01   

无血清培养

细胞体外培养时需要在培养基中加入血清，以维持细胞的生长和存活。而血清，尤其是牛血清，成分复杂、批间差大和存在病原体污染的可能性，不确定的动物源性对细胞培养会带来显著的外源物质污染风险，因此科研人员对无血清培养基的需求日益增加，目前无血清培养基广泛应用于疫苗生产、单抗、活性蛋白等生物制品和细胞治疗等的领域中。无血清培养基中不含血清，为能够实现与含血清培养基相似的维持和促进细胞生长的功能，其中必须添加白蛋白(Albumin)、胰岛素(Insulin) 和转铁蛋白(Transferrin)等营养成分来替代血清。

02   

生长因子在无血清培养中的作用

01

促细胞贴壁

许多细胞必须添加促贴壁物质才能贴壁生长，促贴壁物质一般为细胞外基质，如纤连蛋白、层粘连蛋白、玻连蛋白和胶原蛋白等。

02

增加细胞存活率

无血清培养基中不含有血清成分，细胞在无血清培养基中生长需要的营养成分更为单一，因此细胞的存活率可能会受到影响。添加适当的生长因子可以改善无血清培养基中的营养条件，进而提高细胞的存活率。无血清培养必需补充的细胞生长的营养物质，如胰岛素、转铁蛋白和血清白蛋白等。

03

促进细胞增殖和功能维持

生长因子可以促进细胞增殖，从而提高细胞的生长速度。在无血清培养基中，添加一些能够促进细胞增殖的生长因子，如表皮生长因子（EGF）、碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）等，能够有效地促进细胞的增殖。

04

促进细胞分化

生长因子可以促进细胞分化，从而促进细胞的功能发挥。在无血清培养基中，添加一些能够促进细胞分化的生长因子，如转化生长因子β（TGF-β）、神经营养因子（NGF）等，能够有效地促进细胞的分化。

05

提高细胞表型的稳定性

无血清培养基中不含有血清成分，对于某些细胞来说，可能会导致细胞的表型不稳定。添加适当的生长因子可以提高细胞表型的稳定性，从而提高细胞的应用效果。

03   

无血清培养基中常添加的生长因子

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碱性成纤维细胞生长因子 (bFGF)

bFGF是一种肝素结合促有丝分裂蛋白，可在无血清或减血清条件下促进多种细胞的增殖。bFGF是干细胞培养中的一种关键生长因子，它不仅是重要的促有丝分裂因子，还是形态发生和分化的诱导因子。在胚胎干细胞培养中，bFGF有助于干细胞在无血清培养基中保持未分化状态。

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胰岛素（Insulin）

胰岛素可维持无血清细胞培养液中细胞的生长，调节细胞对葡萄糖、氨基酸和脂肪酸的摄取、利用和贮存，同时抑制糖原、蛋白质和脂肪的分解。胰岛素也具有对抗细胞凋亡的作用。胰岛素通常以每升1-10mg的浓度添加到细胞培养基中。

表1. 胰岛素对细胞作用的分类及特点

03

胰岛素样生长因子-1 (IGF-1)

在无血清培养基的配制中，常用IGF-I 来替代胰岛素，IGF-I 在很低的浓度即可实现促细胞生长作用，而胰岛素需要远远高于生理浓度。IGF-1通过与IGF-1受体结合，促进蛋白质合成代谢，影响糖原代谢、DNA合成和葡萄糖摄取，具有抗凋亡作用。在无血清培养基中，IGF-1有助于细胞维持较高的活率和持续增殖的能力。

04

长效IGF-I（LR3 IGF-I）

Long R3 IGF-I (LR3 IGF-I) 也可称为长效IGF-I，与胰岛素相比，LR3 IGF-I添加到无血清培养基中后不容易被降解，作用更持久，因此也叫长效IGF-1。 

LR3 IGF-I 是以IGF-I 为基础改造而来。改造后，LR3 IGF-I 仍具有高亲合力结合IGF-IR 的能力，因此保持着与IGF-I 相似的促细胞增殖活性。同时，改造后，LR3 IGF-I与IGF 结合蛋白( IGFBPs)的亲合力明显下降。所有哺乳动物细胞均会分泌IGFBPs，而IGFBP可结合并抑制IGF-I 的活性，而改造后的LR3 IGF-I 与IGFBPs 的亲合力比其原型分子IGF-I 下降1000 多倍，因此其活性可极大程度地避免被IGFBPs 所抑制，从而使LR3 IGF-I 的活性较IGF-I 大为提高。

LR3 IGF-1相比胰岛素，促细胞增殖能力更强，培养的细胞密度更高，细胞活力更好，且LR3 IGF-1比胰岛素在培养液中半衰期更长，生物活性更长效。

  表2. 人 LR3 IGF-1、IGF-1和胰岛素的区别

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表皮生长因子 (EGF)

一种重要的促有丝分裂生长因子，通过与细胞表面受体结合，促进培养细胞的长期增殖。在无血清细胞或减血清条件下培养基中，诱导多种细胞的分化。

06

肝细胞生长因子 (HGF)

