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2 细胞培养基的理化性质
H2O CO2 H2CO3 H HCO3- 此外，细胞培养基还有采用磷酸盐缓冲系统，以获得较高的缓冲能力。相比碳酸盐缓冲系统的缓冲能力较低，但因其对细胞毒性小、成本低，在细胞培养中应用得更为广泛。
3 细胞培养基的基本成份及其作用 细胞培养基的成份是实现动物细胞体外培养成功的最重要因素之一。细胞培养基必须含有充分的营养物质，满足完成新细胞合成、细胞代谢等生化反应所需要的物质和能量。细胞培养基的主要成份是水、氨基酸、维生素、碳水化合物、无机盐和其它一些辅助营养物质。传统的合成细胞培养基在使用时还需添加一定量的血清才能促进细胞生长和繁殖。低血清细胞培养基或是无血清细胞培养基主要是在合成细胞培养基的基础上，通过调整营养成份配比或含量，或添加一些血清替代因子，能够满足细胞在低血清或无血清条件下维持细胞增殖的物质和能量需求。 3.1水 水不仅是细胞的主要成份，也是细胞赖以生存的主要环境，营养物质、代谢产物都必须溶解在水中，才能被细胞吸收和排泄。细胞培养液中90%以上的成份是水。细胞对水的品质非常敏感，水的品质直接影响细胞培养的效果。水中通常含有重金属、氯、磷、有机物、热原等污染物，细胞培养用水须经过纯化，水的品质应符合中国药典注射用水标准或者超纯水（≥18.25 MΩ cm，25℃）。 细胞培养用水的贮存对保持水的品质有很大影响，周围环境和空气使水二次污染，内毒素含量升高等。在配制细胞培养液时，水最好是现用现制备。不同地区水质可能有差异，偏酸性或偏碱性，在配制细胞培养液的时候，需考虑实际水质情况及细胞培养工艺要求。 3.2能源和碳源 能源和碳源主要用于维持细胞生命和支持细胞生长，主要包括糖、糖酵解的产物和谷氨酰胺，其他氨基酸是次要的能源和碳源物质。细胞能够利用的糖类主要是六碳糖，目前大多体外培养时选取葡萄糖作为细胞的主要碳源和能量来源，因此细胞培养基中基本都含有葡萄糖。细胞培养基的葡萄糖含量一般为5～25mmol/L。 在葡萄糖浓度较高时，细胞主要通过扩散作用吸收葡萄糖，细胞膜内外的葡萄糖浓度梯度是细胞吸收葡萄糖的动力；在葡萄糖浓度较低时，主要由钠离子推动的高亲和性转运过程使细胞摄取葡萄糖。葡萄糖进入细胞后首先在细胞质中进行糖酵解，糖酵解的中间产物6-磷酸葡萄糖可以进入磷酸戊糖途径，生成各种核糖，参与核酸代谢；也可以作为原料参与糖原合成。3-磷酸葡萄糖可以参与丝氨酸和甘氨酸的合成。丙酮酸可以不完全氧化生成乳酸和ATP，也可以进入线粒体通过三羧酸循环完全氧化生成二氧化碳和ATP。三羧酸循环的中间产物如乙酰辅酶A、α-酮戊二酸、琥珀酰辅酶A、苹果酸、草酰乙酸可以参与氨基酸、脂类和核酸代谢。 与体内的能量供应途径不同，体外培养时，一定的浓度范围条件下，葡萄糖主要经糖酵解循环转化成乳酸来为细胞提供能量，同时在产生能量的过程中产生的代谢副产物（乳酸）率较高，部分研究者试图寻求葡萄糖的代替品，如果糖及丙酮酸纳等，2007年【5】Wlaschin等通过在CHO细胞系中表达果糖运输蛋白GLUT5，培养介质中使用果糖替代葡萄糖，在CHO细胞流加培养过程中大大降低了培养上清中乳酸的浓度，细胞最大生长密度由4.4×106cells／ml提高到1.1×107cells／ml。 