)基（cell culture medium）是人工模擬動(dòng)物細(xì)胞的體內(nèi)生長(zhǎng)環(huán)境，維持體外細(xì)胞存活和增殖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)基礎(chǔ)，其主要功能是為細(xì)胞提供適宜的pH和滲透壓，以及細(xì)胞本身不能合成的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。本文將對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)基的種類、成分及理化性質(zhì)，以及相關(guān)問題等方面進(jìn)行介紹。

細(xì)胞培養(yǎng)基的種類

按照細(xì)胞培養(yǎng)基的發(fā)展歷史，細(xì)胞培養(yǎng)基大致可分為平衡/鹽溶液、天然細(xì)胞培養(yǎng)基、合成細(xì)胞培養(yǎng)基、無血清細(xì)胞培養(yǎng)基、限定化學(xué)成分細(xì)胞培養(yǎng)基等幾大種類。

1.1 平衡/鹽溶液（balanced salt solution，BSS）

BSS主要是由無機(jī)鹽、葡萄糖組成，它的作用是維持細(xì)胞滲透壓平衡，保持pH穩(wěn)定及提供簡(jiǎn)單的營(yíng)養(yǎng)。其主要用于細(xì)胞的漂洗、配制其他試劑等。幾種常用的BSS配方如下（表1-1）。



D-Hank's與Hank's的一個(gè)主要區(qū)別是前者不含有Ca2+和Mg2+，因此D-Hank's常用于配制胰/酶溶液。因?yàn)镃a2+、Mg2+是細(xì)胞膜的重要組成成份，參與細(xì)胞粘附等功能，使用不含Ca2+、Mg2+的BSS可避免細(xì)胞結(jié)團(tuán)。此外，Hanks液和Earle液是常用的BSS基礎(chǔ)溶液，前者緩沖能力較弱，適合于密閉培養(yǎng)；后者緩沖能力較強(qiáng)，適合于5% CO2的培養(yǎng)條件。

表1-1  幾種常用的BSS配方（g/L）

1.2 天然細(xì)胞培養(yǎng)基

天然培養(yǎng)基指來自動(dòng)物體液或利用組織分離提取的一類培養(yǎng)基，如血漿、血清、淋巴液、雞胚浸出液等。其優(yōu)點(diǎn)是營(yíng)養(yǎng)成分豐富，培養(yǎng)效果良好，但缺點(diǎn)是成分復(fù)雜，來源受限且制作過程復(fù)雜、批間差異大。目前廣泛使用的天然培養(yǎng)基是血清，另外各種組織提取液、促進(jìn)細(xì)胞貼壁的膠原類物質(zhì)在培養(yǎng)某些特殊細(xì)胞也是必/不可少。

水解乳蛋白是乳白蛋白經(jīng)蛋白酶和肽酶水解的產(chǎn)物，含豐富的多肽、氨基酸和碳水化合物。一般配制成0.5 %溶液（采用平衡鹽/溶液溶解）與合成培養(yǎng)基（如MEM細(xì)胞培養(yǎng)基）以1:1的比例混合使用。

目前用于細(xì)胞培養(yǎng)的血清主要是牛血清，培養(yǎng)某些特殊細(xì)胞也用人血清、馬血清等。牛血清對(duì)絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞都是適合的，但并不排除在培養(yǎng)某種細(xì)胞時(shí)使用其他動(dòng)物血清更合適。血清中含有各種血漿蛋白、多肽、脂肪、碳水化合物、生長(zhǎng)因子、激素、無機(jī)物等，這些物質(zhì)對(duì)促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)或抑制生長(zhǎng)活性是達(dá)到生理平衡的。此外，血清含一些對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性的物質(zhì)，如多胺氧化酶，能與來自高度繁殖細(xì)胞的多胺反應(yīng)（如精胺、亞精胺）形成有細(xì)胞毒性作用的聚精胺。補(bǔ)體、抗體、細(xì)菌毒素等都會(huì)影響細(xì)胞生長(zhǎng)，甚至造成細(xì)胞死亡。目前，血清多作為一種添加成分與合成培養(yǎng)基混合使用，使用濃度一般為5 ~ 20 %，最/常用是10 %。

由于水解乳蛋白和血清成份復(fù)雜，批間差異大及存在病毒等外源污染風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)下游生物制品的分離純化和安全性都存在較大的影響，在生物制藥行業(yè)的使用也越來越少。因此，基于對(duì)血漿成份的分析，合成細(xì)胞培養(yǎng)基應(yīng)運(yùn)而生。

