细胞培养的基本原理与技术

时间:2018-03-13 08:02 点击:

现代生物技术一般认为包括基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术和发酵工程技术,而这些技术的发展几乎都与细胞培养有密切关系,特别是在医药领域的发展,细胞培养更具有特殊的作用和价值。比如基因工程药物或疫苗在研究生产过程中很多是通过细胞培养来实现的。基因工程乙肝疫苗很多是以CHO细胞作为载体;细胞工程中更是离不细胞培养,杂交瘤单克隆抗体,完全是通过细胞培养来实现的,既使是现在飞速发展的基因工程抗体也离不开细胞培养。正在倍受重视的基因治疗、体细胞治疗也要经过细胞培养过程才能实现,发酵工程和酶工程有的也与细胞培养密切相关。总之,细胞培养在整个生物技术产业的发展中起到了很关键的核心作用。

第一节 体外培养的概念

一、基本概念 体外培养(in vitro culture),就是将活体结构成分或活的个体从体内或其寄生体内取出,放在类似于体内生存环境的体外环境中,让其生长和发育的方法。

组织培养:是指从生物体内取出活的组织(多指组织块)在体外进行培养的方法。

细胞培养:是指将活细胞(尤其是分散的细胞)在体外进行培养的方法。

器官培养:是指从生物体内取出的器官(一般是胚胎器官)、器官的一部分或器官原基在体外进行培养的方法。

二、体内、外细胞的差异和分化

1、差异:细胞离体后,失去了神经体液的调节和细胞间的相互影响,生活在缺乏动态平衡相对稳定环境中,日久天长,易发生如下变化:分化现象减弱;形态功能趋于单一化或生存一定时间后衰退死亡;或发生转化获得不死性,变成可无限生长的连续细胞系或恶性细胞系。因此,培养中的细胞可视为一种在特定的条件下的细胞群体,它们既保持着与体内细胞相同的基本结构和功能,也有一些不同于体内细胞的性状。实际上从细胞一旦被置于体外培养后,这种差异就开始发生了。

2、分化:体外培养的细胞分化能力并未完全丧失,只是环境的改变,细胞分化的表现和在体内不同。细胞是否表现分化,关键在于是否存在使细胞分化的条件,如Friend细胞(小鼠红白血病细胞)在一定的因素作用下可以合成血红蛋白,血管内皮细胞在类似基膜物质底物上培养时能长成血管状结构,杂交瘤细胞能产生特异的单克隆抗体,这些均属于细胞分化行为。

第二节 细胞培养的一般过程

一、准备工作 准备工作对开展细胞培养异常重要,工作量也较大,应给予足够的重视,推备工作中某一环节的疏忽可导致实验失败或无法进行。准备工作的内容包括器皿的清洗、干燥与消毒,培养基与其他试剂的配制、分装及灭菌,无菌室或超净台的清洁与消毒,培养箱及其他仪器的检查与调试。

二、取材 在无菌环境下从机体取出某种组织细胞(视实验目的而定),经过一定的处理(如消化分散细胞、分离等)后接入培养器血中,这一过程称为取材。如是细胞株的扩大培养则无取材这一过程。机体取出的组织细胞的首次培养称为原代培养。

理论上讲各种动物和人体内的所有组织都可以用于培养,实际上幼体组织(尤其是胚胎组织)比成年个体的组织容易培养,分化程度低的组织比分化高的容易培养,肿瘤组织比正常组织容易培养。取材后应立即处理,尽快培养,因故不能马上培养时,可将组织块切成黄豆般大的小块,置4℃的培养液中保存。取组织时应严格保持无菌,同时也要避免接触其他的有害物质。取病理组织和皮肤及消化道上皮细胞时容易带菌,为减少污染可用抗菌素处理。

三、培养 将取得的组织细胞接入培养瓶或培养板中的过程称为培养。如系组织块培养,则直接将组织块接入培养器皿底部,几个小时后组织块可贴牢在底部,再加入培养基。如系细胞培养,一般应在接入培养器皿之前进行细胞计数,按要求以一定的量(以每毫升细胞数表示)接入培养器皿并直接加入培养基。细胞进入培养器皿后,立即放入培养箱中,使细胞尽早进入生长状态。

正在培养中的细胞应每隔一定时间观察一次,观察的内容包括细胞是否生长良好,形态是否正常,有无污染,培养基的PH是否太酸或太碱(由酚红指示剂指示),此外对培养温度和CO2浓度也要定时检查。