3.3氮源（氨基酸） 氨基酸在细胞内的重要生理作用主要体现在以下几个方面： 1) 氨基酸是蛋白质的基本组成单位，用于合成蛋白质和多肽； 2) 氨基酸可以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) 某些氨基酸还具有独特的生理作用，如甘氨酸参与生物转化作用，丙氨酸和谷氨酰胺参与细胞内氨的运输等； 4) 氨基酸还可以转变成糖类和脂肪，参与氧化供能。 细胞所能利用的氨基酸是L型同分异构体，D型氨基酸不能被利用。不同的细胞对氨基酸的需求各异，但几种必需氨基酸细胞不能自身合成，主要有组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸、胱氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、精氨酸及谷氨酰胺等，必须依靠外源的细胞培养液提供，因此在细胞培养基配方中，上述氨基酸的浓度较高。其余非必需氨基酸如丙氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、脯氨酸、丝氨酸、甘氨酸等，细胞可以自己合成，或通过转氨作用由其他物质转化而来，但是在细胞培养基中添加适当浓度的非必需氨基酸可以减轻细胞在合成方面的负担，提高谷氨酰胺及其它必需氨基酸的利用率。不同的细胞株在自身生长和产物合成时对氨基酸的需求不同，细胞对不同氨基酸的利用速率也有很大差别，导致氨基酸的代谢有较大的差异，通常在个性化细胞培养基或无血清细胞培养基中氨基酸的浓度含量较高。 绝大部分细胞对谷氨酰胺有较高的要求，可能因其不仅是细胞的主要氮源，而且谷氨酰胺还可作为细胞生长的能源物质和嘌呤、嘧啶核苷酸的前体，另外还可以直接作为细胞增殖和产物合成中的蛋白质和多肽的组成成分，在缺少谷氨酰胺时，细胞生长不良而死亡。由于谷氨酰胺具有多种生理作用，体外动物细胞培养时需要大量谷氨酰胺，利用量常超过其他必须氨基酸利用量的总和，因此，细胞培养基中谷氨酰胺的浓度一般会大大高于其它氨基酸。 谷氨酰胺在细胞内的代谢途径较多，其进入线粒体后在谷氨酰胺酶的作用下脱酰胺基生成谷氨酸和氨，谷氨酸可以继续脱酰胺基生成α-酮戊二酸，或者通过转氨基作用生成丙氨酸、天冬氨酸和α-酮戊二酸。α-酮戊二酸进入三羧酸循环后可以进入多条代谢途径：完全氧化生成二氧化碳，不完全氧化生成乳酸，成为核苷酸的前体，参与其它氨基酸的生成等。环境条件对谷氨酰胺代谢途径有影响，但是在谷氨酰胺水平高时，细胞更趋于产氨的代谢途径。 3.4维生素 维生素是维持细胞正常生理状态的一种重要的生物活性物质，对细胞代谢有重要作用。维生素分为水溶性和脂溶性两类，水溶性维生素主要包括泛酸、维生素B12、叶酸、烟酰胺、吡哆醛、硫胺素、核黄素、维生素C、胆碱、肌醇等；脂溶性维生素主要包括维生素A、维生素D、维生素E、维生素K等；有的培养液中还直接采用ATP和辅酶A；大部分培养基中还有生物素。 维生素在细胞中大多形成酶的辅基或辅酶参与细胞的代谢活动。泛酸可以在细胞内转变成酰基载体蛋白和辅酶（如辅酶A），参与糖类、脂类和蛋白质代谢中的催化反应。维生素B12则在细胞内参与叶酸的合成和脂肪酸的合成。叶酸用于合成四氢叶酸，四氢叶酸是重要的一碳单位，在核酸和蛋白质的生物合成中起重要作用。尼克酰胺在细胞内以尼克酸腺嘌呤二核苷酸和尼克酰胺嘌呤二核苷酸的形式作为许多氧化还原酶的辅酶，在氧化还原反应中传递氢和电子。磷酸吡多醛是多种酶的辅酶，参与氨基酸的合成、分解及相互转变过程中的转氨基及脱羧基反应，这些反应都是氨基酸释放能量过程中的重要反应，所以磷酸吡多醛又被称为能量维生素。