楊顏慈,郭 斌,殷 紅
(西部資源與現(xiàn)代生物技術(shù)省部共建教育部實(shí)驗(yàn)室陜西省生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,西安710069)
動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是當(dāng)今生物工程領(lǐng)域中的前沿研究課題之一,培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞可以分離和鑒定病毒、進(jìn)行遺傳、代謝及發(fā)育調(diào)節(jié)方面的研究,并可利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)與人類健康和生存密切相關(guān)的生物制品,如疫苗、基因重組蛋白質(zhì)、抗體藥物、基因治療藥物等[1]。通常,動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)有賴于血清的存在,在傳統(tǒng)的天然培養(yǎng)基和合成培養(yǎng)基中,如果不加血清,絕大部分細(xì)胞將不能增殖。但使用血清又存在著道德和科學(xué)上的問(wèn)題[2],如對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的傷害、存在潛在的污染源、不同批次血清間的生物活性和因子的不一致及價(jià)格高等諸多弊端。在2003年4月5日至7日,Vera Baumans和Jan van der Valk組織召開(kāi)了一場(chǎng)專題討論會(huì)議,主題是“改進(jìn)體外培養(yǎng)技術(shù)方法,減少胎牛血清在細(xì)胞、組織培養(yǎng)上的應(yīng)用”[2]。2009年在哥本哈根一場(chǎng)類似的專題會(huì)議召開(kāi),會(huì)議討論了可以提高無(wú)血清培養(yǎng)基(SFM)發(fā)展及利用的策略[3]。有大量實(shí)踐證明無(wú)血清培養(yǎng)基不僅能在很大程度上避免或改善含血清培養(yǎng)基所帶來(lái)的上述缺陷,而且也能取得良好的培養(yǎng)效果。因此,無(wú)血清培養(yǎng)基得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
從1975年垂體細(xì)胞株 Gh3在無(wú)血清介質(zhì)中生長(zhǎng)獲得成功到現(xiàn)在,無(wú)血清培養(yǎng)基的發(fā)展大致經(jīng)歷了3代[4],即第一代一般意義上的無(wú)血清培養(yǎng)基,第二代無(wú)血清無(wú)動(dòng)物衍生蛋白培養(yǎng)基,第三代雙無(wú)培養(yǎng)基。隨著科技的進(jìn)步,第四代無(wú)血清培養(yǎng)基的研究開(kāi)發(fā)并投入市場(chǎng)將成為發(fā)展趨勢(shì)。其各自的成分、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用見(jiàn)表 1[4-7]。
表1 無(wú)血清培養(yǎng)基的發(fā)展過(guò)程Table 1 The development process of serum-free medium
無(wú)血清培養(yǎng)基的成分十分復(fù)雜,一般認(rèn)為其由兩部分組成,即基礎(chǔ)培養(yǎng)基和補(bǔ)充因子。基礎(chǔ)培養(yǎng)基是各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的混合物,是維持組織或細(xì)胞生長(zhǎng)、發(fā)育、遺傳、繁殖等一系列生命活動(dòng)必不可少的物質(zhì)。目前應(yīng)用最廣泛的是 MEM、DMEM、RPMI1640等。補(bǔ)充因子是無(wú)血清培養(yǎng)基中用于代替血清的各種因子的總稱。這些補(bǔ)充因子可使培養(yǎng)基既能滿足動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的要求,又能有效避免和消除含血清培養(yǎng)基的成分不明確、有批次間差異、常被病毒和支原體污染、血清來(lái)源不穩(wěn)定、細(xì)胞產(chǎn)品不易純化等問(wèn)題。補(bǔ)充因子可分為必需補(bǔ)充因子和特殊補(bǔ)充因子[7]。胰島素、轉(zhuǎn)鐵蛋白和硒幾乎是所有的細(xì)胞株在無(wú)血清培養(yǎng)基中生長(zhǎng)時(shí)都需要的,即為必需補(bǔ)充因子[8]。特殊補(bǔ)充因子可分為:激素和生長(zhǎng)因子、結(jié)合蛋白、貼壁和鋪展因子、微量元素和低分子量營(yíng)養(yǎng)因子、酶抑制劑等[8]。
