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细胞培养是细胞和分子生物学中最重要的一项技术。广泛应用于现代医学、农业科学、生物科学、材料科学和环境科学等领域,培养的细胞为上述领域提供研究的模型和实验材料。目前细胞间可以供从事蛋白质表达工作的昆虫细胞培养实验及如HEK293T细胞系,Hela细胞系,CHO细胞系等常用细胞系的培养、传代及其他分子实验的操作条件。
1、搅拌式动物细胞培养罐 搅拌式培养罐靠搅拌桨提供液相搅拌的动力,它有较大的操作范围、良好的混合性和浓度均匀性,因此在生物反应中被广泛使用。但由于动物细胞没有细胞壁的保护,因此对剪切作用十分敏感,直接的机械搅拌很容易对其造成损害,传统的用于微生物的搅拌培养罐用作动物细胞的培养显然是不合适的。所以,动物细胞培养中的搅拌式培养罐都是经过改进的,包括改进供氧方式、搅拌桨的形式及在培养罐内加装辅件等。 (1)供氧方式的改进 一般情况下搅拌式培养罐还常伴有鼓泡,为细胞生长提供所需氧分。由于动物细胞对鼓泡的剪胞生长提供所需氧分。由于动物细胞对鼓泡的剪切也很敏感,所以人们在供氧方式的改进上做了许多工作。笼式供氧是搅拌式动物细胞培养罐供氧方式的一种,即气泡用丝网隔开,不与细胞直接接触。培养罐既能保证混合效果又有尽可能小的剪切力,以满足细胞生长的要求。北野昭一报道了一个经过改进的搅拌式动物细胞培养罐,整体呈梨形,搅拌置于培养罐底部,在搅拌轴外装了一个锥形不锈钢丝网与搅拌轴一起转动。轴心处的鼓泡管在丝网内侧鼓泡,丝网外侧的细胞不与气泡直接接触。 (2)搅拌桨的改进 搅拌桨的形式对细胞生长的影响非常大,这方面的改进主要考虑如何减小细胞所受的剪切力。有人对搅拌桨的形式作了改进,并在反应器内加装了辅件,实验证明改进后的反应器适用于对剪切力敏感的细胞进行高密度培养。反应器采用了一个双螺旋带状搅拌桨,顶部的法兰盖上安装了3块表面挡板。每块挡板相对于径向的夹角为30°,垂直插入液面。挡板的存在减小了液面上的旋涡。这个反应器维持了较小的剪切力,实验中用于昆虫细胞的培养,最终的培养密度达到6×106个/mL,成活率在98%以上。 2、非搅拌式动物细胞培养罐 搅拌式细胞培养罐用于动物细胞培养存在的最大缺点是剪切力大,容易损伤细胞,虽然经过各种改进,这个问题仍很难避免。相比之下,非搅拌式培养罐产生的剪切力较小,在动物细胞培养中表现出了较强的优势。 (1)填充床反应器填充是在反应器中填充一定材质的填充物,供细胞贴壁生长。营养液通过循环灌流的方式提供,并可在循环过程中不断补充。细胞生长所需的氧分也可以在反应器外通过循环的营养液携带,因而不会有气泡伤及细胞。这类反应器剪切力小,适合细胞高密度生长。 (2)中空纤维反应器中空纤维培养罐由于剪切力小而广泛用于动物细胞的培养。这类培养罐由中空纤维管组成,每根中空纤维管的内径约为200μm,壁厚为50~70μm。管壁是多孔膜,O2和CO2等小分子可以自由透过膜扩散,动物细胞贴附在中空纤维管外壁生长,可以很方便地获取氧分。 (3)气升式细胞培养罐气升式生物反应器(airliftbioreactor)也是实现动物细胞高密度培养的常用设备之一,其特点是结构简单,操作方便。有人在气升式反应器中利用微载体培养技术,研究了Vero细胞高密度培养的工艺条件。证明气升式反应器中悬浮微载体培养Vero细胞,在加入适量保护剂、营养供应充足的情况下,细胞可以正常生长至长满微载体表面,终密度可达1.13×106个/mL。