硫胺素在细胞内与焦磷酸结合形成焦磷酸硫胺素后，成为多种脱氢酶和转酮醇酶的辅酶，例如丙酮酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶是细胞代谢过程中的关键性酶，而转酮醇酶则在核糖和NADPH的生成过程中起作用。核黄素是黄素蛋白酶辅基的组成成分，在生物氧化过程中起传递氢的作用，催化氧化还原反应。维生素C在细胞内参与一些重要的羟化作用，能够促进细胞分离，保护细胞免受损伤。维生素A是细胞合成糖蛋白时寡糖基的载体。维生素E是一种较强的抗氧化剂，可以防止生物膜磷脂中的不饱和脂肪酸被氧化，在保护生物膜上起重要作用。 不同配方的细胞培养基中维生素的浓度有较大差异，典型案例是DMEM细胞培养基中维生素的含量约为MEM培养基的两倍，其原因是一方面不同种类维生素的作用不同，另一方面不同种类的细胞对维生素的需求也可能有较大差异，相应细胞培养基的配方中维生素的含量也可能不同。例如大多数细胞培养基含有 1~4mg/mL 的叶酸，但是 199 培养基的叶酸含量只是上述量的1/100，如果用 199 培养基进行原代细胞或者正常二倍体细胞培养时，则通常需再另外添加叶酸或者胸腺嘧啶。此外，对于流加细胞培养基的研究显示，过量加入维生素对于细胞是否有毒害作用目前还无明确的定论，这种情况可能与细胞株对维生素的耐受性差异和基础细胞培养基配方中维生素含量的多少有关，细胞所能耐受维生素的浓度应该通过细胞耐受性的筛选实验来确定。 3.5无机离子 无机盐是细胞维持生命活动所不可缺少的营养成分。 无机离子主要有Na 、K 、Ca2 、Mg2 、Cl－、PO43－、SO42－、HCO3 等，维持细胞培养液渗透压平衡，参与细胞的代谢活动。Na 是细胞外液中最主要的阳离子，对维持渗透压的恒定有决定性的作用，此外，还与Cl-共同参与生物电活动、维持水平衡和酸碱平衡等。K 主要分布在细胞内液，细胞内K 对于激活某些酶是必需的，并在调节细胞内环境的酸碱平衡上也有极重要意义。Ca2 和Mg2 是细胞内最为重要的两种二价离子，对于细胞具有信号传导、能量代谢、脂肪酸合成、核糖体稳定和蛋白质合成等多种生理作用，在培养基中维持一定的钙、镁离子浓度能够促进细胞生长。在悬浮培养时，为了减少细胞的聚集和附着，要减少Ca2 的浓度；Mg2 是构成细胞间质的重要成分，对于细胞间相互稳定结合有很重要的意义。通过细胞培养基提供Na 、K 、Ca2 ，能够帮助细胞调节细胞膜功能。PO43－、SO42－、HCO3-是基质所需阴离子，同时是细胞内电荷的调节者，磷对于细胞的生长、代谢和调控都有重要的作用，含磷的化合物如核酸、磷脂、蛋白质是构成细胞的主要成分，ATP、ADP是能量生成、存储和利用的不可或缺的化合物，cAMP、磷酸肌醇是第二信使物质，对于蛋白质磷酸化有重要作用。 上述离子对于细胞的作用各有不同，它们共同构成了细胞赖以生存的渗透压、pH和电化学平衡的微环境，细胞对于某种元素的吸收利用会受到其它元素的干扰，例如细胞培养基中过高的钙离子浓度会使镁和锌的吸收利用受到干扰。在动物细胞培养中，保持细胞培养基中上述离子具有足够的浓度与保持上述离子之间种类和比例的平衡有同等重要的意义。 此外，微量元素如铁、钴、镍、硒、碘、铜、锌、锰、铬、钼、氟等对于细胞生长代谢和产物合成都有促进作用，细胞对上述元素的需要量很小，因此又将它们称为微量元素。微量元素在细胞内通常以与有机物结合的形式存在。