原代培养一般有一段潜伏期(数小时到数十天不等),在潜伏期细胞一般不分裂,但可贴壁和游走。过了潜伏期后细胞进入旺盛的分裂生长期。细胞长满瓶底后要进行传代培养,将一瓶中的细胞消化悬浮后分至两到三瓶继续培养。每传代一次称为“一代”。二倍体细胞一般只能传几十代,而转化细胞系或细胞株则可无限地传代下去。转化细胞可能具有恶性性质,也可能仅有不死性(Immortality)而无恶性。

四、冻存及复苏(可参阅后面有关章节)为了保存细胞,特别是不易获得的突变型细胞或细胞株,要将细胞冻存。冻存的温度一般用液氮的温度——196℃,将细胞收集至冻存管中加入含保护剂(一般为二甲亚砜或甘油)的培养基,以一定的冷却速度冻存,最终保存于液氮中。在极低的温度下,细胞保存的时间几乎是无限的。复苏一般采用快融方法,即从液氮中取出冻存管后,立即放入37℃水中,使之在一分钟内迅速融解。然后将细胞转入培养器皿中进行培养。

冻存过程中保护剂的选用、细胞密度、降温速度及复苏时温度、融化速度等都对细胞活力有影响。

五、常用仪器设备 无菌室,超净工作台,三重纯水蒸馏器,抽气泵,压力蒸气消毒器,电热恒温培养箱,培养器具,CO2培养箱,恒温水浴锅,倒置显微镜,离心机,无菌过滤器,洗刷装置,细胞计数板和电子细胞技术仪等等。

第三节 细胞培养的无菌环境

一、无菌室

无菌室的结构:一般由更衣间、缓冲间、操作间三部分组成。

无菌室的消毒和防污染:为保持无菌状态,经常消毒是必要的,通常采用每日(使用前)紫外照射(1——2小时),每周甲醛、乳酸、过氧乙酸熏蒸(2小时)和每月新洁尔灭擦拭地面和墙壁一次的方式进行消毒。实际工作中,要根据无菌室建筑材料的差异来选择合适的消毒方法。

此外,还应注意防止无菌室的污染。造成无菌室污染的可能包括:送入无菌室的风没有被过滤除菌;进出无菌室时,能使外界空气直接对流进无菌室的操作间;等。

二、超净工作台

工作原理:鼓风机驱动空气通过高效过滤器得以净化,净化的空气被徐徐吹过台面空间而将其中的尘埃、细菌甚至病毒颗粒带走,使工作区构成无菌环境。根据气流在超净工作台的流动方向不同,可将超净工作台分为侧流式、直流式和外流式三种类型。

超净台的使用与保养:超净台的平均风速保持在0.32-0.48米/秒为宜,过大、过小均不利于保持净化度;使用前最好开启超净台内紫外灯照射10——30分钟,然后让超净台预工作10——15分钟,以除去臭氧和使用工作台面空间呈净化状态;使用完毕后,要用70%酒精将台面和台内四周擦拭干净,以保证超净台无菌。还要定期用福尔马林熏蒸超净台。

第四节 常用培养器皿及清洗消毒

细胞培养需要大量消耗性物品,如玻璃器皿、金属器皿、塑料、橡胶制品、布类、纸类等,因此掌握清洗、消毒知识,学会清洗、消毒方法是从事细胞培养工作必须的。

一、清洗 离体条件下,有害物质直接同细胞接触,细胞对任何有害物质十分敏感,极少残留物都可以对细胞产生毒副作用。因此,新的或重新使用的器皿都必须认真清洗,达到不含任何残留物的要求。

(一)玻璃器皿的清洗 一般经过浸泡、刷洗、浸酸、和清洗四个步骤。

1、浸泡:新的或用过的玻璃器皿要先用清水浸泡,软化和溶解附着物。新玻璃器皿使用前得先用自来水简单刷洗,然后用5%盐酸浸泡过夜;用过的玻璃器皿往往附有大量蛋白质和油脂,干涸后不易刷洗掉,故用后应立即浸入清水中备刷洗。

2、刷洗:将浸泡后的玻璃器皿放到洗涤剂水中,用软毛刷反复刷洗。不要留死角,并防止破坏器皿表面的光洁度。将刷洗干净的玻璃器皿洗净、晾干,备浸酸。

3、浸酸:浸酸是将上述器皿浸泡到清洁液中,又称酸液,通过酸液的强氧化作用清除器皿表面的可能残留物质。浸酸不应少于六小时,一般过夜或更长。放取器皿要小心。

4、冲洗:刷洗和浸酸后的器皿都必须用水充分冲洗,浸酸后器皿是否冲洗的干净,直接影响到细胞培养的成败。手工洗涤浸酸后的器皿,每件器皿至少要反复“注水——倒空”15次以上,最后用重蒸水浸洗2——3次,晾干或烘干后包装备用。

