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哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)可根據(jù)幾種不同的特征進(jìn)行細(xì)分。的特征是細(xì)胞的形態(tài)。根據(jù)顯微鏡下觀察到的外觀，我們可以區(qū)分成纖維細(xì)胞或成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞、上皮樣細(xì)胞和淋巴母細(xì)胞樣細(xì)胞。

成纖維細(xì)胞或成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞為雙極或多極細(xì)胞，呈細(xì)長(zhǎng)形（圖1）。它們生長(zhǎng)附著在細(xì)胞基質(zhì)上，并經(jīng)常對(duì)齊成平行排列。在活生物體中，成纖維細(xì)胞分泌細(xì)胞外基質(zhì)，并且是結(jié)締組織的一部分。此外，神經(jīng)元細(xì)胞由于其多極形狀而可以排列在成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞中。

上皮樣細(xì)胞呈多邊形，一般尺寸較為規(guī)則，貼附在基質(zhì)上呈散斑片狀生長(zhǎng)（圖1）。上皮樣細(xì)胞的細(xì)胞膜在不同子區(qū)域間表現(xiàn)為不同的結(jié)構(gòu)與功能，頂膜面對(duì)培養(yǎng)基，而基底外側(cè)膜在單個(gè)細(xì)胞和培養(yǎng)容器之間擴(kuò)散。兩個(gè)膜結(jié)構(gòu)域均通過(guò)緊密連接而分開。在體內(nèi)，上皮細(xì)胞排列在身體結(jié)構(gòu)上。

淋巴母細(xì)胞樣細(xì)胞呈球形，通常在懸浮液中生長(zhǎng)（圖1）。與成纖維細(xì)胞或上皮樣細(xì)胞不同，淋巴母細(xì)胞樣細(xì)胞不附著在表面上。血細(xì)胞就是非常典型的淋巴母細(xì)胞樣細(xì)胞。

哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)的另一個(gè)區(qū)別是使用的細(xì)胞類型。根據(jù)其起源，細(xì)胞可細(xì)分為永生化細(xì)胞系、原代細(xì)胞和干細(xì)胞（包括患者特異性細(xì)胞）。

使用中見的細(xì)胞類型可以追溯到永生化細(xì)胞，這些細(xì)胞要么來(lái)源于癌組織，要么轉(zhuǎn)染了癌基因。由于它們的惡性本質(zhì)，它們將無(wú)限分裂。這一事實(shí)使得它們作為細(xì)胞系非常易于培養(yǎng)。具有穩(wěn)健性，并且可以負(fù)擔(dān)。

另一方面，人們應(yīng)該考慮到它們突變的遺傳背景，很難再接近自然。一個(gè)突出的例子是來(lái)源于宮頸癌的HeLa細(xì)胞系。與正常人細(xì)胞的46條染色體相比，其細(xì)胞核約有80條染色體。其他常用的永生化細(xì)胞系有HEK、A549、Jurkat、MDCK、COS或Vero細(xì)胞。

原代細(xì)胞直接取自活組織。培養(yǎng)時(shí)，將原始組織片段通過(guò)酶解、化學(xué)或機(jī)械解離成單細(xì)胞，可接種于培養(yǎng)瓶中。原代細(xì)胞比永生化細(xì)胞系更難培養(yǎng)。原代細(xì)胞的存活率很低，很多沒有分裂。而且，它們的遺傳操作可能具有挑戰(zhàn)性。然而，因?yàn)樗鼈兊奶卣鞲咏匀患?xì)胞，所以遺傳操作是有意義的。換句話說(shuō)，用原代細(xì)胞獲得的科學(xué)結(jié)果可以更有把握地轉(zhuǎn)化為體內(nèi)世界。

干細(xì)胞是人體的始祖細(xì)胞。它們可以從非特化細(xì)胞分化為具有專用特性和功能的特化組織細(xì)胞。因此，它們被分為幾類。多潛能干細(xì)胞是的，能夠分化成任何一種身體細(xì)胞。與多潛能干細(xì)胞相比，多能干細(xì)胞表現(xiàn)出有點(diǎn)有限的分化范圍。雙能干細(xì)胞只能發(fā)育成兩種不同的細(xì)胞類型。干細(xì)胞除了分化成特化的細(xì)胞類型外，還可以分裂，即可以自我更新。

