贴壁细胞培养

***细胞培养：指从体内组织取出细胞在体外模拟体内环境下，使其生长繁殖，并维持其结构和功能的一种培养技术。 细胞培养基本条件 1、合适的细胞培养基 合成培养基的主要成分有：氨基酸、碳水化合物、无机盐、维生素及其它辅助物质。氨基酸是组成蛋白质的基本单位。不同种类的细胞对氨基酸的各异，但有几种氨基酸细胞自身不能合成，必须依靠培养液提供，这几种氨基酸称为必需氨基酸。其中谷氨酰胺是细胞合成核酸和蛋白质必需的氨基酸，在缺少谷氨酰胺时，细胞生长不良而死亡。因此，各种培养液中都有较大量的谷氨酰胺。但是，由于谷氨酰胺在溶液中很不稳定，应置于-20℃冰箱中保存，在使用前加入培养液内。已含谷氨酰胺的培养液在4℃冰箱中储存2 周以上时，还应重新加入原来量的谷氨酰胺。 碳水化合物是细胞生长主要能量来源，其中有的是合成蛋白质和核酸的成分。主要有葡萄糖、核糖、脱氧核糖、丙酮酸钠和醋酸等。 无机盐，培养液中无机盐的主要功能是帮助细胞维持渗透压平衡。此外，通过提供钠，钾和钙离子，帮助细胞调节细胞膜功能。培养液的渗透压是一个非常重要的因素, 细胞通常可耐受260mOsm/kg −320 mOsm/kg。培养液的渗透压在此范围内波动。特别注意：向培养液中加入其它物质有可能会明显改变培养液的渗透压，特别是溶于强酸或强碱中的物质。向培养液中添加HEPES 时需按以下方法调节钠离子浓度。 缓冲系统 大多数细胞所需pH 在 7.2 - 7.4。但是，细胞培养最适pH 值随培养的细胞种类不同而不同。成纤维细胞喜欢较高pH (7.4 - 7.7), 而传代转化细胞系则需要偏酸pH (7.0 - 7.4)。由于多数培养液靠碳酸氢钠（NaHCO3）与CO2 体系进行缓冲，因此，气相中的CO2 浓度应与培养液中碳酸氢钠浓度相平衡。细胞培养瓶盖不应拧得太紧，以保证气体交换。 pH调整液:常用的有HEPES液和NaHCO3溶液。 1）NaHCO3溶液：NaHCO3是培养基中必须添加的成分，一般情况下按说明书的要求准确添加，以保证培养基在5%CO2的环境下pH达到标准。如果气相或培养箱空气中CO2 浓度设定在5％，培养液中NaHCO3 的加入量为1.97g/L；如果CO2 浓度维持在10％，培养液中NaHCO3 的加入量为3.95g/L。如果是封闭式培养，即不与5%CO2的环境发生交换达到平衡，所使用的培养基就不能按照说明书所要求加入NaHCO3。此时常用5.6%或7.4%的NaHCO3溶液调节培养基，使之达到所要求的pH环境。 2）HEPES溶液：分子量238.31，是一种弱酸，一种非离子缓冲液，中文名字是羟乙基哌秦乙硫磺酸，对细胞无毒性，在高浓度时对一些细胞可能有毒。主要作用是防止培养基pH迅速变动。在开放式培养条件下，观察细胞时培养基脱离了5%CO2的环境，CO2气体迅速逸出，pH迅速升高，若加了HEPES，此时可以维持pH7.0左右。一般在进行克隆化培养时要添加HEPES。 在pH 7.2 - 7.4 范围内具有较好的缓冲能力。 HEPES 缓冲液可与低水平的碳酸钠（0.34g/L）共用，以抵消因额外加入HEPES 引起的渗透压增加。在这种培养条件下，细胞培养瓶的盖子应拧紧，以防止培养液中所需的少量碳酸盐散入空气中。大多数培养液中含有酚红作为pH 指示剂，酸性培养液呈橙黄色，碱性培养液呈深红色。 HEPES 使用终浓度一般为10-50mM, 但通常配成1M 储存液：用200ml 双蒸水溶解47.6克HEPES，用1N NaOH 调节pH 至7.5-8.0;然后过滤除菌，分装小瓶，室温或4℃保存。 维生素，在细胞培养中，尽管血清是维生素重要来源， 但是许多培养基中添加了各种维生素以适合更多的细胞系生长。 在一些较为复杂的培养液中还包括其它一些成分。如在杂交瘤技术中常用的DMEM 培养液，使用时还需要补加丙酮酸钠和2-巯基乙醇（2-Mercaptoethanol，2-Me）。2-Me 对细胞生长有很重要的作用。有人认为它相当于胎牛血清，有直接刺激细胞增殖作用。2-Me的活性部分是硫氢基，其中一个重要作用是使血清中含硫的化合物还原成谷胱甘肽，能诱导细胞的增殖，为非特异性的激活作用。同时避免过氧化物对培养细胞的损害。另一个重要作用是促进分裂原的反应和DNA 合成，增加植物凝集素(PHA)对淋巴细胞的转化作用，已广泛应用于杂交瘤技术，另外，也开始用于一些难以培养的细胞。2-Me 是一种小分子还原剂，极易氧化。分子量为78.13，纯的2-Me 是一种无色有刺激味的液体，比重为1.110-1.120(Do20)，常用终浓度为5×10-5M。常配制成0.1M 的储存液，用时每升培养液加0.5ml。 动物细胞培养基的组成 2、优质血清 目前，大多数合成培养基都需要添加血清。血清是细胞培养液中最重要的成分之一，含 有细胞生长所需的多种生长因子及其它营养成分。 3、无菌无毒细胞培养环境 1）工作环境的处理：使用层流超净工作台是最经济有效的手段。超净工作台正常工作时，向下的气流可阻挡外界空气污染物进入超净台。 （1）实验前，无菌室及无菌操作台用紫外灯照射30-60 分钟灭菌，用70% 酒精擦拭无菌操作台面，并开启无菌操作台风机运转10 分钟后，才可开始实验操作。每次操作只处理一株细胞，以免造成细胞交叉污染。实验结束后，将实验物品带出工作台。如需要继续进行下一个实验，则用70% 酒精擦拭无菌操作台面，再让无菌操作台风机运转10 分钟后，才可进行下一个实验操作。 （2）无菌操作工作区域应保持清洁与宽敞，必要物品，如试管架、移液器或吸管头等可以暂时放置，其它实验用品用完后应及时移出，以利气体流通。实验用品要用70%酒精擦拭后才能带入无菌操作台内。实验操作应在操作台中央无菌区域内进行，勿在边缘非无菌区域操作。 （3）小心取出无菌实验用品，避免造成污染。切勿碰触吸管与吸头头部或容器瓶口，不要在打开的容器正上方操作实验。容器打开后，用手夾住瓶盖并握住瓶身，倾斜约45°角取用，尽量勿将瓶盖盖口朝上放在台面上。 （4）工作人员应注意自身的安全，必须穿戴实验衣与手套后才进行实验。对于来自人源性或病毒感染的细胞株应特别小心，并选择适当等级的无菌操作台。操作过程中，应避免引起气溶胶的产生，小心有毒性试剂，例如DMSO及TPA 等，并避免尖锐物品伤人等。 （5）定期检查下列项目：CO2 钢瓶内的CO2 压力；CO2 培养箱内的CO2 浓度、温度、及水盘是否有污染；无菌操作台内气流压力是否正常，定期更换紫外灯管及HEPA 过滤器滤膜，预滤网﹙300 小时/预滤网，3000 小时/HEPA）。 2）消毒：细胞培养的最大危险是发生培养物的细菌，真菌和病毒等微生物的污染。污染主要是由于操作者的疏忽而引起，常见的原因有操作间或周围空间的不洁，培养器皿和培养液消毒不合格或不彻底。由于有关培养的每个环节的失误均能导致培养失败，故细胞培养的每个环节都应严格遵守操作常规，防止发生污染。 消毒方法分为三类： （1）紫外线消毒：用于空气，操作台表面和不能使用其它法进行消毒和培养器皿。紫外线直接照射方便、效果好，经一定的时间照射后，可以消灭空气中大部分细菌，培养室紫外线灯应距地面不超过2.5 米，且消毒进物品不宜相互遮档，照射不到的地方起不到消毒作用。紫外线可产生臭氧，污染空气，试剂及培养液都有不良影响，对人皮肤也有伤害，不宜近照射。 （2）温热消毒：即高压蒸气消毒，是一种使用最广泛、效果最好的消毒方法。温热消毒时，消毒物品不能装得过满，以防止消毒器内气体阻塞而千百万危险，保证其内气体的流通。在加热升压之前，先要打开排气阀门排放消毒器内的冷空气，冷气空气排出后，关闭排气阀门，同时检验安全阀活动自如，继后开始升压，当达到所需压力时，开始记算消毒时间。 常用物品消毒压力及时间： 培养液、平衡盐溶液及其它需要灭菌的液体：121℃, 15 磅, 20 分钟； 布类、玻璃制品、金属器械等物品：先121℃, 15 磅, 20 分钟，然后在烘箱中烘干； 玻璃瓶：干热灭菌170℃, 4 小时。 （3）化学消毒法：最常见的是70%酒精及1‰的新洁而灭，前者主要用于操作者的皮肤， 操作台表面及无菌室内的壁面处理。后者则主要用器械的浸泡及皮肤和操作室壁面的擦试消毒。化学消毒法操作简单、方便有效。 （4）抗生素消毒：主要用于培养用液灭菌或预防培养物污染。 4、恒定的细胞生长温度 维持培养细胞旺盛生长，必须有恒定而适宜的温度。不同种类的细胞对培养温度要求也不同。人体细胞培养的标准温度为36.5℃±0.5℃，偏离这一温度范围，细胞的正常代谢会受到影响，甚至死亡。培养细胞对低温的耐受力较对高温强，温度上升不超过39℃时，细胞代谢与温度成正比；人体细胞在39-40℃1 小时，即能受到一定损伤，但仍有可能恢复；在40-41℃1 小时，细胞会普遍受到损伤，仅小半数有可能恢复；41-42℃1 小时，细胞受到严重损伤，大部分细胞死亡，个别细胞仍有恢复可能；当温度在43℃以上1 小时，细胞全部死亡。相反，温度不低于0℃时，对细胞代谢虽有影响，但并无伤害作用；把细胞放入25－35℃时，细胞仍能生存和生长，但速度减慢；放在4℃数小时后，再回到37℃培养，细胞仍能继续生长。细胞代谢随温度降低而减慢。当温度降至冰点以下时，细胞可因胞质结冰受损而死亡。但是，如果向培养液中加入一定量的冷冻保护剂（二甲亚砜或甘油），可在深低温下如－80℃或－196℃（液氮）长期保存。 5、合适的气体环境 气体是哺乳动物细胞培养生存必需条件之一，所需气体主要有氧气和二氧化碳。氧气参与三羧酸循环，产生供给细胞生长增殖的能量和合成细胞生长所需用的各种成分。开放培养时一般把细胞置于95%空气加5%二氧化碳混合气体环境中。二氧化碳既是细胞代谢产物，也是细胞生长繁殖所需成分，它在细胞培养中的主要作用在于维持培养基的pH 值。大多数细胞的适宜pH 为7.2-7.4，偏离这一范围对细胞培养将产生有害的影响。但细胞耐酸性比耐碱性大一些，在偏酸环境中更利于细胞生长。但有一些细胞也喜欢偏碱环境中生长，如成纤维细胞最适合pH 是7.4-7.6。每种细胞都有其最适pH 值。 ***液体培养基保存： 液体培养基应于4℃冰箱避光保存，实验前放入37℃预热。