动物细胞培养及应用

日期: 2017-03-15编辑作者:admin
动物细胞培养是指离散的动物活细胞在体外人工条件下的生长、增殖过程(在此过程中,细胞不再形成组织)。由于动物细胞培养是在人工条件下进行的,便于调控和观察,因而成为现今研究动物的物质代谢过程、染色体的形态变化、以及遗传物质的表达调控等高难领域的既便利而又有效的新方法。同时,随着现代生物化学、分子生物学、分子遗传学、以及现代医学的发展,细胞培养也在许多应用领域充分展示了其巨大的发展潜力,并已为世人所关注。尽管如此,动物细胞培养仍是一门年轻的新学科,在发展之初就被混淆于动物组织培养之中。
      组织培养技术创建于18世纪末,之后美国生物学家Harrison于1907年在无菌条件下以淋巴液为培养基在试管中成功培养蛙胚神经组织后,才逐渐发展形成一种新的组织培养技术—动物细胞培养技术。该技术是把从体内组织提取的细胞,在无菌、适当温度及酸碱度和一定营养条件下的模拟体内生存环境中,使其生长繁殖并维持其结构和功能。该实验技术为细胞学、遗传学、病毒学、免疫学的研究和应用做出了重要贡献。特别是随着近年来现代生物科学领域的迅速拓展,各种分子生物学实验诸如核移植、细胞杂交、DNA介导的基因转移等,都是借助细胞培养技术而得以实现的。
      近30年来,由于大规模细胞培养技术的研究和开发,以及一些有分泌能力的细胞所表现出的独有的优越性,使动物细胞培养在生化药品、遗传病治疗、以及癌症的研究和治疗上倍受人们的重视,并已开始走上产业化的道路。
1 动物细胞的培养方法
1.1 贴壁培养法
      贴壁培养(attachment culture)是指细胞贴附在一定的固相表面进行的培养。需要附着于带适量电荷的固体或半固体表面才能生长,大多数动物细胞,包括非淋巴组织细胞和许多异倍体细胞均属于这一类。其基本操作过程是:先将采集到的活体动物组织在无菌条件下采用物理(机械分散法)或化学(酶消化法)的方法分散成细胞悬液,经过滤、离心、纯化、漂洗后接种到加有适宜培养液的培养皿(瓶、板)中,再放入二氧化碳培养箱进行培养。用此法培养的细胞生长良好且易于观察,适于实验室研究。但贴壁生长的细胞有接触抑制的特性,一旦细胞形成单层,生长就会受到抑制,细胞产量有限。如要继续培养,还需将已形成单层的细胞再分散,稀释后重新接种,然后进行传代培养。
贴壁培养的优点:①细胞紧密黏附于固相表面,可直接倾去旧培养液,清洗后直接加入新培养液,容易更换培养液。②因细胞固着于载体表面,不需过滤系统,容易采用灌注方式培养,从而达到提高细胞密度的目的;③当细胞贴壁于生长基质时,细胞将更有效的表达一种产品;④同一设备可培养多种细胞,并根据需要采用不同的培养液和细胞的比例。
      贴壁培养的缺点:①细胞增殖贴壁后不易消化下来,培养的扩大比较困难;②培养设施占地面积大,设备投资大;③采用细胞反应器培养,细胞无法进行显微镜观察,不能有效监测细胞的生长状态;④在测定和控制细胞所处环境的完全均匀化方面比较困难。
1.2 悬浮培养法
      悬浮培养(suspension culture)是指细胞在反应器中自由悬浮生长的过程,通过振荡或转动装置使细胞始终处于分散悬浮于培养液内的培养方法。其是在微生物发酵的基础上发展起来的,主要用于非贴壁依赖型细胞培养,如BHK- 21、杂交瘤细胞等。该法将采集到的活体动物组织分散、过滤、离心、纯化、漂洗后接种到适宜的培养液中,并置于特定条件下进行自由悬浮培养。无血清悬浮培养是用已知人源或动物来源的蛋白或激素代替动物血清的一种细胞培养方式,它能减少后期纯化工作,提高产品质量,正逐渐成为动物细胞大规模培养研究的新方向。
      悬浮培养的优点:①操作简单、培养条件均一、便于进行定量研究;②传质和传氧比较好,有利于细胞与培养基中的营养物质和气体充分接触,而且易于控制培养条件(温度、pH、氧分压和CO2等);③它们在离体培养时不需要附着物,只需悬浮于培养液中就可以良好生长;④悬浮培养法细胞增殖快,产量高,设备结构简单;⑤细胞传代时不需要再分散,只需按比例稀释即可继续培养。可借鉴细菌发酵的经验,容易扩大培养规模,可连续扩大生产量;⑥易于在连续密闭的系统中进行,减少了操作步骤和污染的机会。
