细胞培养
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- 2022-05-23 14:10:39
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细胞培养（cell culture）是指在体外模拟体内环境（无菌、适宜温度、酸碱度和一定营养条件等），使之生存、生长、繁殖并维持主要结构和功能的一种方法。细胞培养也叫细胞克隆技术，在生物学中的正规名词为细胞培养技术。不论对于整个生物工程技术，还是其中之一的生物克隆技术来说，细胞培养都是一个必不可少的过程，细胞培养本身就是细胞的大规模克隆。细胞培养技术可以由一个细胞经过大量培养成为简单的单细胞或极少分化的多细胞，这是克隆技术必不可少的环节，而且细胞培养本身就是细胞的克隆。细胞培养技术是细胞生物学研究方法中重要和常用技术，通过细胞培养既可以获得大量细胞，又可以借此研究细胞的信号转导、细胞的合成代谢、细胞的生长增殖等。
细胞分类
动物细胞培养
在所有的细胞离体培养中，最困难的是动物细胞培养。下面是它所需要的特殊条件。
⑴血清：动物细胞离体培养常常需要血清。最常用的是小牛血清。血清提供生长必需因子，如激素、微量元素、矿物质和脂肪。在这里，血清等于是动物细胞离体培养的天然营养液。
⑵支持物：大多数动物细胞有贴壁生长的习惯。离体培养常用玻璃，塑料等作为支持物。
⑶气体交换：二氧化碳和氧气的比例要在细胞培养过程中不断进行调节，不断维持所需要的气体条件。
植物细胞培养
⑴光照：离体培养的植物细胞对光照条件不甚严格，因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给的。但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关，例如光周期可对性细胞分化和开花调控作用，所以以获得植株为目的的早期植物细胞培养过程中，光照条件特别重要。以植物细胞离体培养方式获得重要物质，如药物的过程，植物细胞大多是在反应器中悬浮培养。
⑵激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分裂素是最基本的激素。植物细胞的分裂，生长，分化和个体生长周期都有相应的激素参与调节。和动物细胞相比，植物细胞离体培养对激素要求的原理已经了解，其应用技术也已相当成熟，已经有一套能使用的培养液。同时解决了植物细胞对水、营养物、激素、渗透压、酸碱度、微量元素等的需求。
微生物细胞培养
微生物多为单细胞生物，野生生存条件比较简单。所以微生物人工培养的条件比动植物细胞简单得多。其中厌养微生物培养比好氧微生物复杂，因为严格厌氧需要维持二氧化碳等非氧的惰性气体浓度，而好氧微生物则只需要通过不断搅拌提供无菌氧气。微生物对培养条件要求不如动植物细胞那样苛刻，玉米浆、蛋白胨、麦芽汁、酵母膏等成为良好的微生物天然培养基。对于一些特殊微生物的营养条件要求，可以在这些天然培养基的基础上额外添加。
细胞分类
动物细胞培养
在所有的细胞离体培养中，最困难的是动物细胞培养。下面是它所需要的特殊条件。
⑴血清：动物细胞离体培养常常需要血清。最常用的是小牛血清。血清提供生长必需因子，如激素、微量元素、矿物质和脂肪。在这里，血清等于是动物细胞离体培养的天然营养液。
⑵支持物：大多数动物细胞有贴壁生长的习惯。离体培养常用玻璃，塑料等作为支持物。
⑶气体交换：二氧化碳和氧气的比例要在细胞培养过程中不断进行调节，不断维持所需要的气体条件。
植物细胞培养
⑴光照：离体培养的植物细胞对光照条件不甚严格，因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给的。但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关，例如光周期可对性细胞分化和开花调控作用，所以以获得植株为目的的早期植物细胞培养过程中，光照条件特别重要。以植物细胞离体培养方式获得重要物质，如药物的过程，植物细胞大多是在反应器中悬浮培养。
⑵激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分裂素是最基本的激素。植物细胞的分裂，生长，分化和个体生长周期都有相应的激素参与调节。和动物细胞相比，植物细胞离体培养对激素要求的原理已经了解，其应用技术也已相当成熟，已经有一套能使用的培养液。同时解决了植物细胞对水、营养物、激素、渗透压、酸碱度、微量元素等的需求。
微生物细胞培养
微生物多为单细胞生物，野生生存条件比较简单。所以微生物人工培养的条件比动植物细胞简单得多。其中厌养微生物培养比好氧微生物复杂，因为严格厌氧需要维持二氧化碳等非氧的惰性气体浓度，而好氧微生物则只需要通过不断搅拌提供无菌氧气。微生物对培养条件要求不如动植物细胞那样苛刻，玉米浆、蛋白胨、麦芽汁、酵母膏等成为良好的微生物天然培养基。对于一些特殊微生物的营养条件要求，可以在这些天然培养基的基础上额外添加。
无毒和无菌是体外培养细胞的首要条件。细胞在活体内，解毒系统和免疫系统可抵抗微生物或其他有害物质的入侵，但细胞在体外培养的过程中，缺乏机体免疫系统的保护而丧失对微生物的防御能力和对有害物质的解毒能力。为保证细胞能在体外环境中生长繁殖，必须要确保无菌工作区域、良好的个人卫生、无菌试剂和培养基以及无菌操作。