未加血清液体培养基有效期为12 个月。液体培养基中的L-谷氨酰胺会随着储存时间的延长而慢慢分解。如果细胞生长不良，可以再添加适量L-谷氨酰胺。 干粉培养基保存：4℃冰箱避光保存，有效期36 个月。 血清：细胞培养液中添加的血清有牛血清、马血清、人血清等，其中牛血清是最常用的血清，分为胎牛血清和新生小牛血清。胎牛血清是从母牛破腹取出的胎牛中分离出的血清，价格昂贵。新生小牛血清是从刚出生的尚未哺乳的小牛中分离出来的血清，如厂家能做到这一点，新生小牛血清的质量与胎牛血清的质量相差不大。如小牛出生后已哺乳，从这种小牛中取出的血清中可能含有较多的生物活性物质，其质量明显不如前两种。血清的质量，种类及使用的浓度都有可能影响细胞的生长，而不同批次的血清支持细胞生长的能力也不同，尤其是对克隆细胞的生长，某些批次血清可能含有毒性或抑制细胞生长的物质。因此，在购买大量血清之前，必须对血清支持细胞生长能力进行检测，然后大量购买质量好的同一批号的血清。 并注意以下几点： （1）需要长期保存的血清必须储存于-20℃ – 70℃ 低温冰箱中。4℃冰箱中保存时间切勿超过1 个月。由于血清结冰时体积会增加约10％，因此，血清在冻入低温冰箱前，必须预留一定体积空间，否则易发生污染或玻璃瓶冻裂。 （2）一般厂商提供的血清为无菌，无需再过滤除菌。如发现血清有悬浮物，则可将血清加入培养液内一起过滤，切勿直接过滤血清。 （3）瓶装血清解冻需采用逐步解冻法：-20℃ 至 -70℃ 低温冰箱中的血清放入4℃冰箱中溶解1 天。然后移入室温，待全部溶解后再分装。在溶解过程中需不断轻轻摇晃均匀（小心勿造成气泡），使温度与成分均一，减少沉淀的发生。切勿直接将血清从-20℃进入37℃解冻，这样因温度改变太大，容易造成蛋白质凝集而出现沉淀。 （4）热灭活是指56℃, 30 分钟加热已完全解冻的血清。加热过程中須規則搖晃均勻。此热处理的目的是使血清中的补体成分（complement）灭活。除非必须，一般不建议作此热处理，因为热处理会造成血清沉淀物显著增多，而且还会影响血清的质量。补体参与反应有：细胞毒作用, 平滑肌细胞收缩, 肥大细胞和血小板释放组胺, 增强吞噬作用, 促进淋巴细胞和巨噬细胞发生化学趋化和活化。 （5）切勿将血清在37℃放置太久，否则血清会变得浑浊，同时血清中的有效成分会破会而影响血清质量。 （6）血清中的沉淀物 絮状物：主要是血清中的脂蛋白变性及解冻后血清中纤维蛋白造成，这些絮状物不会影 响血清本身的质量。可用离心3000rpm, 5 分钟去除，也可不用处理。显微镜下“小黑点”：经过热处理过的血清，沉淀物的形成会显著增多。有些沉淀物在显微镜下观察象“小黑点”，常误认为血清受污染。一般情况下，此小黑点不会影响细胞生长，但如果怀疑血清质量，则应立即停止使用，更换另一批号的血清。 ***培养细胞生长过程：潜伏期→指数增生期→停滞期 潜伏期(latent phase)：细胞接种后,先经过一个在培养液中呈悬浮状态的悬浮期.此时,细胞质回缩, 胞体呈圆球形.然后细胞贴附于载体表面,称贴壁,悬浮期结束. 细胞贴壁速度与细胞种类, 培养基成分,载体的理化性质等密切相关。一般情况下，原代培养细胞贴壁速度慢,可达10-24 小时或更多, 而传代细胞系贴壁速度快, 通常10-30 分钟即可贴壁。细胞贴壁后还需经过一个潜伏阶段，才进入生长和增殖期.原代培养细胞潜伏期长，约24-96 小时或更长, 连续细胞系和肿瘤细胞潜伏期短，仅需6-24 小时。 指数增生期(logarithmic growth phase)：这是细胞增殖最旺盛的阶段，分裂相细胞增多。指数增生期细胞分裂相数量可作为 判定细胞生长是否旺盛的一个重要标志。通常以细胞分裂相指数（Mitotic index, MI）表示，即细胞群中每1000 个细胞中的分裂相数。一般细胞的分裂指数介于0.1%-0.5%，原代细胞分裂指数较低，而连续细胞和肿瘤细胞分裂相指数可高达3％－5％。指数增生期的细胞活力最好时期，是进行各种实验最佳时期，也是冻存细胞的最好时机。在接种细胞数量适宜情况下，指数增生期持续3－5 天后，随着细胞数量不断增多、生长空间减少，最后细胞相互接触汇合成片。正常细胞相互接触后能抑制细胞运动，这种现象称接触抑制现象(contact inhibition)。而恶性肿瘤细胞无接触抑制现象，能继续移动和增殖，导致细胞向三维空间扩展，使细胞发生堆积（piled up）。细胞接触汇合成片后，虽然发生接触抑制，但只要营养充分，细胞仍能进行增殖分裂，因此细胞数仍然在增多。但是，当细胞密度进一步增大，培养液中营养成分减少，代谢产物增多时，细胞因营养枯竭和代谢产物的影响，导致细胞分裂停止，这种现象称密度抑制现象（Density Inhibition）。 停滞期(Stagnate phase)：细胞数量达到饱和密度后，细胞遂停止增殖，进入停滞期。此时细胞数量不再增加，故也称平顶期（Plateau）。如不及时进行传代，细胞就会停止增殖，进入停止期。此时细胞数持平，故也称平台期（Plateau phase）。