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动物细胞培养的局限性：探索与思考

生命科学产业观察 · 公众号 · · 2024-11-30 20:52

正文

有观点，有态度

这是生命科学产业观察公众号的第 1199-4 期文章

来源：生物库

一、动物细胞培养的局限性概述

动物细胞培养虽在生物医学等领域有广泛应用，但也存在诸多局限性。本文将深入探讨这些局限，为改进培养技术提供参考。

（一）专业技能要求高

动物细胞培养是一种专业技术，需要无菌条件、训练有素的人员和昂贵的设备。操作人员必须具备扎实的生物学知识和熟练的实验技能，否则容易导致培养失败。例如，在细胞传代过程中，若胰蛋白酶消化时间或浓度控制不当，可能会损伤细胞，影响细胞生长。

（二）量的问题

动物细胞培养生产的单克隆抗体（MAB）和重组蛋白量较少，而下游加工提取纯产品的费用大大增加。与微生物发酵相比，动物细胞培养的产量相对较低，难以满足大规模生产的需求。

（三）去分化和选择

在培养物中细胞连续生长一段时间后，细胞特性可能会发生变化，导致去分化，与原始菌株相比产生差异化的特性。此外，细胞在培养过程中可能会发生筛选现象，失去原始细胞的一些生物学特性。

（四）细胞的起源

不同来源的细胞在培养过程中可能会表现出不同的特性和局限性。例如，新生牛血清、小牛血清和胎牛血清在成分和质量上存在差异，对细胞生长的影响也不同。而且，国内厂家对胎牛血清的定义和生产工艺与进口血清存在差异，可能会影响细胞培养的效果。

（五）不稳定性

连续细胞系中的非整倍性染色体构成导致不稳定。这种不稳定性可能会影响细胞的生长、代谢和产物表达。此外，动物细胞培养系统无法替代复杂的活动物来测试化学物质的反应或疫苗、毒素的影响。

（六）其他局限性

1.污染风险高： 支原体和病毒感染难以检测，且具有高度传染性。一旦发生污染，可能会导致整个培养过程失败。

2.培养环境要求严格： 动物细胞培养对培养环境要求苛刻，如适宜的 pH、温度、渗透压等。培养箱中 CO₂浓度不正确、碳酸氢钠浓度不合适等都可能影响细胞生长。此外，培养基中成分的稳定性也会影响细胞培养，如谷氨酰胺在溶液中不稳定，需特殊保存。

3.代谢产物的影响： 氨离子、乳酸、甲基乙二醛等代谢产物的积累会抑制细胞生长。不同细胞系对这些代谢产物的耐受性不同，需要研究代谢改变机理以设计适当的控制方案。

4.微载体的局限性： 多孔微载体虽然能替代常规载体减少细胞损伤，但对于一些细胞株，其 “移动性” 很差，需要改进培养方式以提高细胞贴壁率和移动性。

二、专业技能的挑战

（一）高要求的操作技能

动物细胞培养的操作过程极为精细，对操作者的专业技术技能提出了极高的要求。首先，在细胞培养的各个环节中，如培养液的配制、细胞的接种、传代等，都需要精确控制培养条件。例如，培养液的成分比例必须准确无误，任何微小的偏差都可能影响细胞的生长状态。同时，操作过程复杂，每一个步骤都需要严格按照规范进行，稍有不慎就容易出错。比如在细胞接种过程中，若接种密度不当，可能会导致细胞生长缓慢或过度拥挤，影响细胞的正常代谢和功能。此外，动物细胞培养对环境的无菌要求极高，操作者必须熟练掌握无菌操作技术，防止微生物污染。这包括正确使用消毒设备、穿戴无菌装备以及在操作过程中避免引入外部污染物等。