由于無(wú)血清培養(yǎng)基的成分相對(duì)比較清楚,所以人們可因培養(yǎng)目的及細(xì)胞種類,選擇合適的基礎(chǔ)培養(yǎng)基或改變補(bǔ)充因子的種類及用量以達(dá)到更好地培養(yǎng)目的。主要在以下幾方面進(jìn)行了改進(jìn)。1)調(diào)整補(bǔ)充因子中生長(zhǎng)因子的種類及用量。Kumiko Iwata等[9]研發(fā)出一種適合于軟骨細(xì)胞快速生長(zhǎng)的無(wú)血清培養(yǎng)基,其培養(yǎng)基成分是:生長(zhǎng)因子 FGF-2(100 ng/mL)、insulin(5 μg/mL)、EGF(10 pg/mL)、PDGF(625 pg/mL)、TGF-β(5 pg/mL)以及生物材料白蛋白、透明質(zhì)酸酶。他們用該培養(yǎng)基培養(yǎng)軟骨細(xì)胞10 d后,軟骨細(xì)胞的數(shù)量大約增長(zhǎng)了25倍,增殖能力是含血清培養(yǎng)基條件下的一倍左右。2)改變基礎(chǔ)培養(yǎng)基。董書(shū)偉等[10]通過(guò)對(duì)比昆明小鼠原始生殖細(xì)胞(PGCs)在不同組分的無(wú)血清培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)狀況,發(fā)現(xiàn)在無(wú)血清培養(yǎng)基中添加0.1 mmol/L維甲酸(RA)或使用條件培養(yǎng)基 MEF-CM和 GR-CM,均有利于小鼠 PGCs的增殖,其中 MEF-CM和GR-CM組的效果與細(xì)胞因子組相比差異不顯著且降低了培養(yǎng)基的成本。3)采用新的補(bǔ)充因子。田靚等對(duì)生物反應(yīng)器細(xì)胞培養(yǎng)的無(wú)血清培養(yǎng)基的成分進(jìn)行了優(yōu)化,他們以穩(wěn)定轉(zhuǎn)染了抗 CD3人源化抗體的 CHO細(xì)胞為模型,將無(wú)血清培養(yǎng)基經(jīng)生物反應(yīng)器高密度細(xì)胞培養(yǎng)后分子量小于50kD的超濾液作為基礎(chǔ)培養(yǎng)基,發(fā)現(xiàn)向其中添加2 mmol/L丁酸鈉可以有效地誘導(dǎo)蛋白的表達(dá);丁酸鈉和檸檬酸鐵對(duì)于促蛋白表達(dá)有協(xié)同作用,適量添加培養(yǎng)中消耗較快的氨基酸(絲氨酸、谷氨酰胺、異亮氨酸及亮氨酸)可提高蛋白數(shù)和蛋白的表達(dá)量[11]。張大鶴等[12]開(kāi)發(fā)出適于重組 CHO-K1 細(xì)胞培養(yǎng)的無(wú)動(dòng)物源、無(wú)蛋白培養(yǎng)基(PFM)及化學(xué)成分確定的培養(yǎng)基(CDM)。在 PFM中,以檸檬酸鐵、硫酸鋅和酵母水解物替換無(wú)血清、低蛋白培養(yǎng)基(SFMC)中的轉(zhuǎn)鐵蛋白、胰島素和動(dòng)物組織水解物。在CDM中,以PFM培養(yǎng)基為基礎(chǔ),調(diào)整和優(yōu)化氨基酸的濃度和其他部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明兩種培養(yǎng)基均可穩(wěn)定支持CHO細(xì)胞培養(yǎng),微量元素完全可以替換無(wú)血清培養(yǎng)基中的蛋白,支持細(xì)胞生長(zhǎng)和促進(jìn)蛋白表達(dá)。通過(guò)對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的優(yōu)化調(diào)整,不需添加任何小肽化合物,在去除培養(yǎng)基中的蛋白水解物后,仍能支持高密度的 CHO 細(xì)胞培養(yǎng)[12]。