干細(xì)胞的來(lái)源各不相同。通常它們是從胚胎中獲取，稱為胚胎干細(xì)胞。其他可以從某些組織中提取，例如骨髓中含有造血干細(xì)胞。這些類型的細(xì)胞稱為“組織特異性”或“成體”干細(xì)胞。由于倫理問題，從活體動(dòng)物或人類中獲得干細(xì)胞很難證明其合理性。因此，人們對(duì)誘導(dǎo)已經(jīng)分化的機(jī)體細(xì)胞轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞的機(jī)上產(chǎn)生了很多興趣。體細(xì)胞只能通過(guò)轉(zhuǎn)染4個(gè)基因(c-Myc、klf-4、oct-4、sox-2)進(jìn)行重編程，得到所謂的 誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSC)。

雖然與干細(xì)胞合作具有挑戰(zhàn)性，但它們給了研究人員的靈活性。像某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生長(zhǎng)因子一樣，根據(jù)細(xì)胞培養(yǎng)基中包含的成分，干細(xì)胞可以被觸發(fā)，發(fā)育成一種截然不同的細(xì)胞類型，例如神經(jīng)元。

因?yàn)檠芯咳藛T能夠獲得疾病特異性甚至患者特異性細(xì)胞來(lái)尋找方法，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞具有非常重要的意義，尤其是在臨床環(huán)境中。這種個(gè)性化醫(yī)療有望提供非常有效的療法。

上述所有不同的細(xì)胞類型可以以不同的方式生長(zhǎng)。例如，細(xì)胞培養(yǎng)物可由單個(gè)細(xì)胞類型或各種細(xì)胞類型組成。而且，細(xì)胞可以以2D或3D方向組織。

培養(yǎng)細(xì)胞的方法是在普通培養(yǎng)皿中，細(xì)胞在單層細(xì)胞的底部生長(zhǎng)（圖4）。這樣的單一培養(yǎng)單一細(xì)胞類型操作簡(jiǎn)單。因此，HeLa、MDCK、HEK等細(xì)胞在經(jīng)典容器中培養(yǎng)，幾乎可以在每個(gè)細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中找到它們。另一方面，2D單培養(yǎng)也是人工的維持細(xì)胞方式。有兩個(gè)主要論點(diǎn)支持這一結(jié)論：1）在活生物體中，細(xì)胞在三維中生長(zhǎng)。2）它們的生長(zhǎng)與其他細(xì)胞類型相關(guān)。

更接近自然的一步將是在二維上共培養(yǎng)幾種細(xì)胞類型。共培養(yǎng)細(xì)胞系的示例為神經(jīng)元原代培養(yǎng)物，即神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元一起生長(zhǎng)（圖4）。

細(xì)胞生物學(xué)家要應(yīng)用某些技巧來(lái)進(jìn)入3D世界。其中之一是移除細(xì)胞，使之不粘附在底物上。這可以通過(guò)使用具有特殊涂層的細(xì)胞培養(yǎng)容器，或使用基質(zhì)膠（例如Matrigel™），或通過(guò)在“懸滴”中培養(yǎng)細(xì)胞來(lái)實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)而言之，如果細(xì)胞不能粘在培養(yǎng)器皿上，它們就會(huì)相互粘在一起。因此，幾千個(gè)單細(xì)胞可以粘附形成直徑為200-1000µm的球體。這類物體組織更為寫實(shí)，包括自然組織中常見的代謝和增殖梯度（圖4）。由于這種組織，球體常用于發(fā)現(xiàn)藥物，因?yàn)樗鼈兙_地模擬了無(wú)血管腫瘤。

另一種在3D環(huán)境中培養(yǎng)細(xì)胞的更現(xiàn)實(shí)的方法是使用支架。由金屬、聚合物或陶瓷制成的基質(zhì)可用于幫助細(xì)胞蠕變成三維形式。這些支架可用作臨床植入物或用于實(shí)驗(yàn)室。

在器官芯片中實(shí)現(xiàn)了一種類似的原理，器官芯片由定植于各種細(xì)胞類型的微流控裝置組成。微流控裝置可以有多個(gè)腔室，可以連續(xù)灌注。通過(guò)這種排列，研究人員可以在組織和器官水平上模擬生理情況。額外使用膜和可伸展材料可導(dǎo)致產(chǎn)生與自然具有驚人相似性的人工結(jié)構(gòu)，例如模擬呼吸或轉(zhuǎn)移等動(dòng)態(tài)過(guò)程。