停滞期细胞虽不增殖，但仍有代谢活动，继而培养液中营养渐趋耗尽，代谢产物积累、pH降低。如不进行分离传代，细胞会因培养液中营养耗尽、代谢产物积聚、pH 下降等因素中毒，出现形态改变，贴壁细胞会脱落，严重的会发生死亡，因此，应及时传代。传代过晚（已有中毒迹象）能影响下一代细胞的机能状态。在这种情况下，虽进行了传代，因细胞已受损，需要恢复，至少还要再传1～2两代，通过换液淘汰掉死细胞和使受损轻微的细胞得以恢复后，才能再用。结果反而耽误了时间，这是在实验中应特别注意的。 ***培养细胞基本形态 培养细胞随贴附支持物形状不同而形态各异，最常见的是贴附于平面支持物细胞。在一般光镜下生存中的细胞是均质而透明的，结构不明显。细胞在生长期常有1-2 个核仁。在细胞机能状态不良时，细胞轮廓会增强，反差增大。若胞质中时而出现颗粒、脱滴和腔泡等，表明细胞代谢不良。体外培养细胞根据它们在培养器皿是否能贴附于支持物上生长特征，可分为贴附型生长和悬浮型生长两大类。贴附型细胞在培养时能贴附在支持物表面生长。如羊水细胞为贴附型细胞，常表现为成纤维型细胞和上皮细胞生长。悬浮型细胞在培养中悬浮生长。 （1）成纤维型细胞(fibrlblast或mechanocyte type) 在培养中的细胞凡形态与成纤维细胞类似时，皆可称之为成纤维细胞。本型细胞由形态与体内成纤维细胞的形态相似而得名，细胞在支持物表面呈梭形或不规则三角形生长，细胞中央有卵园形核，胞质向外伸出2-3 厘米个长短不同的突起，除真正的成纤维细胞外，凡由中胚层间质起源的组织细胞常呈本类形态生长。 （2）上皮型细胞 此类型细胞在培养器皿支持物上生长具有扁平不规则多角形特征，细胞中央有园形核，细胞紧密相连单层膜样生长。起源于内、外胚层细胞如皮肤、表皮衍生物、消化管上皮等组织细胞培养时，皆呈上皮型形态生长。 （3）游走型细胞 本型细胞在支持物上散在生长，一般不连成片。细胞质经常伸出伪足或突起，呈活跃的游走或变形运动，速度快且不规则。此型细胞不很稳定，有时亦难和其它型细胞区别。在一定的条件下，由于细胞密度增大联成片后，可呈类似多角型或成纤维细腻包形态。常见于羊水细胞培养的早期。细胞培养所用玻璃及塑料制品的清洗与消毒清洗在组织细胞培养中，体外细胞对任何有害物质都非常敏感。微生物产品附带杂物，上次细胞残留物及非营养成分的化学物质，均能影响培养细胞的生长。因此对新使用玻璃器皿和重新使用的培养器皿都要严格彻底的清洗，且要根据器皿的组成材料不同，选择不同的清洗方法。 （4） 多形性细胞型(polymorphic cell type) 除上述三种细胞外，还有一些组织和细胞，如神经组织的细胞等，难以确定它们的稳定形态，可统归为多形性细胞型。 下述这四种细胞形态均属于贴壁依赖型细胞，培养这一类型细胞时，常需贴附在支持物上生长。但由于培养环境的变化，细胞形态常发生改变。 动物细胞的形态 (a)成纤维细胞型；(b)上皮细胞型；(c)游走细胞型；(d)多形性细胞型 ***玻璃器皿的清洗 组织细胞培养中，使用量最大的是玻璃器皿，故工作最最大的是玻璃器皿的清洗。一般玻璃器皿的清洗包括浸泡、刷洗、浸酸和冲洗四个步骤。清洗后的玻璃器皿不仅要求干净透明无油迹，而且不能残留任何物质。 （1）浸泡：初次使用和培养使用后的玻璃器皿均需先用清水浸泡，以使附着物软化或被 溶液掉。新的初次使用的玻璃器皿，在生产及运输过程中，玻璃表面带有大量的干固的灰尘，且玻璃表面常呈碱性及带有一些对细胞有害的物质等。新瓶使用前应先用自来水简单刷洗，然后用稀盐酸液(5％)浸泡过夜，以中和其中的碱性物质。再次使用的玻璃器皿则常附有大量刚使用过的蛋白质，干固后不易洗掉，故用后要立即浸入水中，且要求完全浸入，不能留有气泡或浮在液面上。 （2）刷洗：浸泡后的玻璃器皿一般要用毛刷沾洗涤剂刷洗，以除去器皿表面附着较牢的 杂质。刷洗要适度，过度会损害器皿表面光泽度。 （3）浸酸：清洁液是由重铬酸钾、浓硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成，其处理过程称 为浸酸。清洁液对玻璃器皿无腐蚀作用，而其强氧化作用可除掉刷洗不掉的微量杂质。清洁液去污能力很强。是清洗过程中关键的一环。浸泡时器皿要充满清洁液，勿留气泡或器皿露出清洁液面。浸泡时间一般为过夜，不应少于6 小时。 清洁液可根据需要，配制成不同的强度，常用的下列三种： 重铬酸钾（g） 浓硫酸（ml） 蒸馏水（ml） 强清洁液 63 1000 200 次强清洗液 120 200 1000 弱清洁液 100 100 1000 清洁液配制时应注意安全，须穿戴耐酸手套和围裙，并要保护好面部及身体裸露部分。配制过程中可使重铬酸钾溶于水中，然后慢慢加浓硫酸。并不停的用玻璃棒搅拌，使产生的热量挥发，配制过程中可使重铬酸钾溶于水中，然后慢慢加浓硫酸。并不停的用玻璃棒搅拌，使产生的热量挥发，配制溶液应选择塑料制品。配成后清洁液一般为棕红色。 （4）冲洗：玻璃器皿在使用后，刷洗及浸泡后都必须用水充分冲洗。