其中铁在细胞中参与氧的转运；钴是维生素B12的组成部分，参与叶酸的合成和脂肪酸的合成；镍能够激活脱氧核糖核酸酶、乙酰辅酶A合成酶等在细胞内具有重要功能的酶，镍还具有稳定核酸结构的功能；亚硒酸钠中的硒，作为谷胱甘肽过氧化物酶的辅基，具有抗过氧化物能力，参与消除细胞内的脂肪酸过氧化物，提高细胞的生长速率和活性。铬参与细胞的糖代谢，并且具有稳定核酸结构的功能；铜、锌、钼、锰是多种酶的辅基，对于维持这些酶的正常生理功能非常重要。在细胞培养基中，需维持各微量元素之间的比例平衡。 3.6 其它添加成份 在低血清、无血清细胞培养基中，为满足细胞生长增殖需要，常常添加一些成份：蛋白质、多肽、核苷、嘌呤、柠檬酸循环的中间产物、脂类、及一些血清替代因子等。其中蛋白质具有重要的作用，动物细胞对许多物质（难溶于水的离子或脂类物质）的摄取需要借助蛋白质的传递作用：蛋白质作为载体，如白蛋白、传递蛋白、贴壁蛋白等能够携带脂肪酸、激素、矿物质等促进细胞生长；转铁蛋白是一种重要的传递蛋白，能够结合铁，促进细胞对铁离子的吸收，并具有解毒作用，其促生长作用可能与其具有生长因子的功能有关。胰岛素可促进细胞对葡萄糖和氨基酸的利用，商业化中一些生长因子以重组蛋白形式添加到培养基中，主要用来刺激细胞增殖，并可促进糖元和脂肪酸的合成。乙醇胺是一种重要的刺激细胞生长的化合物，是脑磷酸的合成前提。 酚红在细胞培养基中被用来作为pH值的指示剂。酚红在产物纯化过程中会造成干扰，并且具有一定的固醇类激素样作用，如雌激素样作用，尤其对于培养的哺乳类动物细胞，可能会发生一些固醇类反应。现在商业化细胞培养基中的酚红含量可根据需求调整。因生物反应器具有pH在线检测技术，生物反应器培养动物细胞时，酚红可完全去除。 3.7保护剂 细胞保护剂是保护细胞免受渗透压变化、剪切力、氧化及气泡作用等引起的损伤的物质。在使用生物反应器培养动物细胞时，细胞易被机械搅拌和通气鼓泡产生的流体剪切力和气泡作用所伤害甚至破损死亡，为降低这种损伤，除优化生物反应器结构和生产工艺外，在细胞培养液中添加一些保护剂是其中一个重要的缓解途径，添加的保护剂主要是通过改变细胞培养基物性或是对细胞具有保护作用的物质，常用的保护剂种类有血清、白蛋白、聚已二醇（PEG）、非离子性表面活性剂PluronicF68或是其他一些高分子聚合物等。 3.8 细胞培养基的优化 当前，细胞培养基的优化主要在无血清细胞培养基、个性化细胞培养基及流加细胞培养基的开发中应用。对于流加细胞培养基的开发在后续章节进行介绍。 细胞培养基优化的传统方法主要源自Ham及其同事【6、7】的研究，即在获知各种细胞培养基成份的浓度范围后，进行多轮的筛选实验，每轮筛选一种成分，找到其最适浓度；在下一轮实验中固定筛选过的物质的最适浓度，再筛选另一种成分；如此循环直至每一种成分均获得优化。此种方法的优点是每一种培养基成分对细胞的作用均得到详细研究，容易找到其中最重要的因素；缺点是耗时耗力，成本高。因为各成分间可能存在交互协同作用，已经优化好的成分其最适浓度可能会因其它成分的浓度改变而改变，因此该方法需要多轮反复优化才能找到相对合理的配方，并且该方法无法考察成分间的交互作用，而这恰恰是培养基优化工作中最重要的一点。 在当前报道的细胞培养基优化研究中，多是针对某一种或某一类营养成分的优化，在方法上有所突破的很少。Xie等【8】提出了根据细胞特性和营养需求参数设计细胞培养基的方法，但此方法更多地运用于流加培养中补料细胞培养基的设计工作。Stoll【9】等提出了一种将氨基酸检测与浓度优化相结合的方法，系统地优化细胞培养基中的氨基酸浓度。 