(二)橡胶制品清洗

新的橡胶制品洗涤方法:0.5mol/L NaOH煮沸15分钟,流水冲洗,0.5mol/L HCl煮沸15分钟,流水冲洗,自来水煮沸2次,蒸馏水煮沸20分钟,50℃烤干备用。

(三)塑料制品的清洗

塑料制品特点:质软、易出现划痕;耐腐蚀能力强、但不耐热。

清洗程序:使用器皿后立即用清水清洗,浸于自来水过夜,用纱布或棉签和50℃清洗液刷洗,流水冲洗,晾干,浸于清洁液15分钟,流水冲洗(15——20遍),蒸馏水浸洗三次,双蒸水泡24小时,晾干备用。

(四)包装:对细胞培养用品进行消毒前,要进行严密包装,以便于消毒和贮存。常用的包装材料:牛皮纸、硫酸纸、棉布、铝饭盒、较大培养皿等,近几年用铝箔包装,非常方便,适用。培养皿、注射器、金属器械等用牛皮纸包装后再装入饭盒内,较大的器皿可以进行局部包扎。

二、消毒和灭菌 微生物污染是造成细胞培养失败的主要原因

(一)物理消毒法

1、紫外线消毒:紫外线是一种低能量的电磁辐射,可杀死多种微生物。革兰阴性菌最为敏感,其次是阳性菌,再次为芽孢,真菌孢子的抵抗力最强。紫外线的直接作用是通过破坏微生物的核酸及蛋白质等而使其灭活,间接作用是通过紫外线照射产生的臭氧杀死微生物。直接照射培养室消毒,用法简单,效果好。

紫外灯的消毒效果同紫外灯的辐射强度和照射剂量呈正相关,辐射强度随灯距离增加而降低,照射剂量和照射时间呈正比。因此紫外灯同被照射物的距离和照射时间要适合。离地面2米的30W灯可照射9平方米房间,每天照射2——3小时,期间可间隔30分钟。灯管离地面2米以外要延长照射时间,2.5米照射效果较差。紫外灯照射工作台的距离不应超过1.5米,照射时间30分钟为宜。

紫外灯不仅对皮肤、眼睛伤害,且对培养细胞与试剂等也产生不良影响,因此,不要开着紫外等操作。

2、高温湿热灭菌:压力蒸汽灭菌是最常用的高温湿热灭菌方法。对生物材料有良好的穿透力,能造成蛋白质变性凝固而使微生物死亡。布类、物、璃器皿、属器皿、胶和某些培养液都可以用这方法灭菌。

不同压力蒸汽所达到的温度不同,不同消毒物品所需的有效消毒压力和时间不同。从压力蒸汽消毒器中取出消毒好的物品(不包括液体),应立即放到60-70℃烤箱内烘干,再贮存备用,否则,潮湿的包装物品表面容易为微生物污染。煮沸消毒也是常用的湿热消毒方法,它具有条件简单、使用方便等特点。

3、高温干热消毒:干热灭菌主要是将电热烤箱内物品加热到160℃以上,并保持90——120分钟,杀死细菌和芽孢,达到灭菌目的。主要用于灭菌玻璃器皿(如体积较大的烧杯、培养瓶)、金属器皿以及不能与蒸汽接触的物品(如粉剂、油剂)。

干热灭菌后要关掉开关并使物品逐渐冷却后在打开,切忌立即打开,以免温度骤变而使箱内的玻璃器皿破裂。干烤箱内物品间要有空隙,物品不要靠近加热装置。

烧灼也是灭菌方法之一,常利用台面上的酒精灯的火焰对金属器皿及玻璃器皿口缘进行烧灼消毒。

4、过滤除菌:是将液体或气体用微孔薄膜过滤,使大于孔径的细菌等微生物颗粒阻留,从而达到除菌目的。在体外培养时,过滤除菌大多用于遇热容易变性而失效的试剂或培养液。目前,大多实验室采用微孔滤膜滤器除菌。关键步骤是安装滤膜及无菌过滤过程。

(二)化学消毒:新洁而灭,其0.1%水溶液可对器械、皮肤、操作表面进行擦拭和浸泡消毒。

(三)抗生素消毒:抗生素主要用于消毒培养液,是培养过程中预防微生物污染的重要手段,也是微生物污染不严重时的“急救”方法。不同抗生素杀灭微生物不同,应根据需要选择。

可用于细胞培养的消毒灭菌方法很多,但每种方法都有一定的适应范围。如常用的过滤除菌系统、紫外照射、电子杀菌灯、乳酸、甲醛熏蒸等手段消毒实验室空气;多用新洁而灭消毒实验室地面;常用干热、湿热消毒剂浸泡、紫外照射等方法消毒培养用器皿;采用高压蒸汽灭菌或过滤除菌方法消毒培养液。