（二）细胞鉴定与调节难题

在传代培养中，对细胞进行鉴定并调节培养条件是一项极具挑战性的工作。细胞在传代过程中，其生物学特性可能会发生变化，因此需要定期进行鉴定。鉴定内容包括细胞的形态、生长速度、代谢活性等方面。然而，这些鉴定指标往往较为复杂，需要借助先进的仪器设备和专业的技术知识。例如，通过显微镜观察细胞形态时，需要操作者具备丰富的经验，才能准确判断细胞是否正常。同时，根据鉴定结果调节培养条件也是一个难题。不同的细胞在不同的生长阶段对培养条件的要求各不相同，需要操作者根据具体情况进行调整。这可能涉及到调整培养液的成分、温度、pH 值等多个因素。而且，培养条件的调整需要谨慎进行，过度调整可能会对细胞造成不可逆的损伤。此外，细胞鉴定和培养条件调节的过程需要耗费大量的时间和精力，增加了动物细胞培养的工作难度和不确定性。

三、量的问题困扰

（一）细胞产量有限

动物细胞培养的产量有限是一个显著的局限性。与微生物发酵相比，动物细胞生长相对缓慢，倍增时间较长。例如，某些细菌在适宜条件下可以在几小时内实现数量的大幅增长，而动物细胞可能需要数天甚至更长时间才能达到相似的增长幅度。在实验室环境中，由于设备和资源的限制，细胞产量往往难以满足大规模实验的需求。而在企业生产中，尽管可以采用大规模的生物反应器进行细胞培养，但动物细胞培养的产量仍然受到多种因素的制约。一方面，动物细胞对培养环境的要求极为苛刻，如适宜的温度、pH 值、渗透压和气体环境等。任何一个参数的偏差都可能影响细胞的生长和代谢，从而降低细胞产量。另一方面，动物细胞培养过程中需要消耗大量的营养物质，并且会产生代谢废物，这些因素也会限制细胞的生长和产量。据统计，在动物细胞培养生产单克隆抗体和重组蛋白等生物制品时，产量通常仅为微生物发酵的几十分之一甚至更低。

（二）培养时间与产量矛盾

细胞生长周期对产量有着重要影响，然而培养时间与产量之间的平衡却难以把握。动物细胞的生长通常经历潜伏期、指数生长期和平台期等阶段。在潜伏期，细胞适应新的环境，生长缓慢；进入指数生长期后，细胞快速增殖；而在平台期，细胞生长停止，甚至可能开始死亡。为了提高产量，需要延长细胞的指数生长期，但这也增加了细胞受到污染和发生变异的风险。同时，过长的培养时间还会导致营养物质的消耗和代谢废物的积累，进一步影响细胞的生长和产量。例如，在动物细胞培养生产单克隆抗体时，如果培养时间过长，抗体的产量可能会因为细胞的衰老和死亡而下降。此外，不同类型的细胞生长周期不同，对培养时间的要求也各不相同。这就需要根据具体的细胞类型和生产需求，精确控制培养时间，以实现产量的最大化。然而，由于动物细胞培养过程的复杂性和不确定性，找到培养时间与产量之间的最佳平衡点是一项极具挑战性的任务。

四、去分化与选择的困境

（一）去分化现象普遍

在动物细胞培养过程中，去分化现象较为普遍。细胞在体外培养环境下，逐渐失去其在体内的特定分化状态，分化特性减弱甚至丧失。例如，科学家通过诱导黑鼠体细胞去分化获得诱导性多能干细胞（iPS）的研究中，就体现了细胞去分化的过程。细胞去分化后，其功能也会发生改变。原本具有特定功能的细胞，在去分化后可能失去了这些功能，从而影响细胞在生物医学等领域的应用。比如，一些原本具有分泌特定蛋白质功能的细胞，去分化后可能不再分泌该蛋白质，这对于需要特定功能细胞的实验和治疗来说是一个重大的挑战。

（二）选择性培养难题

动物细胞培养中还存在选择性培养现象，这给实验结果带来了很大的不确定性。在培养过程中，不同的细胞对培养条件的适应能力不同，一些细胞可能更容易生长和存活，而另一些细胞则可能逐渐死亡。这样就导致了细胞群体的不均一性。例如，在进行某种药物对细胞的影响实验时，如果培养的细胞群体不均一，那么实验结果就可能无法准确反映药物对目标细胞的作用。此外，选择性培养还可能导致细胞的生物学特性发生改变，进一步影响实验的可靠性。为了解决选择性培养的难题，科学家们需要不断探索更加优化的培养条件，尽可能减少选择性培养的发生，以获得更加均一的细胞群体。