HGF是成熟实质肝细胞的一种强效、间质衍生的有丝分裂原，广泛组织和细胞类型的生长因子。HGF通过MET的跨膜酪氨酸激酶受体发出信号。HGF的活性包括诱导细胞增殖、运动、形态发生、抑制细胞生长和增强神经元存活。HGF是肝脏再生过程中至关重要的有丝分裂原。HGF能够刺激原代无血清培养的肝细胞DNA的合成，对多种组织器官的生长发育具有重要的生理调节功能。

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转铁蛋白 (Transferrin)

无血清培养基为达到与含血清培养基相同或相似的细胞培养性能，其中也必须添加转铁蛋白，以实现对细胞铁离子平衡的调节，以及对细胞生长和增殖的维持。

分类：转铁蛋白以三种形态存在：脱铁（Apo）（不结合铁离子）、饱和铁(Holo）（结合两分子铁离子）和部分饱和。 

如何选择：无血清培养基中多数都添加Holo-transferrin，因为Holo-transferrin 除发挥转铁作用外，自身即可作为细胞的铁源，无需在培养基中另加外源性铁。但在某些本身含铁量高的培养基(如DMEM/F12)中，则可使用Apo-transferrin 这种不含铁的转铁蛋白。

使用浓度：细胞种类不同，对转铁蛋白的需求量也不同，下表仅供参考。具体的浓度还是要根据细胞的种类、状态和想要实现的功能来通过实验确定。

表3.转铁蛋白在无血清培养基中的使用浓度

转铁蛋白在无血清培养基中的作用：

避免细胞外环境中自由基的产生，防止细胞受到伤害

转铁蛋白可以与铁离子高亲合力结合，当被添加入无血清培养基后，在细胞外的培养环境中基本不会存在游离的铁离子，也就不会发生自由基反应，故可避免自由基对细胞的损伤。

维持细胞的生长和增殖

细胞内有很多重要的蛋白，如血红素、核糖核苷酸还原酶、DNA解旋酶、DNA聚合酶、DNA引物酶等，需要结合铁离子后才能发挥其活性，这些蛋白基本上都与DNA 的复制、修复以及DNA 的稳定性有关，也就是说它们影响着细胞的生长和增殖。转铁蛋白通过与其在细胞表面的受体结合，将铁离子转运并释放到细胞内后，这些铁离子会与需铁蛋白结合，然后发挥后者维持细胞生长和增殖的功能。如果无血清培养基中不含转铁蛋白，细胞内的需铁蛋白将无法获得铁离子，会失去活性，导致细胞生长停滞或死亡。

维持细胞内的铁平衡

在细胞培养中，并不是铁越多越好，而应当是在适当的时间获得适量的铁。如果细胞内的铁过多，也跟细胞外环境一样，铁会诱导产生破坏力极强的羟基自由基。而如果细胞内铁过少，则不足以维持细胞的生长和增殖。转铁蛋白调节细胞内的铁平衡，与细胞表面的转铁蛋白受体有关。细胞表面转铁蛋白受体的数目不是固定不变的，而是随着细胞对铁的需求程度而上调或下调，因而可自主影响细胞对铁的摄取量一般而言，静止未活化的细胞表面转铁蛋白受体相对较少，而活化增殖的细胞表面转铁蛋白受体数目显著增加。此外，在细胞培养中，转铁蛋白受体数目与培养环境中铁的含量也密切相关。培养环境中的含铁介质比较多，则细胞表面转铁蛋白受体的数目会减少，从而避免细胞摄入过量的铁。

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白蛋白（HSA）

白蛋白是许多无血清细胞培养的重要组成部分，例如杂交瘤或中国仓鼠卵巢（CHO）细胞的系统。白蛋白具有多种生理功能，包括：金属离子结合剂、自由基清除剂、渗透压和pH值的调节剂、生长因子的运载体、表面活性剂以及营养剂等。

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纤维连接蛋白（fibronectin，FN）

纤维连接蛋白添加到培养基中，替换或降低血清使用量，促进细胞贴壁、迁移、移动生长、维持细胞状态。具体作用如下：

纤维连接蛋白可以与细胞表面整合素等受体结合,促进细胞与培养皿的粘附,这是细胞成功培养的前提。特别是一些黏附力较弱的细胞,添加纤维连接蛋白可以显著提高其培养成功率。

纤维连接蛋白除了增强细胞附着外,还可以通过与细胞表面受体的相互作用,激活下游信号转导通路,促进细胞周期进程,实现细胞的增殖。

维持细胞形态。纤维连接蛋白与细胞结合后,可以影响细胞骨架的排列和细胞形态的维持。此作用对于某些依赖于reshape的细胞功能和分化很重要。

促进细胞迁移。纤维连接蛋白在体内发挥着引导细胞迁移的作用。在体外培养中可以形成化学梯度以诱导细胞的定向迁移,这对研究细胞转移机制很重要。

诱导细胞分化。不同浓度和构象的纤维连接蛋白，可以与不同类型的细胞相互作用，展示不同的生物学效应，诱导细胞向特定的方向分化。这在定向诱导多潜能细胞分化中很重要。

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