通過(guò)對(duì)無(wú)血清培養(yǎng)基成分的適當(dāng)調(diào)整、改進(jìn),人們實(shí)現(xiàn)了對(duì)某一類細(xì)胞或細(xì)胞產(chǎn)物快速、專一的培養(yǎng)目的,但目前這種改進(jìn)還未大規(guī)模投入生產(chǎn),且培養(yǎng)的細(xì)胞種類具有一定的局限性。
由于無(wú)血清培養(yǎng)基具有組成成分相對(duì)清楚、性能更加一致、容易進(jìn)行純化和下游加工、培養(yǎng)細(xì)胞的功能可以精確評(píng)估、增強(qiáng)生長(zhǎng)和產(chǎn)量、生理反應(yīng)性可以較好對(duì)照、可增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)中介物的檢測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn),從而在動(dòng)物細(xì)胞體外培養(yǎng)中的應(yīng)用日益廣泛。隨著近年來(lái)人們對(duì)無(wú)血清培養(yǎng)基的不斷研究,其應(yīng)用與開(kāi)發(fā)也愈加廣泛。
樊慶帥等[13]研發(fā)出一種適合 MDCK細(xì)胞生長(zhǎng)的無(wú)血清培養(yǎng)MDCK-SFM,以用于狂犬病病毒的生產(chǎn)。用MDCK-SFM培養(yǎng)基培養(yǎng)MDCK細(xì)胞生產(chǎn)狂犬病病毒,可獲得較高的病毒滴度(5.13 IgFFU/mL),且成本低,成分比較明確,在 MDCK細(xì)胞高密度培養(yǎng)生產(chǎn)狂犬病疫苗方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢細(xì)胞(CHO)被廣泛的用作宿主細(xì)胞以生產(chǎn)重組蛋白用于臨床診斷[14]。孫亞婷等[15]以表達(dá)單克隆抗體的重組CHO細(xì)胞為研究對(duì)象,研發(fā)出能支持細(xì)胞高密度培養(yǎng)和產(chǎn)物高效表達(dá)的無(wú)血清培養(yǎng)基,以優(yōu)化后的無(wú)血清培養(yǎng)基對(duì)表達(dá)單克隆抗體的重組CHO細(xì)胞進(jìn)行批式培養(yǎng),其最高活細(xì)胞密度可達(dá)6×106cells/mL,單克隆抗體濃度達(dá)200 mg/L,比HyClone SFM4CHO商業(yè)無(wú)血清培養(yǎng)基中分別提高了50%和30%。
干細(xì)胞具有可分化成為不同功能細(xì)胞的全能性,大量的研究結(jié)果已經(jīng)表明干細(xì)胞將可能為目前許多不治之癥(如肝硬化、心肌梗死、糖尿病、白血病等)提供有效的治療手段,也是組織再生、器官移植等再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的希望所在,其重要性已經(jīng)得到人們的廣泛共識(shí),干細(xì)胞研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展迅速[16]。目前無(wú)血清培養(yǎng)基已被廣泛用于干細(xì)胞的研究。方彥艷等[17]在無(wú)血清的人間充質(zhì)干細(xì)胞專用培養(yǎng)基培養(yǎng)體系條件下,利用臍帶組織培養(yǎng)法分離培養(yǎng)出大量的臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞,避免了培養(yǎng)中異種蛋白的混入而降低臨床排異反應(yīng)。其實(shí)驗(yàn)表明臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)易于誘導(dǎo)成骨,部分實(shí)現(xiàn)了篩選骨組織工程中候選的骨種子目的。陳請(qǐng)國(guó)等[18]利用無(wú)血清培養(yǎng)基培養(yǎng)大鼠神經(jīng)干細(xì)胞,以觀察其生長(zhǎng)及分化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)論是:神經(jīng)干細(xì)胞在無(wú)血清培養(yǎng)基中生長(zhǎng)旺盛,8 d左右就可以形成胞體透亮、折光性好的干細(xì)胞球;神經(jīng)干細(xì)胞的分化受微環(huán)境的影響,不同的生長(zhǎng)因子能誘導(dǎo)其朝不同方向分化。