常见的微生物污染有支原体、细菌、真菌。支原体无致死毒性，可与细胞长期共存，对细胞有潜在影响，但体积小，不易鉴别，可借助于地衣红或Hoechst33342染色来进行检测。细菌增殖快，在短时间内即可大量扩增，并产生毒素杀死细胞。真菌的种类繁多，肉眼可见，漂浮于培养液面上，可呈丝状、管状或树枝状等。
2.合适的温度
一般哺乳类与禽类细胞在体外培养的适宜温度是37～38℃，不适宜的环境温度会影响细胞的生长。细胞对低温的耐受能力要强于对高温的耐受能力，在低温下，细胞的代谢活力及核分裂能力降低。若温度不低于0℃，虽然细胞代谢受到影响，但无损伤作用；25～35℃时，细胞以缓慢的速度生长；但若被置于40℃数小时，则不仅不利于细胞生存、生长，甚至可导致其死亡。
3.适宜的渗透压
高渗溶液或低渗溶液会引起细胞发生褶皱、肿胀、破裂。因此，渗透压是体外培养细胞的重要条件之一。多数体外培养的细胞对渗透压都有一定的耐受能力，实际应用中，260～320mmol/L的渗透压可适用于大多数细胞。
4．气体环境与pH
细胞的体外培养需要理想的气体环境，氧气、二氧化碳是细胞生存的必要条件。氧气参与细胞的三羧酸循环，为细胞生存、代谢与合成提供能量；二氧化碳既是细胞的代谢产物，是细胞生长的必需成分，又与维持培养液的pH有关。大多数细胞适宜的pH范围往往是7.2～7.4。在开放式培养中，以5%的二氧化碳气体比例为宜。
常见的微生物污染有支原体、细菌、真菌。支原体无致死毒性，可与细胞长期共存，对细胞有潜在影响，但体积小，不易鉴别，可借助于地衣红或Hoechst33342染色来进行检测。细菌增殖快，在短时间内即可大量扩增，并产生毒素杀死细胞。真菌的种类繁多，肉眼可见，漂浮于培养液面上，可呈丝状、管状或树枝状等。
2.合适的温度
一般哺乳类与禽类细胞在体外培养的适宜温度是37～38℃，不适宜的环境温度会影响细胞的生长。细胞对低温的耐受能力要强于对高温的耐受能力，在低温下，细胞的代谢活力及核分裂能力降低。若温度不低于0℃，虽然细胞代谢受到影响，但无损伤作用；25～35℃时，细胞以缓慢的速度生长；但若被置于40℃数小时，则不仅不利于细胞生存、生长，甚至可导致其死亡。
3.适宜的渗透压
高渗溶液或低渗溶液会引起细胞发生褶皱、肿胀、破裂。因此，渗透压是体外培养细胞的重要条件之一。多数体外培养的细胞对渗透压都有一定的耐受能力，实际应用中，260～320mmol/L的渗透压可适用于大多数细胞。
4．气体环境与pH
细胞的体外培养需要理想的气体环境，氧气、二氧化碳是细胞生存的必要条件。氧气参与细胞的三羧酸循环，为细胞生存、代谢与合成提供能量；二氧化碳既是细胞的代谢产物，是细胞生长的必需成分，又与维持培养液的pH有关。大多数细胞适宜的pH范围往往是7.2～7.4。在开放式培养中，以5%的二氧化碳气体比例为宜。
营养条件
1．培养基
细胞培养基包含细胞生长所需的各种营养物质，包括碳水化合物、氨基酸、无机盐、维生素等。针对不同细胞的营养需求，有多种合成培养基可供选择，如EBSS、Eagle、MEM、RPMll640、DMEM等。
2．其他添加成分
在各种合成培养基提供基础营养物质之外，还需根据不同细胞和不同的培养目的添加其他成分，如血清、因子等。
血清提供的是细胞外基质、生长因子和转铁蛋白等重要物质，常用的是胎牛血清。要根据不同的细胞和不同的研究目的决定添加血清的比例。10%～20%的血清能维持细胞较快的生长增殖速度，称为生长培养液；为维持细胞缓慢生长或不死，添加2%～5%的血清即可，称为维持培养液。但血清中也存在有害于细胞生长和繁殖的物质，如补体、免疫球蛋白和一些生长抑制因子；成分不明确，影响对结果的分析；不同动物、不同批次的血清活性差别较大，影响培养效果的稳定性。
谷氨酰胺是细胞生长重要的氮源，在细胞生长代谢过程中起重要作用，但由于谷氨酰胺在溶液中很不稳定容易降解，4℃下放置7天即可分解约50%，故谷氨酰胺需在使用前添加。
细胞培养基包含细胞生长所需的各种营养物质，包括碳水化合物、氨基酸、无机盐、维生素等。针对不同细胞的营养需求，有多种合成培养基可供选择，如EBSS、Eagle、MEM、RPMll640、DMEM等。
2．其他添加成分
在各种合成培养基提供基础营养物质之外，还需根据不同细胞和不同的培养目的添加其他成分，如血清、因子等。
血清提供的是细胞外基质、生长因子和转铁蛋白等重要物质，常用的是胎牛血清。要根据不同的细胞和不同的研究目的决定添加血清的比例。10%～20%的血清能维持细胞较快的生长增殖速度，称为生长培养液；为维持细胞缓慢生长或不死，添加2%～5%的血清即可，称为维持培养液。但血清中也存在有害于细胞生长和繁殖的物质，如补体、免疫球蛋白和一些生长抑制因子；成分不明确，影响对结果的分析；不同动物、不同批次的血清活性差别较大，影响培养效果的稳定性。
谷氨酰胺是细胞生长重要的氮源，在细胞生长代谢过程中起重要作用，但由于谷氨酰胺在溶液中很不稳定容易降解，4℃下放置7天即可分解约50%，故谷氨酰胺需在使用前添加。
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