使之尽量不留污染或洁液的残迹。冲洗最好用洗涤装置。即省力、效果又好。如用手工操作，则需流水冲洗十次以上，每天水须灌满及倒干净，最好用蒸馏水清洗3-5 次，晾干备用。 ***胶塞的清洗 细胞培养中所用的橡胶制品主要是瓶塞。新购置的瓶塞带有大量滑石粉及杂质，应先用自来水冲洗，再做常规处理，常规清洗方法是：每次用后立即置入水中浸泡，然后用2% NaOH 或洗衣粉煮沸10-20 分钟，以除掉培养中的蛋白质。自来水冲洗后，再用1%稀盐酸浸泡30 分钟或蒸馏水冲洗后再煮沸10-20 分钟，晾干备用。 ***塑料制品的清洗 塑料自制品现多是采用无毒并已经特殊处理的包装，打开包装即可用，多为一次性物品。必要时用2% NaOH 浸泡过夜，用自来水充分冲洗，再用5%盐酸溶液浸泡30 分钟，最后用自来水和蒸馏水冲洗干净，晾干备用。 ***消化液： 分离组织和分散细胞。常用的有胰蛋白酶和二乙胺四乙酸二钠(EDTA)两种溶液。可以单独使用，也可以混合使用。 1、胰蛋白酶溶液： 胰蛋白酶（简称胰酶）是一种黄白色粉末，易潮解，应放置冷暗干燥处保存。目前应用的胰蛋白酶主要来自牛或猪的胰腺。胰酶的主要作用是使细胞间的蛋白质水解，使细胞相互离散。胰酶对细胞的分离作用与细胞的种类和细胞的特性有密切关系。一般来讲，胰酶浓度大、作用温度高、作用时间长，对细胞分离能力也大，但超过一定的限度会损伤细胞。胰酶溶液在pH8.0，温度为37℃时，作用能力最强。注意：钙离子、镁离子和血清蛋白的存在会降低胰酶活力。因此，胰酶溶液常用无Ca2+、Mg2+的D-Hanks’ 平衡盐溶液配制成0.25%溶液。消化细胞时，加入一些血清或含血清的培养液，或胰蛋白酶抑制剂能终止胰蛋白酶对细胞的消化作用。 胰蛋白酶溶液配制： 1）称取胰蛋白酶粉末置烧杯中，先用少许D-Hanks 平衡盐溶液（pH7.2 左右）调成糊状，然后再补足D-Hanks 平衡盐溶液，搅拌混匀，置室温4 小时或冰箱过夜，并不断搅拌振荡； 2）次日，先用滤纸粗滤，再进行过滤除菌，分装入瓶中，低温冰箱保存备用，常用浓度为0.25% 或0.125%。胰蛋白酶溶液偏酸，使用前可调用碳酸氢钠溶液调pH 至7.2 左右。 保存条件：配制好的胰蛋白酶溶液必须保存在-20℃冰箱中，以免分解失效。 2、EDTA·4Na 溶液 EDTA 是一种化学螯合剂，对细胞有一定的离觧作用，而且毒性小，价格低廉，使用方便。常用工作液浓度为0.02%。通常与0.25%的胰蛋白酶溶液按1：1 混合使用（混合液）。注意：使用EDTA 处理细胞后，一定要用Hanks 液冲洗干净，因残留的EDTA 会影响细胞生长。 EDTA 溶液配制：用无钙、镁的D-HBSS 平衡盐溶液溶解后，高压蒸汽灭菌，分装成小瓶，室温或4℃冰箱保存。 3、胰蛋白酶–EDTA·4Na 溶液（0.05%胰蛋白酶, 0.53mM EDTA·4Na） 0.5g 胰蛋白酶＋0.2gEDTA·4Na＋1L D-HBSS。-20℃冰箱中保存。 ***哺乳动物细胞冷冻保存 1、冷冻保存要点： （1）冷冻过程要缓慢。需要冷冻保存的细胞先在4℃冰箱中放置 30－60 分钟；然后转入-20℃，放置30 分钟；然后再转入-80℃放置16－18 小时（或过夜）；最后放入液氮中长期保存。有条件的地方，可用程控降温仪，按每分钟-1 到 -3℃速度降温，一直到-80℃以下，然后直接放入液氮中长期保存。 （2）冻存细胞必须处在对数生长期，活力大于90％，无微生物污染。 （3）细胞浓度控制在：1×107－5×107/ml。 （4）使用高浓度血清或蛋白保护剂。一般情况下，用于冷冻保存完全细胞生长培养液中血清浓度大于20％。 （5）使用合适的细胞冷冻保护剂，以保护细胞在冷冻过程中免受冰晶破坏。目前，最常用的冷冻保护剂是DMSO(二甲基亚砜)，使用终浓度为5－10％。但是，有些细胞系不能用DMSO作为冷冻保护剂，如人白血病细胞系HL-60。因为，DMSO 能诱导HL-60 细胞分化。在这种情况下，可选用其它冷冻保护剂，如甘油（glycele）,羟乙基淀粉等。 特别注意： （1）细胞在冷冻过程中在-20℃冰箱内放置时间不可超过1 小时，以防止冰晶过大而破坏细胞。也可跳过-20℃这一步骤直接放入-80℃冰箱中，但这样做细胞存活率要低一些。 （2）DMSO 稀释时会释放大量热量。因此，DMSO 不能直接加到细胞液中，必须事先配制。 （3）DMSO 必须是细胞培养级别的。新买的DMSO 本身处于无菌状态，第一次开瓶后应立即少量分装于无菌试管或瓶中，4℃保存。避免反复冻融造成DMSO 裂解产生有害物质。并可减少污染机会。如要过滤DMSO，必须选用耐DMSO 的尼龙滤膜。 细胞冷冻保存液主要成分：冷冻保护剂，基础培养液，血清或蛋白。 2、常用细胞冷冻保存液： （1）10％DMSO ＋ 完全细胞生长培养液（20％血清＋基础培养液） （2）10％甘油 ＋ 完全细胞生长培养液（20％血清＋基础培养液） 3、悬浮细胞冷冻保存操作程序（液氮保存法）： 取对数生长期细胞培养物，离心200－400g 5 分钟。