1.3 合成細(xì)胞培養(yǎng)基

合成培養(yǎng)基是根據(jù)天然培養(yǎng)基的成分，用化學(xué)物質(zhì)模擬合成、人工設(shè)計(jì)、配制的培養(yǎng)基。最早開發(fā)的基礎(chǔ)培養(yǎng)基（minimal essential medium, MEM），其本質(zhì)為含有鹽、氨基酸、維生素和其他必需營(yíng)養(yǎng)物的pH緩沖的等滲混合物。在此基礎(chǔ)上，DMEM、IMDM 、HAM F12、PRMI1640等各種合成細(xì)胞培養(yǎng)基被不斷開發(fā)出來。常用合成培養(yǎng)基的配方此處不詳細(xì)介紹，其特性及應(yīng)用的范圍見表1-2。

表1-2  常用合成培養(yǎng)基的特性及應(yīng)用的范圍

與天然培養(yǎng)基相比，有些天然的未知成分尚無法用已知的化學(xué)成分所替代，因此，細(xì)胞培養(yǎng)中使用合成培養(yǎng)基時(shí)必須加入一定量的天然培養(yǎng)基成分，以克服合成培養(yǎng)基的不足。最/普遍的做法是添加5 ~ 10 %的血清，這樣才能維持細(xì)胞活力，促進(jìn)細(xì)胞增殖。針對(duì)不同的動(dòng)物細(xì)胞，現(xiàn)已開發(fā)了多種商業(yè)化、個(gè)性化的低血清細(xì)胞培養(yǎng)基配方，營(yíng)養(yǎng)成份更加豐富，血清使用量可降低至1～3 %，由此可減少了血清等動(dòng)物來源成份對(duì)生物制品安全性的影響。

1.4 無血清細(xì)胞培養(yǎng)基（serum free medium，SFM）

經(jīng)歷了天然培養(yǎng)基、合成培養(yǎng)基后，無血清培養(yǎng)基和無血清培養(yǎng)成為當(dāng)今細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域的一大趨勢(shì)。采用無血清培養(yǎng)可降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化分離純化步驟，避免病毒污染造成的危害。無血清培養(yǎng)基，一般是在合成培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上，加入成份*明確的或部分明確的血清替代成份，達(dá)到既能滿足動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的要求，又能有效克服使用血清所帶來問題的目的。

無血清培養(yǎng)基中通常需要添加一些額外的組分，才能幫助細(xì)胞貼壁生長(zhǎng)，包括以下幾大類物質(zhì)：

1）促貼壁物質(zhì)：一般為細(xì)胞外基質(zhì)，如纖連蛋白、層粘連蛋白等。它們還是重要的分裂素以及維持正常細(xì)胞功能的分化因子，對(duì)許多細(xì)胞的繁殖和分化，起著重要作用。纖連蛋白主要促進(jìn)來自中胚層細(xì)胞的貼壁與分化，這些細(xì)胞包括成纖維細(xì)胞、肉瘤細(xì)胞、粒細(xì)胞、腎上皮細(xì)胞、腎上腺皮質(zhì)細(xì)胞、CHO細(xì)胞、成肌細(xì)胞等。

2）促生長(zhǎng)因子及激素：針對(duì)不同細(xì)胞添加不同的生長(zhǎng)因子。激素也是刺激細(xì)胞生長(zhǎng)、維持細(xì)胞功能的重要物質(zhì)，有些激素是許多細(xì)胞必/不可少的，如胰島素。

3）酶抑制劑：培養(yǎng)貼壁生長(zhǎng)的細(xì)胞，需要用胰/酶消化傳代，在無血清培養(yǎng)基中需含酶抑制劑，以終止酶的消化作用，達(dá)到保護(hù)細(xì)胞的目的。最/常用的是大豆胰/酶抑制劑。

4）結(jié)合蛋白和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白：常見如轉(zhuǎn)鐵蛋白和牛血清白蛋白。牛血清白蛋白的添加量比較大，可增加培養(yǎng)基的粘度，保護(hù)細(xì)胞免受機(jī)械損傷。許多旋轉(zhuǎn)式培養(yǎng)的無血清培養(yǎng)基都含有牛血清白蛋白。

5）微量元素：硒是最常見的。

1.5 無蛋白無血清細(xì)胞培養(yǎng)基與化學(xué)組份限定無血清細(xì)胞培養(yǎng)基

1）無蛋白無血清細(xì)胞培養(yǎng)基（protein free midium, PFM）

這類培養(yǎng)基*不含有動(dòng)物來源蛋白，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，以及類固醇激素和脂類前體等，以替代動(dòng)物激素、生長(zhǎng)因子的作用。其特點(diǎn)是*沒有蛋白或蛋白含量極低，有利于生物制品的分離純化。