悬浮培养的缺点:①细胞密度较低,较难采用灌流培养;② 转化细胞悬浮培养有潜在致癌的危险,培养病毒易失去病毒标记而降低免疫能力。③适于悬浮培养的动物细胞种类很少,大多数动物细胞属于贴壁依赖性的,因此不能悬浮培养。
1.3 固定化培养
      固定化培养(immobilization culture)是将动物细胞与水不溶性载体结合起来,再进行培养的一种方法。具有细胞生长密度高,抗剪切力和抗污染能力强等优点,细胞易于产物分开,有利于产物分离纯化。培养方法很多,包括吸附法、包埋法、共价贴附法、微囊法、离子/ 共价交联法等。
1.3.1 吸附法
      用固体吸附剂将细胞吸附在其表面而使细胞固定化的方法称为吸附法(adhesion)。操作简便、条件温和、是动物细胞固定化中最早研究使用的方法。缺点是:载体的负荷能力低,细胞易脱落。微载体培养和中空纤维培养是该方法的代表。 
1.3.2 共价贴附法
      利用共价键将动物细胞与固相载体结合的固定化方法称为共价贴附法(attachment by covalent bonding)。此法可减少细胞的泄漏,但须引入化学试剂,对细胞活性有影响,且因贴附而导致扩散限制小,细胞得不到保护。 
1.3.3 离子/共价交联法
      双功能试剂处理细胞悬浮液,会在细胞间形成桥而絮结产生交联作用,此固定化细胞方法称为离子/共价交联法(cross-linking by covalent bonding)。交联试剂会使一些细胞死亡,也会产生扩散限制。 
1.3.4 包埋法
      将细胞包埋在多孔载体内部制成固定化细胞的方法称为包埋法(entrapment).优点是:步骤简便、条件温和、负荷量大、细胞泄漏少、抗机械剪切。缺点是:扩散限制,并非所有细胞都处于最佳基质浓度,且大分子基质不能渗透到高聚物网络内部。一般适用于非贴壁依赖型细胞的固定化,常用载体为多孔凝胶,如琼脂糖凝胶、海藻酸钙凝胶和血纤维蛋白。 
1.3.5 微囊法(microencapsulation)
      是用一层亲水的半透膜将细胞包围在珠状的微囊里,细胞不能逸出,但小分子物质及营养物质可自由出入半透膜;囊内是一种微小培养环境,与液体培养相似,能保护细胞少受损伤,故细胞生长好、密度高。
2 应用
2.1 在生物学基础研究中的应用
      离体培养的动物细胞具有培养条件可人为控制且便于观察检测的特点,因而可广泛应用于生物学领域的基础研究中。在细胞生物学上,动物细胞培养可用于研究动物的正常或病理细胞的形态,生长发育,细胞营养,代谢以及病变等微观过程。如神经细胞的增殖,突起生长、相互识别、刺激传递等机理就是通过进行各种神经细胞的培养才弄清楚的;在遗传学研究中,除可用培养的动物细胞进行染色体分析外,还可结合细胞融合技术建立细胞遗传学,进行遗传分析和杂交育种;在胚胎工程中,通过体外培养卵母细胞、体外受精、胚胎分割和移植等技术的综合应用,动物细胞离体培养已发展成了一种较成熟的技术而应用于家畜的繁殖生产中。另外,分离和培养具有多潜能性的胚胎干细胞,还可用于动物克隆、细胞诱导分化和动物育种的研究,并可作为基因转移的高效表达载体;在病毒学研究中,用培养的动物细胞代替试验动物做斑点分析,不仅方法简便、准确、而且重复性好。
2.2 在临床医学上的应用
      首先,动物细胞培养技术可用于遗传疾病和先天畸型的产前诊断。目前,人们已经能够用羊膜穿刺技术获得脱落于羊水中的胎儿细胞,经培养后进行染色体分析或甲胎蛋白检测即可诊断出胎儿是否患有遗传性疾病或先天畸型。以此可避免先天残疾儿的诞生。现在用这种方法已能检测出几十种代谢性遗传缺陷疾病和先天畸型疾病。
      其次,现在的一些科学研究已能通过染色体对比分析检测出易患癌症的病人,以便进行及早的预防和治疗。在这方面,我国的科研工作者有着较为突出的研究成果,他们改进了淋巴细胞的培养方法,从而使带有癌基因的人的染色体表现出明显高于常人的畸变率,这就从细胞分子水平揭示了癌症的病理、病因,并为癌症的早期诊断和预防提供了科学依据。
      再次,细胞培养还可用于临床治疗。目前已有将正常骨髓细胞经大量培养后植入患造血障碍症患者体内进行治疗的报道。另外,动物细胞培养生产的生物大分子制品也可用于治疗某些代谢缺陷疾病,如利用动物细胞培养生产的重组人促红细胞生成素(rHuEPO)在临床上可用于治疗肾衰性贫血、癌症患者化疗后贫血,以及择期手术者的自身输血血液储备都有极显著的效果。