用粘附（贴壁）细胞冷冻保存操作程序（液氮保存法）： 冷冻保存细胞的解冻与复苏要点： （1）快速解冻。冻存细胞从液氮中取出后，应立即放入37℃水浴中，轻轻摇动冷冻管，使其在1 分钟内全部融化（不要超过3 分钟）。 （2）解冻操作过程动作要轻。由于冷冻保存过的细胞变得非常脆弱，不仅解冻速度要快，而且动作要轻。一般情况下，解冻后的细胞可直接接种到含完全生长培养液的细胞培养瓶中直接进行培养（1ml 冻存细胞液加入到25－30ml 新鲜完全培养液中），24 小时后再用新鲜完全培养替换旧培养液，以去除DMSO。如果，细胞对冷冻保护剂特别敏感，那么，解冻后的细胞应先通过离心去除冷冻保护剂，然后再接种到含完全生长培养液的培养瓶中。 特别注意： （1）解冻时务必注意安全，预防冷冻管爆裂。，要带手套，用镊子将细胞冷冻管从液氮中取出，放入37℃水浴中。切不可直接用手，以免冻伤。 （2）冷冻管在水浴中解冻时，液面不可超过冻存管盖面，否则，易发生污染。 (3)细胞冻存的速率 　　细胞的冷冻速率最是控制在让细胞有足够的时间脱水而又不被过度脱水导细胞损害。对大多数细胞来说，每分钟降 1 至 3 ℃是合适的。通常的操作是把细胞先在-20℃1-2个小时，再放入 -80℃冰箱过夜（如果没有-80℃冰箱，可以用干冰替代），再转入液氮罐或低于 -130℃的冰箱长期保存。 储存环境 　　细胞长期保存温度是 -130 ℃或更低。液氮罐中气态层温度在 -140℃至 -180℃之间，细胞可保存在气态层或浸入液氮中，如果可能最好保存在气态层，因为这样可避免由于有液氮进入冻存管而在拿出细胞时引起爆炸（但是这样液氮罐内只能存储少量液氮，需要经常添加）。细胞也可以在-80℃冰箱保存几个月左右的时间。 4、解冻冷冻保存细胞的离心方法: (1)从液氮中取出冻存的细胞，立即放入37℃水浴中快速解冻。 （2）将1－2ml 冻存细胞液加入到25ml 新鲜完全细胞生长培养液中，轻轻混匀。 （3）用1000rpm 离心8 分钟，弃上清液。 （4）用完全生长培养液轻轻悬浮细胞团，并计数细胞。 （5）接种细胞到培养瓶中，起始密度为3×105/ml。 ***基本培养基包括四大类物质：无机盐、氨基酸、维生素、碳水化合物 ●无机盐：CaCl2 KCl MgSO4 NaCl NaHCO3 NaH2PO4。对调节细胞渗透压、某些酶的活性及溶液的酸碱度都是必须的。 ●氨基酸：缬氨酸、亮、异亮、苏、赖、色、苯丙、蛋、组、酪、精氨酸、胱氨酸(L型)。它们都是细胞用以合成蛋白质的必需原料，不能由其他氨基酸或糖类转化合成。除此之外，还需要谷氨酰胺(glutamine)。谷氨酰胺具有特殊的作用，对细胞的培养特别重要，能促进各种氨基酸进入细胞膜；它所含的氮是核酸中嘌呤和嘧啶的来源，还是合成—磷酸腺苷、二磷酸腺甘和三磷酸腺苷的原料。细胞需要谷氨酰胺合成核酸和蛋白质，谷氨酰胺缺乏可导致细胞生长不良甚至死亡。在配制各种培养液中都应补加一定量的谷氨酰胺。值得注意的是：谷氨酰胺在溶液中很不稳定，故4℃下放置1周可分解50%，使用中最好单独配制，置-20℃冰箱中保存，用前加入培养液中。 ●维生素：是维持细胞生长的一种生物活性物质，在细胞中大多形成酶的辅基或辅酶，对细胞代谢有重大影响。脂溶性维生素(A、D、E、K)常从血清中得到补充。水溶性维生素包括牛物素、叶酸、烟酰胺、泛酸、吡哆醇、核黄素、硫胺素和B12。维生素C也是不可缺少的，对具有合成胶原能力的细胞更为重要。 ●碳水化合物：是细胞生命的能量来源，有的是合成蛋白质和核酸的成分。主要有葡萄糖、核糖、脱氧核糖和丙酮酸钠等。体外培养动物细胞时，几乎所有培养基或培养液中都以葡萄糖作为必含的能源物质。 ●葡萄糖和谷胺酰胺的合理使用：乳酸是葡萄糖不完全氧化的产物。研究表明，体外培养条件下95％的葡萄糖转变为乳酸，这降低了营养物质的代谢效率，降低培养基pH值，增加渗透压。在氧气供给不足的情况下，NADH转运系统苹果酸－天冬氨酸穿梭系统活性低而不能将糖酵解产生的NADH氧化磷酸化为NAD+，细胞只得以降低能量需求的方式如激活乳酸脱氢酶将糖酵解产生的丙酮酸与NADH反应生产乳酸和NAD+，从而保证了糖酵解的顺利进行。另一个可能的解释是连接糖酵解与TCA循环的特异性酶如丙酮酸脱氢酶复合物、磷酸丙酮酸羧化酶激酶和丙酮酸羧化酶活性低下，直接导致糖酵解与TCA循环的失衡。因此体外培养条件下，葡萄糖主要经糖酵解降解，产生过量的乳酸。减少乳酸生产最常用的方法是限制培养基中葡萄糖的含量，但葡萄糖含量过低可造成细胞营养供应不足，细胞生长抑制。该方法需要对葡萄糖的消耗与需求、乳酸的生产速率以及目的蛋白的表达量等参数进行综合考虑方可应用。 ●除了以上与细胞生长有关的物质以外，大多数培养液中使用酚红作为pH 指示剂。当溶液酸性时pH小于6.8呈黄色；红色表示中性pH；当溶液碱性时pH大于8.4呈紫色。但是，在一些特殊培养液中不含酚红，因为已有一些研究表明：酚红能模拟类固醇激素（尤其是雌激素）样作用。 ●在较为复杂的培养液中还包括核酸降解物(如嘌呤和嘧啶两类)以及氧化还原剂(如谷胱甘肽)等。