2）化學(xué)組份限定無血清細(xì)胞培養(yǎng)基（Chemically defined media, CDM）

此類培養(yǎng)基是目前最/安全、最為理想的無血清細(xì)胞培養(yǎng)基，所有成份的濃度都*明確，即使其所添加的少量蛋白，也是可經(jīng)過純化處理，成份明確、濃度確定的蛋白。這類培養(yǎng)基較為理想地減少了生產(chǎn)的可變性，提高了生產(chǎn)工藝的重復(fù)性，并有效降低了純化成本。

1.6 個(gè)性化細(xì)胞培養(yǎng)基

嚴(yán)格意義上來說，個(gè)性化細(xì)胞培養(yǎng)基不在細(xì)胞培養(yǎng)基的傳統(tǒng)分類之列，其具體是指一類根據(jù)細(xì)胞特性、細(xì)胞培養(yǎng)工藝特點(diǎn)、使用者需求習(xí)慣而量身定制的細(xì)胞培養(yǎng)基，主要目的是提高細(xì)胞產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品安全性和降低血清的使用等。個(gè)性化細(xì)胞培養(yǎng)基可能是無血清培養(yǎng)基，也可能是低血清培養(yǎng)基，最終是為滿足某一種或某一類生物制品的生產(chǎn)需求。

培養(yǎng)基的基本組分

細(xì)胞培養(yǎng)基必須含有充分的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，才能滿足新細(xì)胞合成、細(xì)胞代謝等生化反應(yīng)所需要的物質(zhì)和能量。細(xì)胞培養(yǎng)基的主要成份是水、氨基酸、維生素、碳水化合物、無機(jī)鹽和其它一些輔助營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等。此外，還可能含有血清、血清替代成分、pH指示劑等。

2.1 水

水是細(xì)胞的主要成份，也是細(xì)胞賴以生存的主要環(huán)境。細(xì)胞培養(yǎng)液中90 %以上的成份是水。細(xì)胞對(duì)水的品質(zhì)非常敏感，水的品質(zhì)將直接影響細(xì)胞培養(yǎng)的效果。而水中通常含有重金屬、氯、磷、有機(jī)物、熱原等污染物，細(xì)胞培養(yǎng)用水須經(jīng)過純化，品質(zhì)應(yīng)符合中國(guó)藥典注射用水標(biāo)準(zhǔn)或者超純水的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 能源和碳源

能源和碳源是用于維持細(xì)胞生命和支持細(xì)胞生長(zhǎng)，主要包括糖、糖酵解的產(chǎn)物和谷/氨酰胺，其他氨基酸是次要的能源和碳源物質(zhì)。細(xì)胞能夠利用的糖類主要是六碳糖，目前大多體外培養(yǎng)時(shí)選取葡萄糖作為細(xì)胞的主要碳源和能量來源，因此細(xì)胞培養(yǎng)基中基本都含有葡萄糖，含量一般為5～25 mmol/L。

在葡萄糖濃度較高時(shí)，細(xì)胞主要通過擴(kuò)散作用吸收葡萄糖，細(xì)胞膜內(nèi)外的葡萄糖濃度梯度是細(xì)胞吸收葡萄糖的動(dòng)力；在葡萄糖濃度較低時(shí)，主要由鈉離子推動(dòng)的高親和性轉(zhuǎn)運(yùn)過程使細(xì)胞攝取葡萄糖。葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞后參與糖酵解、核酸代謝、糖原合成、能量代謝以及一些氨基酸的合成。與體內(nèi)的能量供應(yīng)途徑不同，體外培養(yǎng)時(shí)，一定的濃度范圍條件下，葡萄糖主要經(jīng)糖酵解循環(huán)轉(zhuǎn)化成乳酸來為細(xì)胞提供能量。

2.3 氮源（氨基酸）

氨基酸在細(xì)胞內(nèi)的重要生理作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

① 是蛋白質(zhì)的基本組成單位，用于合成蛋白質(zhì)和多肽；

② 可用于合成某些具有重要生理作用的含氮化合物，如核酸、尼克酰胺等；

③ 某些氨基酸還具有獨(dú)/特的生理作用，如甘氨/酸參與生物轉(zhuǎn)化作用，丙氨/酸和谷氨/酰胺參與細(xì)胞內(nèi)氨的運(yùn)輸?shù)龋?br/>
④ 可轉(zhuǎn)變成糖類和脂肪，參與氧化供能。