2.3 在动物育种上的应用
      目前,由于细胞培养技术、细胞融合技术、细胞杂交技术以及转基因技术的创建与相互结合,使得人们能够在细胞水平操作并改变动物的基因,进行遗传物质的重组。这样就可以按照人类的需要大幅度地改变生物的遗传组成,从而使新品种的培育在实验室中即可完成,可大大缩短育种进程,且使育种工作更加经济有效。胚胎干细胞的研究成果和克隆羊多莉的问世可以说已为动物遗传育种开辟了一条新途径。
2.4 可用于生产大分子生物制品
      利用动物细胞大规模培养技术生产大分子生物制品始于上世纪60年代,当时是为了满足生产FMD疫苗的需要。后来随着大规模培养技术的逐渐成熟和转基因技术的发展与应用,人们发现利用动物细胞大规模培养技术来生产大分子药用蛋白比原核细胞表达系统更有优越性。因为,重组技术修饰过的动物细胞能够正常地加工、折叠、糖基化、转运、组装和分泌由插入的外源基因所编码的蛋白质,而细菌系统的表达产物则常以没有活性的包涵体形式存在。随着大量永久性细胞株的创建,在商业利益的驱动下,动物细胞大规模培养技术也迅速发展起来,并被付之于应用。如,用Vero细胞高密度培养工业化生产疫苗,以及hGH、UK、t-PA等蛋白药物;用昆虫细胞-杆状病毒表达系统生产安全可靠的生物杀虫剂;用鸡胚细胞生产鸡法氏囊、新城疫、马立克等多种疫苗;用转基因技术克隆hEPO基因,并在GHO-DHFR细胞中表达,生产重组人促红细胞生成素(rhPO)等。   
      目前,用动物细胞可生产的生物制品有各类疫苗、干扰素、激素、酶、生长因子、病毒杀虫剂、单克隆抗体等,其销售收入已占到世界生物技术产品的一半以上。如单抗,在美国1992年的年销售额就达6亿美元,预计1998年将达到40亿美元。我们相信,随着动物细胞培养技术的发展,以后还会有更多的生物制品被开发,并用于造福人类。
3 存在问题与展望
      体外动物细胞培养中铵离子、乳酸和CO2的积累对细胞产生毒性作用或者改变细胞代谢水平,抑制细胞生长,需要及时改善培养环境。细胞凋亡是大规模细胞培养过程的重要制约环节,用基因工程方法将bcl-2基因这种细胞凋亡抑制基因导入细胞,成为众多研究者的选择。 Bcl-2基因的过量表达能抑制Gln或氧缺乏引起的细胞凋亡,减少细胞特定营养成分的消耗,提高细胞密度和目的蛋白产量。培养基中所添加的血清主要来源于动物或人,但存在潜在的污染源、不同批间蛋白含量差异大及价格高等缺点。有些细胞株依赖于血清源性生长因子的特性可通过分子遗传途径予以改变,即导入特异生长因子的基因,使细胞能合成自身的生长因子来满足细胞生长需要,而对细胞生长无副作用。另外,导入一些基因改变细胞生长周期的调控也可使细胞在无血清/蛋白的培养基中生长。只要在培养基中增加某些适于细胞生长的成分,如纤连蛋白、转铁蛋白、胰岛素和表皮生长因子等,不少细胞即能在无血清供应的情况下生长。通过细胞工程方法使细胞高水平表达外源基因并正确加工表达产物,从而提高整个表达系统的产率,也成为应用大规模动物细胞培养生产外源目的蛋白的研究的重要手段。改善细胞环境是当前众多生物反应器及控制器研究者的不懈努力方向。随着对细胞生长和产物生成之间相关性研究的深入,对生物反应器更多培养状态参数的在线检测以及各种新细胞生物反应器系统的开发利用,新的培养/控制模式将会在现有基础上不断产生。
      经过几十年来的研究与实践应用,动物细胞培养技术已日趋完善,发展方向将集中在改进细胞特性,优化细胞环境,扩大生产规模和提高目的产物的产率与产量等几方面:①开发能高密度生长、能分泌大量目标产品的细胞系;②研制细胞生长性能优良、吸附细胞容易、解离细胞容易并能重复使用的新型微载体;③研制规模化生物反应器,实时检测系统,剪切力小、混台性能好的新型细胞培养系统和细胞培养与产物分离的耦合系统;④设计新的适合于各个体细胞株(系)的无血清、无蛋白培养基,使生物制品更安全;⑤开展三维细胞培养及组织工程研究。

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