有的培养液还直接采用了三磷酸腺苷和辅酶A。 1、干粉培养基的配制方法 ： ●在一个尽可能接近总体积的容器中加入比预期培养基总体积少5％的三蒸水。 ●在室温（20℃到30℃）的水中加入干粉培养基，轻轻搅拌，不要加热。 ●水洗包装袋的内部，转移全部的痕量干粉到容器内。 ●加NaHCO3到培养基中。 ●用三蒸水稀释到想要的体积，搅拌溶解。注意不要过分搅拌。 ●通过缓慢搅拌加入1N NaOH 或1N HCL调节pH值，由于pH值在过滤时会上升0.1到0.3，因而调节pH值使它比最终想要的pH值低0.2到0.3。培养基在过滤前要保持密封。 2、无血清培养基(serum free medium,SFM):是不需要添加血清就可以维持细胞在体外较长时间生长繁殖的合成培养基。但是它们可能包含个别蛋白或大量蛋白组分。虽然基础培养基加少量血清所配制的完全培养基可以满足大部分细胞培养的要求，但对有些实验却不适合，如观察一种生长因子对某种细胞的作用，这时需要排除其他生长因子的干扰作用。而血清中可能含有各种生长因子；又如需要测定某种细胞在培养过程中分泌某种物质（抗体、生长因子）的能力；或者要大规模的培养某种细胞，以获得它们的分泌产物。无血清培养基的基本配方:基本成分为基础培养基及添加组分两大部分。 用于生物制药和疫苗生产的细胞在体外培养时，多数呈贴壁生长或兼性贴壁生长；而当其在无血清、无蛋白培养基中生长时，由于缺乏血清中的各种粘附贴壁因子如纤粘连蛋白、层粘连蛋白、胶原、玻表粘连蛋白，细胞往往以悬浮形式生长。 添加组分包括以下几大类物质： (1）促贴壁物质：许多细胞必须贴壁才能生长，这种情况下无血清培养基中一定要添加促贴壁和扩展因子，一般为细胞外基质，如纤连蛋白、层粘连蛋白等。它们还是重要的分裂素以及维持正常细胞功能的分化因子，对许多细胞的繁殖和分化，起着重要作用。纤连蛋白主要促进来自中胚层细胞的贴壁与分化，这些细胞包括成纤维细胞、肉瘤细胞、粒细胞、肾上皮细胞、肾上腺皮质细胞、CHO细胞、成肌细胞等。 (2）促生长因子及激素：针对不同细胞添加不同的生长因子。激素也是刺激细胞生长、维持细胞功能的重要物质，有些激素是许多细胞必不可少的，如胰岛素。 (3）酶抑制剂：培养贴壁生长的细胞，需要用胰酶消化传代，在无血清培养基中必不可少须含酶抑制剂，以终止酶的消化作用，达到保护细胞的目的。最常用的是大豆胰酶；抑制剂。 (4）结合蛋白和转运蛋白：常见如转铁蛋白和牛血清白蛋白。牛血清白蛋白的添加比较大，可增加培养基的粘度，保护细胞免受机械损伤。许多旋转式培养的无血清培养基都含有牛血清白蛋白。 (5)微量元素：硒是最常见的。 使用方法: 目前，血清仍是动物细胞培养中最基本的的添加物，尤其是在原代培养或者细胞生长状况不良时，常常会先使用有血清的培养液进行培养，待细胞生长旺盛以后，再换成无血清培养液。细胞转入无血清培养基培养要有一个适应过程，一般要逐步降低血清浓度，从10%减少到5%，3%，1%，直至无血清培养。在降低过程中要注意观察细胞形态是否发生变化，是否有部分细胞死亡，存活细胞是否还保持原有的功能和生物学特性等。在实验后这些细胞一般不再继续保留，很少有细胞能够长期培养于无血清培养基而不发生改变的。细胞转入无血清培养之前，要留有种子细胞，种子细胞按常规培养于含血清的培养基中，以保证细胞的特性不发生变化。 为了使细胞适应无血清培养，关键的是使所培养细胞： ●处于对数生长中期 ●>90% 活细胞率 ●适应时以较高的起始细胞接种 有两种方法使细胞适应无血清培养基（SFM）: 1）直接适应——细胞从添加血清的培养基转换到无血清培养基（SFM）中。 一些类型细胞可直接从包含血清的培养基适应无血清培养基。对于直接适应，接种细胞密度应该:2.5×105~3.5×105细胞/ml。当细胞密度达到1×106~3×106细胞/ml时，传代培养细胞。当细胞密度在培养4到7天后达到2×106~4×106细胞/ml时，细胞完全适应了无血清培养基。每隔3~5天，当细胞密度达到1×106~3×106细胞/ml，细胞活率在90％时，贮备的适应了无血清培养基的细胞培养物应该再次传代培养。 2）连续适应——分好几步把细胞从添加血清的培养基转换到无血清培养基（SFM）中，与直接适应相比较，连续适应趋向对于细胞更加温和一些。 ●以2倍正常接种密度接种生长活跃的细胞培养物到75%有血清培养基：25％SFM 混合培养基中，传代培养。 ●当细胞密度>5×105细胞/ml时，以2×105到3×105细胞/ml细胞密度，在有血清培养基：SFM为50∶50的混合培养基中传代培养。 ●以2×106到3×106细胞/ml细胞密度，25％有血清培养基和75% SFM中传代培养。 ●当细胞密度达到1×106到3×106细胞/ml（接种后4到6天），在100％SFM培养基中传代培养。 ●每隔3到5天，当细胞密度达到1×106到3×106细胞/ml，细胞活率在90％时，贮备的适应了无血清培养基的细胞培养物应该再次传代培养。 