市场上供应的大多数培养液的配方非常接近,这使得细胞很容易适应新的培养液。这里我将详细介绍一个方法,这个方法是保守的,在大多数情况下可以进行删减一些步骤。最简单最节省时间的情况是把细胞直接分装到新的培养液中,观察几代以保证细胞的生长参数是可以接受的。这个方法适于悬浮细胞,不过也很容易扩展到贴壁细胞。细胞的生长参数1. 翻倍时间( Doubling Time )细胞的翻倍时间在评价昆虫细胞健康程度的参数中是最容易测量的。翻倍时间应该在细胞处于对数期复制时测量,对于 Sf9 和 Sf21 细胞来说通常是介于 16-24 小时之间,不过大多数在 20-22 小时。dt=t × ln2/ln(Ct/Co) ,其中 dt 为翻倍时间, Co 为起始细胞数目, Ct 为经过时间 t 后的细胞数目, t 为 Co 和Ct 两次计数之间的间隔时间,所有的时间都以小时为单位。2. 细胞大小( Cell Size )细胞的大小是监测细胞健康程度的一个非常有用的参数。如果细胞是健康的,细胞的大小均一,都处于该细胞株体积正常变化范围的下限。细胞的大小在不同的细胞株变化是很大的。对于我用过的 Sf9 和 Sf21 ,典型的直径是 16-18 m m ,不过我知道有些细胞株小至 14 m m 或者大至 19 m m 仍然很健康。3. 滞后期( Duration of Lag )当细胞的密度较低时,会有一个滞后期,其长短取决于分装或者传代后细胞的密度。一般说来,该密度越低,滞后期越长。对于一个特定的细胞株来说,当这个密度高出一个阈值时,滞后期的长短与密度无关;而低于一个阈值时,滞后期无限长,细胞不再增殖。4. 低密度分装极限( Low Density Split Tolerance )能够在一个较短的滞后期(小于 12 小时)复苏的细胞形状较好。不过这是细胞株的特性,需要进行实验来确定你的细胞株的密度极限。我的细胞株有些在分装成密度为 5 × 104 细胞 /ml 时仍然可以很好复苏,有些细胞株分装成 5 × 105 细胞 /ml 就不能复苏了。5. 高密度极限( High Density Maximum )这是你的细胞能生长的最大密度,高于这个密度你的细胞将进入平台期。这个指标既和细胞株有关,又和使用的培养液有关。我建议先把你的细胞株培养至平台期,然后把一些分装到新鲜的培养液中以后,使剩下的继续生长至平台期,同时密切监测细胞状况。一般来说,细胞的培养要避免密度超过高密度极限的 80% 。对于我培养的细胞,这个极限值从 2 × 106 至 12 × 106 细胞 /ml 不等。实验步骤第一阶段:1. 准备合适体积的由 25% 体积新培养液和 75% 旧培养液(即细胞原先适应的培养液)组成的混合培养液 I。2. 将细胞以通常分装时使用的最低分装密度的两倍分装到混合培养液 I 中。3. 使细胞生长到通常培养时的较高密度,监测细胞生长参数。4. 继续以步骤 2 中的密度分装细胞到新鲜的混合培养液 I 中,直到生长参数达到可以接受的水平。有时候分装一次就可达到要求。5. 一旦细胞稳定下来,以通常使用的最低分装密度分装细胞至新鲜的混合培养液 I 中,同样监测细胞参数。6. 细胞达到较高密度后,继续以步骤 5 中的分装密度把细胞分装到新鲜的混合培养液 I 中,直到细胞的生长参数达到可以接受的水平。7. 如果细胞恢复到正常状态,进行第二阶段的实验。8. 如果细胞不能达到正常状态,新培养液可能不适于培养这种细胞。9. 如果细胞在新培养液中的生长参数达到平衡状态,虽然与正常状态不同,但是可以为实验接受,也可进行第二阶段的实验。第二阶段:1. 准备适量的由 50% 新培养液和 50% 旧培养液组成的混合培养液 II 。2. 将细胞以两倍最低分装密度分装至混合培养液 II 中。3. 如第一阶段一样,监测细胞生长指数,使细胞达到稳定状态。然后将分装密度降到最低分装密度,再使细胞达到稳定状态。第三阶段:步骤同第一阶段和第二阶段,使细胞适应混合培养液 III ( 75% 新培养液和 25% 旧培养液)。第四阶段:1. 步骤同第一阶段、第二阶段和第三阶段,使细胞适应新培养液。2 . 当细胞在新培养液中达到稳定后,监测细胞的生长指数,看是否波动过大。