另一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的細(xì)胞培養(yǎng)組織是基于干細(xì)胞，在細(xì)胞外基質(zhì)凝膠內(nèi)存在不同生長(zhǎng)因子的情況下進(jìn)行培養(yǎng)。根據(jù)生長(zhǎng)因子的類型（如成纖維母細(xì)胞生長(zhǎng)因子、表皮生長(zhǎng)因子等）和其他成分干細(xì)胞發(fā)育成類器官的迷你器官（圖4）。它們與“成熟”的對(duì)應(yīng)物非常相似，表現(xiàn)出器官型發(fā)育和器官特異性功能。因此腦、胃、肝、腸等類器官可用于研究疾病和器官發(fā)育或發(fā)明藥物和毒理學(xué)研究。

哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)物必須維持在37 ℃的溫度下。它們通常在特殊一次性塑料容器中培養(yǎng)，容器形狀和大小各異（圖5）。其中最小的是96孔板，通常用于篩選。還有開發(fā)用于大規(guī)模生產(chǎn)疫苗或蛋白質(zhì)的細(xì)胞工廠（圖6）。使用細(xì)胞培養(yǎng)物意味著在無(wú)菌條件下進(jìn)行操作，例如在潔凈工作臺(tái)上使用抗生素。此外，必須為其提供含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生長(zhǎng)因子的適當(dāng)培養(yǎng)基。其中包括：

由于其不穩(wěn)定性，氨基酸通常以穩(wěn)定形式加入。蛋白質(zhì)、脂質(zhì)或生長(zhǎng)因子通常以胎牛血清的形式進(jìn)行補(bǔ)充。

細(xì)胞的代謝產(chǎn)物使培養(yǎng)基酸化。因此，使用緩沖系統(tǒng)維持平衡pH值（約7.4）。通常通過(guò)指示劑酚紅監(jiān)測(cè)pH值。一般使用碳酸氫鹽(HCO3-)緩沖液。它們結(jié)合質(zhì)子（H+離子）的能力取決于周圍的CO2水平。為此，細(xì)胞培養(yǎng)培養(yǎng)箱通常提供CO2。HEPES緩沖液不依賴于CO2，通常用于不適用CO2孵育活的細(xì)胞顯微鏡檢查。

說(shuō)到用于細(xì)胞培養(yǎng)的顯微鏡，其必須具備某些基本特征。哺乳動(dòng)物細(xì)胞在液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，意味著顯微鏡必須具有倒置的配置。在這種配置中，物鏡安裝在培養(yǎng)皿下方，培養(yǎng)皿放置在顯微鏡載物臺(tái)上，聚光鏡安裝在上方。只有采用這種設(shè)置，物鏡才能足夠接近樣品。而且，這種構(gòu)造使研究人員用在樣品周圍有更多的自由空間（圖6）。

為了解細(xì)胞培養(yǎng)物的總體狀態(tài)，放大100-200倍即可。哺乳動(dòng)物細(xì)胞的低內(nèi)在對(duì)比度要求顯微鏡提供特定的對(duì)比度方法。相差和調(diào)制相差是見的，而微分干涉對(duì)比（DIC）與通常用于細(xì)胞培養(yǎng)的塑料容器不兼容（圖7）。

通過(guò)這種基本設(shè)備，研究人員可以判斷細(xì)胞數(shù)量和融合情況（圖8）。后者描述了培養(yǎng)容器中的定植程度(%)。根據(jù)融合情況，必須將細(xì)胞傳代培養(yǎng)到更多容器中。 

如果研究人員不僅想快速查看細(xì)胞，還想記錄細(xì)胞培養(yǎng)狀況，那么一臺(tái)配備了相機(jī)的顯微鏡是必要的。而且，哺乳動(dòng)物細(xì)胞經(jīng)常轉(zhuǎn)染熒光蛋白的基因。為了檢查轉(zhuǎn)染率，顯微鏡必須具有熒光照明能力，意味著需要熒光光源加上相關(guān)的濾色片。