細(xì)胞所能利用的氨基酸是L型同分異構(gòu)體，D型氨基酸不能被利用。不同的細(xì)胞對(duì)氨基酸的需求各異，但有些必需氨基酸是細(xì)胞不能自身合成的，必須依靠外源的細(xì)胞培養(yǎng)液提供。其余非必需氨基酸，細(xì)胞可以自己合成，或通過轉(zhuǎn)氨作用由其他物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來，但是在細(xì)胞培養(yǎng)基中添加適當(dāng)濃度的非必需氨基酸可以減輕細(xì)胞在合成方面的負(fù)擔(dān)，提高谷氨/酰胺及其它必需氨基酸的利用率。

絕大部分細(xì)胞對(duì)谷氨/酰胺有較高的要求，可能因其不僅是細(xì)胞的主要氮源，且可作為細(xì)胞生長(zhǎng)的能源物質(zhì)和嘌呤、嘧啶核苷酸的前體，另外還可直接作為細(xì)胞增殖和產(chǎn)物合成中的蛋白質(zhì)和多肽的組成成分。在缺少谷氨/酰胺時(shí)，細(xì)胞會(huì)生長(zhǎng)不良，甚至死亡。由于谷氨/酰胺具有多種生理作用，體外動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)需要大量谷氨/酰胺，利用量常超過其他必須氨基酸利用量的總和。

2.4 維生素

維生素是維持細(xì)胞生長(zhǎng)的生物活性物質(zhì)，在細(xì)胞代謝中起調(diào)節(jié)及控制作用。維生素可分為水溶性和脂溶性兩類，水溶性/維生素主要包括泛酸、維生素B12、葉/酸、煙/酰胺、吡哆醛、硫胺素、核黃素、維/生素C、膽/堿、肌醇等；脂溶性維/生素主要包括維生/素A、D、 E、K等；有的培養(yǎng)液中還直接采用ATP和輔/酶A；大部分培養(yǎng)基中還有生/物素。

許多維生素參與構(gòu)成各種酶的活性基團(tuán)的成分，沒有它們，酶便沒有活性，代謝活動(dòng)將無法進(jìn)行。比如，泛酸可以在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)變成酰基載體蛋白和輔酶（如輔/酶A），參與糖類、脂類和蛋白質(zhì)代謝中的催化反應(yīng)；維生素B12則在細(xì)胞內(nèi)參與葉/酸的合成和脂肪酸的合成等。不同配方的細(xì)胞培養(yǎng)基中維生素的濃度有較大差異。例如，DMEM培養(yǎng)基中維生素的含量約為MEM培養(yǎng)基的兩倍，其原因是一方面不同種類維生素的作用不同，另一方面不同種類的細(xì)胞對(duì)維生素的需求也可能有較大差異，相應(yīng)細(xì)胞培養(yǎng)基的配方中維生素的含量也可能不同。

2.5 無機(jī)鹽

無機(jī)鹽是細(xì)胞維持生命活動(dòng)所不可/缺少的營(yíng)養(yǎng)成分，主要有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl－、PO43—、SO42—、HCO3－等，主要作用為維持細(xì)胞培養(yǎng)液滲透壓平衡，參與細(xì)胞的代謝活動(dòng)。此外，通過提供鈉，K+和Ca2+，幫助細(xì)胞調(diào)節(jié)細(xì)胞膜功能。Na+是細(xì)胞外液中最主要的陽離子，對(duì)維持滲透壓的恒定有決定性的作用，還與Cl－共同參與生物電活動(dòng)、維持水平衡和酸堿平衡等。K+主要分布在細(xì)胞內(nèi)液，對(duì)于激活某些酶是必需的，并在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的酸堿平衡上也有極重要意義。Ca2+和Mg2+主要參與信號(hào)傳導(dǎo)、能量代謝、脂肪酸合成、核糖體穩(wěn)定和蛋白質(zhì)合成等多種生理作用。PO43－、SO42－、HCO3－是基質(zhì)所需陰離子，同時(shí)是細(xì)胞內(nèi)電荷的調(diào)節(jié)者。磷對(duì)于細(xì)胞的生長(zhǎng)、代謝和調(diào)控都有重要的作用，含磷的化合物如核酸、磷脂、蛋白質(zhì)是構(gòu)成細(xì)胞的主要成分，ATP、ADP是能量生成、存儲(chǔ)和利用的不可/或缺的化合物。