五、细胞起源的局限

（一）来源差异影响培养

不同来源的细胞在培养过程中确实表现出极大的差异，对培养条件的要求也各不相同，这无疑增加了培养的复杂性。例如，来源于不同组织的细胞，其对营养物质的需求就存在明显差异。以神经细胞和肌肉细胞为例，神经细胞对某些生长因子的需求较高，而肌肉细胞则可能更依赖于特定的氨基酸。此外，不同年龄阶段的动物细胞在培养特性上也有很大区别。幼龄动物的细胞通常比老龄动物的细胞更具活力，增殖能力更强，对培养环境的适应能力也更好。然而，获取幼龄动物细胞往往面临着伦理和资源限制等问题。不同物种的细胞同样存在差异，比如哺乳动物细胞和禽类细胞在培养温度、气体环境等方面的要求就有所不同。这种细胞来源的多样性使得培养条件的优化变得极为困难，需要针对不同的细胞来源进行大量的实验和调整。

（二）细胞特性改变风险

细胞的起源可能导致细胞在培养过程中特性发生改变，从而影响实验的稳定性。一方面，不同起源的细胞具有不同的遗传背景，这可能会影响细胞在培养过程中的稳定性和可靠性。例如，某些细胞可能携带特定的基因突变，这些突变可能在培养过程中被激活，导致细胞特性发生改变。另一方面，细胞起源还可能影响细胞对外部环境因素的响应。例如，来源于肿瘤组织的细胞可能对药物的抗性更强，而来源于正常组织的细胞则可能对药物更为敏感。这种特性的改变可能会给药物研发和疾病治疗带来很大的挑战。此外，细胞起源还可能影响细胞的分化潜能。一些细胞可能具有较高的分化潜能，在特定的培养条件下可以分化为多种不同类型的细胞，而另一些细胞则可能分化潜能较低。这种分化潜能的差异也会影响细胞在生物医学研究中的应用。

六、不稳定性因素

（一）染色体不稳定

动物细胞在培养过程中，染色体组成往往不稳定。参考搜索到的内容可知，大多数染色体变异对生物体是不利的，有的甚至导致死亡。在动物细胞培养中，染色体的不稳定性可能表现为染色体结构或数目的变异。例如，用动物细胞培养获得的细胞可用来检测有毒物质，当有毒物质加入细胞培养液后，培养的动物细胞会发生染色体结构或数目的变异。这种变异会影响细胞的功能，如细胞的生长、增殖、代谢等。同时，染色体的不稳定也会影响实验结果的准确性和可靠性。因为不同的染色体变异可能会导致细胞表现出不同的特性，从而使实验结果难以重复和验证。

（二）转化风险

细胞在培养过程中有转化风险，可能失去原有的生物学特性。细胞在体外培养条件下，可能会发生转化，获得不死性，变成可无限生长的连续细胞系或恶性细胞系。这种转化可能是由于遗传不稳定性及外部刺激物（如离子辐射或化学致突变源）的作用。转化后的细胞可能失去原有的生物学特性，如细胞的分化能力、对药物的敏感性等。例如，一些正常细胞在培养过程中可能转化为癌细胞，表现出无限增殖、失去接触抑制等特性。这种转化风险给细胞培养带来了很大的不确定性，也给生物医学研究和应用带来了挑战。因为转化后的细胞可能不再具有原有的功能，或者可能产生一些不良的影响，如肿瘤的形成等。

七、总结与展望

动物细胞培养的局限性虽然存在，但通过不断探索和创新，有望克服这些局限，推动细胞

培养技术的发展。

（一）技术创新的方向

基因编辑技术 ：如 CRISPR-Cas9 系统，可以对细胞进行精确的基因修饰，减少细胞的异质性和变异，提高细胞治疗的一致性和有效性。例如，通过基因编辑可以去除细胞中导致染色体不稳定的基因片段，从而提高细胞培养的稳定性。