细胞生长和维持

细胞培养是生命科学研究中的一项基础技术,用于建立相关的生物模型,或生产重组蛋白、病毒颗粒或生物疗法。细菌、酵母和哺乳动物细胞等培养细胞的生长和维护,是在生物安全柜(通常称为细胞或组织培养柜)中进行的,并采用适当的无菌操作技术,以防止微生物和化学污染。
细胞培养的类型
哺乳动物细胞培养中最突出的两种方法是原代培养和连续培养。原代培养直接来源于人类或动物组织,其在培养中的寿命受细胞衰老的限制。连续培养在培养中被视为“不朽”的,因为它们通常来源于患者的癌组织。细胞系也可通过使细胞不朽化来建立,并可进行连续传代,经历无数个细胞分裂周期,甚至无限期地传代。
精选分类

细胞既可以悬浮培养,也可以以附着在组织培养瓶或多孔板上的二维单层形式培养。培养方法取决于细胞的来源组织;源自血液的细胞通常以悬浮状态生长,而源自实体组织的细胞则通常以单层形式生长。
与在二维表面培养的细胞相比,三维细胞培养模型(类器官和球体)通常被认为更能模拟细胞在体内的环境。 球体通常由癌细胞系或肿瘤活检样本(患者来源异种移植模型,即PDX)在超低附着培养板中形成自由漂浮的细胞聚集体,而类器官通常源自组织干细胞,这些干细胞被嵌入细胞外基质(ECM)水凝胶基质中并在此分化。
细胞生长阶段
确保细胞充分生长对于从细胞培养研究中获取准确数据至关重要。细胞计数可通过血细胞计数板或自动细胞计数仪进行,后者能提供更精确的计数结果。
细胞在培养中的生长通常经历四个阶段:
- 滞后期——细胞正在适应培养条件,此时不进行分裂。
- 对数生长期——细胞处于活跃分裂状态,因此这是评估细胞群生长或收集数据的最佳阶段。对数生长期的后期是传代(亚培养)细胞的最佳时机。
- 平台期(静止期)——随着细胞汇合度接近100%,生长速度减缓;此时细胞废物积累、资源耗尽,细胞最易受到应激或损伤。
- 衰退期——随着细胞死亡占主导地位,活细胞数量逐渐减少。
细胞培养基、补充剂和试剂
培养细胞需要营养物质来维持生长。哺乳动物细胞培养基除了必须提供均衡的盐类、碳水化合物、氨基酸、维生素、脂肪酸和脂质、蛋白质和肽、微量元素以及生长因子外,还必须维持生理pH值。 胎牛血清(FBS)是哺乳动物细胞培养中最广泛使用的生长补充剂,因为它含有上述许多必需的细胞营养物质,且已被证实能支持培养中细胞和组织的生长。对于需要定义培养基或减少动物成分的应用,无异种成分培养基配方提供了成分明确的无动物来源配方。
由于培养基和补充剂通常为条件致病微生物的生长提供了丰富的营养,因此成功的细胞培养需要采用无菌操作技术并进行定期观察,以确保不存在可能导致细胞死亡或干扰类体内生长情况的污染物。对于无法通过显微镜观察到的常见微生物污染物,使用支原体检测试剂进行常规筛查可保护细胞培养和组织扩增环境。
酵母培养物,如酿酒酵母(S. cerevisiae)和帕斯托氏酵母(P. pastoris,Pichia),常用于重组蛋白表达和基因功能研究。酵母培养基配方中通常包含的关键营养成分包括蛋白胨、酵母提取物以及麦芽糖或葡萄糖。
细胞传代技巧与诀窍
细胞传代是常规细胞培养中维持细胞健康和最佳生长状态的关键步骤。本教程将详细讲解细胞传代的过程,包括细胞汇合度与细胞密度的作用。细胞传代的操作流程包括监测和计数细胞、胰蛋白酶处理或细胞解离,以及将细胞重新接种到新的培养器中。
细胞培养环境和培养器皿
培养细胞的生长和操作使用一次性无菌塑料器皿,包括组织培养瓶和多孔板、血清移液管、无菌瓶顶滤器以及无菌注射器滤器。塑料组织培养瓶和培养板通常经过处理,以形成亲水表面,从而促进贴壁细胞的附着。 作为二维表面的替代方案,基于微孔膜的培养板为复杂的细胞实验(如细胞迁移、细胞间通讯和细胞极化)提供了更接近生理条件的生长环境。
培养细胞必须在能够再现其来源生物体内相应参数的温度和气体环境中维持。含有细胞和培养基的培养器通常放置在能够精确控制温度和气体混合物的培养设备中。然而,采用微流控技术并能实现对持续培养中细胞成像的小型台式培养系统,能够为预测性体外模型提供最真实的环境。
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