上述離子對(duì)于細(xì)胞的作用各有不同，它們共同構(gòu)成了細(xì)胞賴以生存的滲透壓、pH和電化學(xué)平衡的微環(huán)境，細(xì)胞對(duì)于某種元素的吸收利用會(huì)受到其它元素的干擾，例如培養(yǎng)基中過高的鈣離子濃度會(huì)使鎂和鋅的吸收利用受到干擾。因此，在保證培養(yǎng)基中上述離子濃度滿足要求以外，還需保證上述離子之間種類和比例的平衡。

此外，微量元素如鐵、鈷、鎳、硒、碘、銅、鋅、錳、鉻、鉬、氟等對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)代謝和產(chǎn)物合成都有促進(jìn)作用。微量元素在細(xì)胞內(nèi)通常以與有機(jī)物結(jié)合的形式存在。其中鐵在細(xì)胞中參與氧的轉(zhuǎn)運(yùn)；鈷是維生素B12的組成部分，參與葉/酸的合成和脂肪酸的合成；鎳能夠激活脫氧核糖核酸酶、乙酰輔酶/A合成酶等在細(xì)胞內(nèi)具有重要功能的酶，還具有穩(wěn)定核酸結(jié)構(gòu)的功能；亞硒/酸鈉中的硒，作為谷胱/甘肽過氧化物酶的輔基，具有抗過氧化物能力，參與消除細(xì)胞內(nèi)的脂肪酸過氧化物，提高細(xì)胞的生長(zhǎng)速率和活性。

2.6 其他添加成分

在低血清、無血清細(xì)胞培養(yǎng)基中，為滿足細(xì)胞生長(zhǎng)增殖需要，常常添加一些成份：蛋白質(zhì)、多肽、核苷、嘌呤、檸檬酸循環(huán)的中間產(chǎn)物、脂類、及一些血清替代因子等。其中蛋白質(zhì)具有重要的作用，動(dòng)物細(xì)胞對(duì)許多物質(zhì)（難溶于水的離子或脂類物質(zhì)）的攝取需要借助蛋白質(zhì)的傳遞作用，如白蛋白、傳遞蛋白、貼壁蛋白等能夠攜帶脂肪酸、激素、礦物質(zhì)等促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)。轉(zhuǎn)鐵蛋白是一種重要的傳遞蛋白，能夠結(jié)合鐵，促進(jìn)細(xì)胞對(duì)鐵離子的吸收，并具有解毒作用，其促生長(zhǎng)作用可能與其具有生長(zhǎng)因子的功能有關(guān)。胰島素可促進(jìn)細(xì)胞對(duì)葡萄糖和氨基酸的利用，商業(yè)化中一些生長(zhǎng)因子以重組蛋白形式添加到培養(yǎng)基中，主要用來刺激細(xì)胞增殖，并可促進(jìn)糖元和脂肪酸的合成。乙醇胺是一種重要的刺激細(xì)胞生長(zhǎng)的化合物，是腦磷酸的合成前提。

另外，酚紅作為pH值的指示劑被加入到細(xì)胞培養(yǎng)基中。酚紅在產(chǎn)物純化過程中會(huì)造成干擾，并且具有一定的固醇類激素樣作用，如雌激素樣作用。當(dāng)用于哺乳類動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)，可能會(huì)發(fā)生一些固醇類反應(yīng)。現(xiàn)在商業(yè)化細(xì)胞培養(yǎng)基中的酚紅含量可根據(jù)需求調(diào)整。因生物反應(yīng)器具有pH在線檢測(cè)技術(shù)，生物反應(yīng)器培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞時(shí)，酚紅可*去除。

2.7 保護(hù)劑

細(xì)胞保護(hù)劑是保護(hù)細(xì)胞免受滲透壓變化、剪切力、氧化及氣泡作用等引起的損傷的物質(zhì)。在使用生物反應(yīng)器培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞易被機(jī)械攪拌和通氣鼓泡產(chǎn)生的流體剪切力和氣泡作用所傷害甚至破損死亡。為降低這種損傷，除優(yōu)化生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝外，可在細(xì)胞培養(yǎng)液中添加一些保護(hù)劑。其主要是通過改變細(xì)胞培養(yǎng)基物性或是對(duì)細(xì)胞具有保護(hù)作用的物質(zhì)，常用的種類有血清、白蛋白、聚已二醇（PEG）、非離子性表面活性劑PluronicF68或是其他一些高分子聚合物等。