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摘 要：动物细胞无血清培养基相比天然培养基、合成培养基等传统培养基有无可比拟的优势，其组成成分相对清楚，制备过程简单，日益得到生物技术界的重视。运用统计学实验方法，可科学有效地考察细胞培养基中多因素、多水平间的交互作用。应用新型蛋白质组分分析技术及生物芯片技术定位胞浆信号通路相关蛋白、膜表面的生长因子受体、激素受体、细胞因子受体、粘附分子等，用以确定细胞培养基中调控分子的添加组合。对无血清培养基的优势特点及常用的实验研究进行概述。以期为动物细胞无血清培养基的研究与研制提供参考。
关键词：动物细胞；无血清培养基；实验设计
中图分类号：R-332文献标识码：A文章编号：1673-2197（2009）02-0021-03
动物细胞培养技术是当今生物工程领域中的前沿研究课题之一，无论是在基础研究还是生产实践方面都得到生物技术界的重视。随着哺乳动物细胞培养规模的扩大和生物药物需求的增长，基于细胞及产品特性的无血清培养基的研制已成为细胞工程领域的重要课题。无血清细胞培养技术的研究日益得到人们的重视。近年来，有关无血清培养基的研制和开发得到了迅速发展，推动了基因工程产品及产业的发展。
1 无血清培养基的优势特点及分类
细胞培养基是细胞体外培养的最重要因素。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，无血清培养基是一种不含有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、增殖、分化及基因表达调控的基础研究问题的有力工具。
常规细胞培养基的制备方法是在基础培养基中添加相应量的血清或组织提取物，其中最常用于培养基的血清是一种组分很不明确的混合物。所以常规血清细胞培养基存在以下缺点：
（1）血清来自于动物体，其对细胞在体外培养时的主要作用是提供生长因子、激素、结合蛋白，并提供保护作用，但同时也有细胞生长抑制因子和毒性因子，所以存在潜在毒性。
（2）由于动物血清提取的局限，使其应用于培养基的价格格外昂贵。
（3）动物血清提取的局限，也给细胞培养的标准化带来困难，同时也存在细胞培养表达产品分离纯化难的问题，具有潜在的细胞毒性作用，给规模化培养细胞增加了难度［1］。
由于上述常规血清细胞培养基存在的诸多问题，促使我们改进培养方法，用无血清细胞培养基来替代。细胞工程中无血清培养技术的应用，在很大程度上可以避免含血清培养所带来的不利。无血清培养基具有以下明显的优缺点：
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。
缺点：
（1）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。
发展无血清培养基，除了开发化学合成培养基外，也可以寻找适当的具有类似于血清功能的生物分子来替代血清。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。依次可以将当前应用较多的无血清培养基归纳为以下4种：
（1）无血清培养基。此为一般意义上的无血清培养基，是由各类可替代血清功能的生物材料配制成的细胞培养基，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］。
（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［3］。
（4）化学组分限定培养基［4，5］。此类培养基是目前最安全、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份。其特点是培养基的性质明确，有利于进行细胞培养的代谢研究，同时分离纯化也比较方便。
2 无血清培养基的实验研究
无血清培养基是不需要添加血清就可以维持细胞在体外较长时间生长繁殖的合成培养基。但是它们可能包含个别蛋白或大量蛋白组分。虽然基础培养基加少量血清所配制的完全培养基可以满足大部分细胞培养的要求，但对有些实验却不适合，如观察一种生长因子对某种细胞的作用，这时需要排除其他生长因子的干扰作用，而血清中可能含有各种生长因子；又如需要测定某种细胞在培养过程中分泌某种物质（抗体、生长因子）的能力；或者要大规模的培养某种细胞，以获得它们的分泌产物。
2.1 无血清培养基的基本配方
基本成分为基础培养基及添加组分两大部分。用于生物制药和疫苗生产的细胞在体外培养时，多数呈贴壁生长或兼性贴壁生长；而当其在无血清、无蛋白培养基中生长时，由于缺乏血清中的各种粘附贴壁因子如纤粘连蛋白、层粘连蛋白、胶原、玻表粘连蛋白，细胞往往以悬浮形式生长。
2.2 添加组分
2.2.1 促贴壁物质
许多细胞必须贴壁才能生长，这种情况下无血清培养基中一定要添加促贴壁和扩展因子，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。
2.2.2 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必不可少的，如胰岛素。
2.2.3 酶抑制剂
培养贴壁生长的细胞，需要用胰酶消化传代，在无血清培养基中酶抑制剂必不可少，以终止酶的消化作用，达到保护细胞的目的。最常用的是大豆胰酶抑制剂。
2.2.4 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。
2.2.5 微量元素
硒是最常见的微量元素。
2.3 使用方法
目前，血清仍是动物细胞培养中最基本的添加物，尤其是在原代培养或者细胞生长状况不良时，常常会先使用有血清的培养液进行培养，待细胞生长旺盛以后，再换成无血清培养液。细胞转入无血清培养基培养要有一个适应过程，一般要逐步降低血清浓度，从10%减少到5%，3%、1%，直至无血清培养。在降低过程中要注意观察细胞形态是否发生变化，是否有部分细胞死亡，存活细胞是否还保持原有的功能和生物学特性等。在实验后这些细胞一般不再继续保留，很少有细胞能够长期培养于无血清培养基而不发生改变的。细胞转入无血清培养之前，要留有种子细胞，种子细胞按常规培养于含血清的培养基中，以保证细胞的特性不发生变化。