腫瘤是急待攻克的世界性難題,人們?cè)诓粩嘌芯恐[瘤的發(fā)生機(jī)制、轉(zhuǎn)移、治療等方面,以期達(dá)到治愈腫瘤的目的。由于無(wú)血清培養(yǎng)基的優(yōu)勢(shì)明顯,許多研究人員選擇它來(lái)培養(yǎng)富集腫瘤細(xì)胞用于后續(xù)研究,發(fā)現(xiàn)其有良好的富集效果;研究人員通過(guò)向培養(yǎng)基中添加一些化學(xué)生物物質(zhì)或藥物,以研究其對(duì)腫瘤的影響及腫瘤的病因、病理等方面。所以無(wú)血清培養(yǎng)基在腫瘤研究方面得到了廣泛應(yīng)用。李雅婷等[19]用加了20 μ g/L EGF和20 μ g/L bFGF的無(wú)血清培養(yǎng)基對(duì)SP2/0細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)無(wú)血清培養(yǎng)條件下的SP2/0細(xì)胞比普通培養(yǎng)條件下的SP2/0細(xì)胞有更高的致瘤性和有更多的腫瘤干細(xì)胞(TSC)。雖然用無(wú)血清培養(yǎng)沒(méi)有能夠得到由SP2/0細(xì)胞TSC形成的腫瘤球,但是它對(duì)SP2/0細(xì)胞的TSC有富集作用。王欣榮等[20]利用無(wú)血清培養(yǎng)基懸浮培養(yǎng)小鼠乳腺癌細(xì)胞株4T1,發(fā)現(xiàn)4T1細(xì)胞可在含多種生長(zhǎng)因子的SFM中懸浮生長(zhǎng)并形成細(xì)胞球,4T1細(xì)胞中含有的乳腺癌干細(xì)胞樣細(xì)胞可通過(guò)SFM培養(yǎng)法富集。
通過(guò)對(duì)無(wú)血清培養(yǎng)基中的某些成分含量的調(diào)整或取舍,可抑制原代組織培養(yǎng)物中非目的細(xì)胞的過(guò)度生長(zhǎng),達(dá)到選擇目的細(xì)胞的目的。胡祥等[21]旨在檢測(cè)結(jié)直腸癌細(xì)胞系 SW480中側(cè)群細(xì)胞(Side population,SP)亞群(SP細(xì)胞是一類不均一的群體,來(lái)源于成體組織的特殊干細(xì)胞類型,由不同等級(jí)的干細(xì)胞亞群組成,各亞群之間的表面抗原標(biāo)記和細(xì)胞類型等存在較大的差異),他們采用添加了表皮生長(zhǎng)因子20 μl/L、堿性成纖維生長(zhǎng)因子10 μ g/L的無(wú)血清培養(yǎng)基培養(yǎng)結(jié)腸癌細(xì)胞系SW480,初步分離、富集腫瘤干細(xì)胞樣亞群。曾志勇等[22]采用無(wú)血清培養(yǎng)基 K-SFM培養(yǎng)人食管上皮細(xì)胞,培養(yǎng)基成分是左旋谷氨酰胺、表皮生長(zhǎng)因子及牛垂體提取物,在使用之前還添加了雙抗(青霉素、鏈霉素),0.5 mg/L氫化可的松和5 mg/L胰島素。他們發(fā)現(xiàn)與常規(guī)血清培養(yǎng)液培養(yǎng)相比,在 K-SFM培養(yǎng)液中,成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)明顯受抑,而食管上皮細(xì)胞具有生長(zhǎng)形態(tài)好、活力旺盛、增殖力強(qiáng)、細(xì)胞融合快、不易老化等優(yōu)點(diǎn)。
無(wú)血清培養(yǎng)基的組成可以是完全確知的化學(xué)物質(zhì),因而可根據(jù)研究的需要增減具有重要生物活性物質(zhì)的種類和數(shù)量,這就為研究細(xì)胞分化的條件提供了有效的手段。Jeffrey R.Crawford等[23]認(rèn)為采用無(wú)血清培養(yǎng)基培養(yǎng)小鼠脾細(xì)胞可以快速有效地研究一些因子對(duì)成纖維細(xì)胞分化的影響。采用無(wú)血清培養(yǎng)基培養(yǎng)鼠科動(dòng)物的脾細(xì)胞,5天內(nèi)分化為成纖維細(xì)胞。因子IL-13(白介素-13)和M-CSF可以在很大程度上增強(qiáng)成纖維細(xì)胞的分化,增強(qiáng)分化的最優(yōu)細(xì)胞密度是1.75×106cells/mL。