虽然上述方法可以对细胞培养基在一定程度上进行优化，但由于无血清细胞培养基的添加成份种类繁多及不同细胞的生长特异性，上述方法都没有从根本上解决无血清细胞培养基优化中的实验量大和成份交互作用的问题。近年来，有学者提出了一些无血清细胞培养基理性设计的优化方法，主要包括化学计量法、统计学优化法、计算机辅助实验设计的遗传算法等，结合近年来出现的基因组学、蛋白质组学及细胞代谢流分析优化法，使得细胞培养基的优化特别是无血清细胞培养基的优化取得较快进展。 诸多理性设计方法中，以统计学方法和优化实验设计方法应用得最多。常用的统计学设计方法有：析因设计、分式析因设计、正交设计、均匀设计及Plackett-Burman设计等。常用的优化实验设计方法有：响应曲面法(response surface methodology)、多元线性回归、高斯-塞德尔迭代法(Gauss-Seidel iterative method)、修正Rosenbrock法(modified rosenbrock)、Nelder-Mead单纯形法等。该类方法多是在对特定细胞有一定了解的基础上对细胞培养基成份合理分组，并选择适当的参数水平，通过软件设计实验并分析实验结果，找出正负作用因素和有交互作用的因素，再针对上述因素进行下一轮优化。这些方法优点是可以考察各细胞培养基成分的交互作用，节省人力物力和时间成本，不需要多轮筛选，较短时间内即可获得较理想的配方。但是该方法在成分分组及水平确定时仍具有一定的盲目性，如果能够结合细胞特性检测，则更为有效。如果能与高通量的细胞培养方法结合，运用统计学方法将是无血清培养基优化的一个有力工具。 运用基因组学和蛋白质组学方法筛选特定细胞生长与产物合成需要的细胞因子。基因组学技术和蛋白质组学技术是近年来用于细胞培养研究的新工具，通过其在分子水平对细胞培养过程认识的深入，可以更准确地预测和判断体外培养细胞的生长和代谢状态。另外，通过抗体芯片遴选参与细胞培养调控过程的细胞表面受体、黏附分子及信号通路相关生物分子，可以相应地确定在细胞培养基中添加配体或其他生物分子来调控细胞增殖、凋亡、分化、黏附和外源基因表达。分子生物学技术在动物细胞培养基优化设计中的应用，不仅为有针对性和预见性的无血清细胞培养基组分筛选提供了理论指导，也为其提供了高通量和精确灵敏的高效技术手段。目前，基因组学技术和蛋白质组学技术已成为国外大型细胞培养基商业开发机构和生产商进行无血清细胞培养基优化设计的主要技术手段。 由于细胞培养基组分繁多，交互影响复杂，尽管采用各种优化方法或技术，当前的无血清或者无血清无蛋白细胞培养基仍存在一个主要问题：由于特定细胞系的代谢规律及营养需求不同，以及现有科学认识的局限性，开发一种具有普遍适用各种细胞的无血清无蛋白细胞培养基较为困难。 对于细胞培养基，优化的过程中还要考虑细胞培养基生产成本问题。生物制药过程希望能在保证生物制品质量、提高生产效益的同时，降低生产成本，这是一对矛盾体。细胞培养基是生物制药过程的一种直接易耗品，其成本高低对制品有着重要的意义。抗体、重组蛋白、人用疫苗及兽用疫苗等生物制品附加值高低不同，在细胞培养基的优化设计中，需充分考虑这些生物制品的成本要求。北京清大天一科技有限公司在开发设计BHK21无血清无动物组分细胞培养基时，在关注提高BHK21细胞培养效率的同时，更关注该无血清培养基的应用对生物制品的生产成本和市场竞争力的影响。 |
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