为了使细胞适应无血清培养，关键是使所培养细胞处于如下状况：
（1）处于对数生长中期；
（2）>90%活细胞率；
（3）适应时以较高的起始细胞接种。
细胞适应无血清培养基的方法：
直接适应――细胞从添加血清的培养基转换到无血清培养基（SFM）中。
一些类型细胞可直接从包含血清的培养基适应无血清培养基。对于直接适应，接种细胞密度应该:2.5×105-3.5×105细胞/mL。当细胞密度达到1×106-3×106细胞/mL时，传代培养细胞。当细胞密度在培养4~7天后达到2×106~4×106细胞/mL时，细胞完全适应了无血清培养基。每隔3~5天，当细胞密度达到1×106~3×106细胞/mL，细胞活率在90％时，贮备的适应了无血清培养基的细胞培养物应该再次传代培养。
连续适应――分好几步把细胞从添加血清的培养基转换到无血清培养基（SFM）中，与直接适应相比较，连续适应趋向对于细胞更加温和一些。
(1)以2倍正常接种密度接种生长活跃的细胞培养物到75%有血清培养基-25％SFM混合培养基中，传代培养。
（2）当细胞密度>5×105细胞/mL时，以2×105~3×105细胞/mL细胞密度，在有血清培养基：SFM为50∶50的混合培养基中传代培养。
（3）以2×106~3×106细胞/ml细胞密度，25％有血清培养基和75%SFM中传代培养。
（4）当细胞密度达到1×106~3×106细胞/mL（接种后4~6天），在100％SFM培养基中传代培养。
（5）每隔3~5天，当细胞密度达到1×106~3×106细胞/mL，细胞活率在90％时，贮备的适应了无血清培养基的细胞培养物应该再次传代培养。
建议备份前一次混合培养的培养物，直到每一次细胞适应了新的混合培养基。每一次减少血清前，可能需要在SFM/有血清混合培养基中进行几次传代。
在适应过程中，最好不要让细胞生长过度。这将增加选择亚群的可能性。需要注意，与有血清培养基相比，大部分SFM包含非常少的蛋白质，因而更易于受外界因素的影响。
细胞培养适应替代血清：许多细胞利用连续适应方法能很好的适应，用包含FBS的培养基和包含有替代血清的培养基1∶1（v∶v）的混合培养基培养细胞。通过下列的混合培养基的方式，连续几代减少当前培养基的量：从1∶2到1∶4再到1∶16直至100％替代培养基。每次适应改变血清比例时，传代细胞2~3次。
培养直接从FBS转换到替代血清。一开始就使用相同于FBS的浓度的替代物或血清，生长的延迟可能会发生，允许进行2~3次的传代，使生长率恢复到以前的水平。
特别需要强调的是：配制无血清培养液必须使用高质量的水，如石英玻璃蒸馏器经3次蒸馏或超纯水净化装置制备的水。因为无血清培养基缺乏血清中天然成分未中和毒素、保护细胞的大分子，既便水中的有毒物质含量甚微，也可能对细胞产生致死性损害。这是无血清培养能否成功的关键因素之一。
3 结语
动物细胞无血清培养基的研究方法运用了基因组技术、蛋白质组技术、代谢工程技术、计量分析方法等。另外，有关无血清培养基在线数据库的建立也方便了相关信息的检索与分析［6］，为无血清培养基的设计提供了更多的信息。
随着重组蛋白、单克隆抗体及病毒疫苗需求量的加大，将会有更多的科学方法运用到细胞培养基的设计与研究中［7］。新一代动物细胞无血清培养基将具有“无血清、无蛋白、无动物来源、成分确定”的特性，同时在功能上属于安全、通用的高效培养基，这种细胞无血清培养基在细胞工程领域中将会得到广泛应用。
参考文献：
［1］ Even M S，Sandusky C B，Barnard N D. Serum-free hydridoma culture:ethical，scientific and safety considerations［J］. Trends in Biotechnology，2006，24(3):105-108.
［2］ Keen M J，Rapson N T. Development of a serum-free culture medium for the large scale production of recombinant protein from a Chinese hamster ovary cell line［J］. Cytotechnology，1995，17 (3) :153-163.
［3］ Schroder M， Matischak K， Friedl P. Serum-and protein-free media formulations for the Chinese hamster ovary cell line DUKXB11［J］. Journal of Biotechnology，2004， 108 (3): 179-292.
［4］ Hesse F， Wanger R. Developments and improvements in the manufacturing of human therapeutics with mammalian cell cultures［J］. Trends Biotechnology，2000， 18 (4): 173-180.
［5］ Chen Z L， Iding K， Lutkemeyer D， et al. A low-cost chemically defined protein free medium for a recombinant CHO cell line producing prothrombin［J］. Biotechnology Letters，2000， 22 (10): 837-841.
［6］ Falkner E， Appl H， Eder C， et al. Serum free cell culture: The free access online database［J］. Toxicology in Vitro， 2006， 20 (3): 395-400.
［7］ Wurm F M. Production of recombinant protein therapeutics in cultivated mammalian cells［J］. Nature Biotechnology， 2004， 22 (11): 1393-1398.
（责任编辑：陈涌涛）