SAP和交聯(lián)免疫球蛋白G會(huì)抑制小鼠脾細(xì)胞分化為成纖維細(xì)胞。馮年花等[24]研究了人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(iPS細(xì)胞)體外定向分化為神經(jīng)干細(xì)胞(NSCs)的方法,他們將人 iPS細(xì)胞懸浮培養(yǎng)4d形成擬胚體(EB)后經(jīng)維甲酸(RA)誘導(dǎo)4d,誘導(dǎo)后的 EB在無(wú)血清培養(yǎng)基中篩選并擴(kuò)增培養(yǎng),得到的細(xì)胞經(jīng)免疫熒光檢測(cè)到 NSCs的標(biāo)志物質(zhì)。其研究表明:維甲酸(RA)結(jié)合無(wú)血清培養(yǎng)基篩選培養(yǎng)能高效率地獲得NSCs。Fang Ning等[25]的研究表明成釉細(xì)胞無(wú)血清條件培養(yǎng)基(ameloblasts serum-free conditioned medium,ASF-CM)是一種誘導(dǎo)小鼠胚胎干細(xì)胞(mESCs)分化成口腔上皮細(xì)胞的良好方法。他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在分化培養(yǎng)基中培養(yǎng) 14d后,成釉細(xì)胞特有蛋白:CK14、AMBN、AMGN的表達(dá)量的高低與 mESCs是否形成類胚體(EB)有關(guān),在有EB形成的 mESCs中其表達(dá)量會(huì)高。其研究也顯示:ASF-CM能夠有效的誘導(dǎo) mESCs通過(guò)形成EB,進(jìn)而形成成釉細(xì)胞狀細(xì)胞的途徑分化。
Christian Riebeling等[26]以無(wú)血清培養(yǎng)基為基質(zhì),研究一些特定的生長(zhǎng)因子對(duì)小鼠胚胎干細(xì)胞株D3分化的作用。他們將含有生長(zhǎng)因子骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-4、激活素A和抗壞血酸的培養(yǎng)基培養(yǎng)小鼠胚胎干細(xì)胞株D3,發(fā)現(xiàn)其分化為心肌。此外,通過(guò)流式細(xì)胞儀檢測(cè)細(xì)胞標(biāo)記蛋白,發(fā)現(xiàn)它不僅分化為心肌細(xì)胞,同時(shí)也分化為神經(jīng)細(xì)胞。他們的這種方法可以應(yīng)用于同時(shí)檢測(cè)對(duì)早期中胚層和神經(jīng)外胚層分化發(fā)育的影響。
在無(wú)血清培養(yǎng)基出現(xiàn)至今的短短幾十年中,已經(jīng)歷了三次大的發(fā)展,雖然至今仍有諸多不足,如適用范圍窄、培養(yǎng)基相對(duì)較難保存、成本較高等。但隨著人們對(duì)細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)與代謝、細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及外源蛋白表達(dá)機(jī)制等各方面機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深入以及細(xì)胞培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)與研究中更多科學(xué)便捷的方法技術(shù)的成熟和采用,必將為無(wú)血清培養(yǎng)基的開(kāi)發(fā)及改善提供快捷通道[4]。因此,相信無(wú)血清培養(yǎng)基必將克服其不足,取得更大的突破,如適合多種細(xì)胞生長(zhǎng),具有廣泛適用性、生產(chǎn)高效性,降低成本及安全風(fēng)險(xiǎn),與發(fā)酵罐技術(shù)良好結(jié)合等,使之更廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐和基礎(chǔ)研究,特別是對(duì)干細(xì)胞和癌癥機(jī)理的研究,為人類造福。
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