细胞培养基的基本组分

细胞培养基必须含有充分的营养物质,才能满足新细胞合成、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等。此外,还可能含有血清、血清替代成分、pH指示剂等。
1.水
水是细胞的主要成份,也是细胞赖以生存的主要环境。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,水的品质将直接影响细胞培养的效果。而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,品质应符合中国药典注射用水标准或者超纯水的标准。
2.能源和碳源
能源和碳源是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,含量一般为5~25 mmol/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。葡萄糖进入细胞后参与糖酵解、核酸代谢、糖原合成、能量代谢以及一些氨基酸的合成。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。
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 是蛋白质的基本组成单位,用于合成蛋白质和多肽;
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 可转变成糖类和脂肪,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,但有些必需氨基酸是细胞不能自身合成的,必须依靠外源的细胞培养液提供。其余非必需氨基酸,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。
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,且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,细胞会生长不良,甚至死亡。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。
4.维生素
维生素是维持细胞生长的生物活性物质,在细胞代谢中起调节及控制作用。维生素可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、D、 E、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。
许多维生素参与构成各种酶的活性基团的成分,没有它们,酶便没有活性,代谢活动将无法进行。比如,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等。不同配方的细胞培养基中维生素的浓度有较大差异。例如,DMEM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。
5.无机盐
无机盐是细胞维持生命活动所不可缺少的营养成分,主要有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、PO43—、SO42—、HCO3-等,主要作用为维持细胞培养液渗透压平衡,参与细胞的代谢活动。此外,通过提供钠,K+和Ca2+,帮助细胞调节细胞膜功能。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,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,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+主要参与信号传导、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。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。
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。因此,在保证培养基中上述离子浓度满足要求以外,还需保证上述离子之间种类和比例的平衡。
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。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,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。
6.其他添加成分
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,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。
另外,酚红作为pH值的指示剂被加入到细胞培养基中。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。当用于哺乳类动物细胞的培养,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。
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,可在细胞培养液中添加一些保护剂。其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。

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