建议备份前一次混合培养的培养物，直到每一次细胞适应了新的混合培养基。每一次减少血清前，可能需要在SFM/有血清混合培养基中进行几次传代。 在适应过程中，最好不要让细胞生长过度。这将增加选择亚群的可能性。需要注意，与有血清培养基相比，大部分SFM包含非常少的蛋白质，因而更易于受外界因素的影响。 细胞培养适应替代血清： 许多细胞利用连续适应方法能很好的适应，用包含FBS的的培养基和包含有替代血清的培养基1∶1（v∶v）的混合培养基培养细胞。通过下列的混合培养基的方式，连续几代减少当前培养基的量：1∶2，1∶4，1∶16和100％替代培养基。每次适应改变血清比例时，传代细胞2到3次。 培养可以直接从FBS转换到替代血清。一开始就使用相同于FBS的浓度的替代物或血清，生长的延迟可能会发生，允许进行2到3次的传代，使生长率恢复到以前的水平。 特别需要强调的是： 配制无血清培养液必须使用高质量的水，如石英玻璃蒸馏器经三次蒸馏或超纯水净化装置制备的水。因为无血清培养基缺乏了血清中天然成分中和毒素、保护细胞的大分子，既便水中的有毒物质含量甚微，也可能对细胞产生致死性损害。这是无血清培养能否成功的关键因素之一。 3、使用无血清培养基的优点 ●增加确定性 ●性能更加一致 ●容易进行纯化和下游加工 ●细胞功能的精确评估 ●增强生长和/或产量 ●生理反应性的较好对照 ●增强细胞内中介物的检测 ***抗生素: 常用的是青链霉素，俗称“双抗溶液”。青霉素主要是对革兰阳性菌有效，链霉素主要对革兰阴性菌有效。加入这两种抗生素可预防绝大多数细菌污染。通常使用青霉素终浓度0.007-0.008g/100ml,链霉素终浓度0.01g/100ml。一般配制成100倍浓缩液，可用PBS或培养基配制。 抗生素使用种类与浓度： 抗生素名称 工作浓度 储存温度 杀灭细菌 Penicillin 青霉素 100 u/ml -20℃ G(+) Streptomycin 链霉素 100 u/ml -20℃ G(+)、G(-) gentamicin庆大霉素 50 ug/ml -20℃ G(+)、G(-)、支原体 amphotericin B 真菌抑制剂(两性霉素B) 2.5 ug/ml -20℃ 真菌 Nystatin 制霉菌素 50 ug/ml -20℃ 真菌 ***谷氨酰胺补充液: 谷氨酰胺在细胞代谢过程中起重要作用，合成培养基中都要添加，由于谷氨酰胺在溶液中很不稳定容易降解，4℃下放置7天即可分解约50%，所以都是在使用前添加。配制好的培养液（含谷氨酰胺）在4℃放置2周以上时，要重新加入原来量的谷氨酰胺，故需单独配制谷氨酰胺，以便临时加入培养液内。谷氨酰胺使用终浓度为0.002mol/L。一般配制为100倍浓缩液，即浓度为200mmol/L（29.22g/L），配制时应加温30℃，完全溶解后过滤除菌，分装至小瓶，储存于－20℃。使用时，在每100ml培养液中加入0.5~2ml谷氨酰胺浓缩液，终浓度为1~4mmol/L。 ***二肽谷氨酰胺（L-丙氨酰-L-谷氨酰胺） 在细胞培养液中L-谷氨酰胺是大部分细胞培养基的基本成分；而L-谷氨酰胺是一种并不稳定的氨基酸，在中性的水溶液中会自发降解；需要频繁地补加L-谷氨酰胺。因而在培养操作过程中经常： （1）频繁打开盖子，增加了破坏无菌状态的可能性； （2）过多的追加L-谷氨酰胺，增加了培养基中氨的毒性水平。 ***动物细胞培养的方法 动物细胞无论是贴壁培养还是悬浮培养，均可分为分批式、流加式、半连续式、连续式等几种培养方式。 ⒈ 分批式培养 分批式培养是指先将细胞和培养液一次性装入反应器内进行培养，细胞不断生长，同时产物也不断生成，经过一段时间的培养后，终止培养。在细胞分批培养过程中，不向培养系统补加营养物质，而只向培养基中通入氧，能够控制的参数只有pH值、温度和通气量。因此细胞所处的生长环境随着营养物质的消耗和产物、副产物的积累时刻都在发生变化，不能使细胞自始至终处于最优的条件下，因而分批培养并不是一种理想的培养方式。分批式培养过程的特征如图所示：（分批式培养过程的特征） 细胞分批式培养的生长曲线与微生物细胞的生长曲线基本相同。在分批式培养过程中，可分为延滞期、对数期、减速期、平稳期和衰退期等五个阶段。分批培养过程中的延滞期是指细胞接种后到细胞分裂繁殖所需的时间，延滞期的长短根据环境条件的不同而不同，并受原代细胞本身的条件影响。一般认为，细胞延滞期是细胞分裂繁殖前的准备时期，一方面，在此时期内细胞不断适应新的环境条件，另一方面又不断积累细胞分裂繁殖所必需的一些活性物质，并使之达到一定的浓度。因此，一般选用生长比较旺盛的处于对数期的细胞作为种子细胞，以缩短延滞期。细胞经过延滞期后便开始迅速繁殖，进入对数期，在此时期细胞随时间呈指数函数形式增长。细胞通过对数期迅速生长繁殖后，由于营养物质的不断消耗、抑制物等的积累、细胞生长空间的减少等原因导致生长环境条件不断变化，细胞经过减速期后逐渐进入平稳期，此时，细胞的生长、代谢速度减慢，细胞数量基本维持不变。在经过平稳期之后，由于生长环境的恶化，有时也有可能由于细胞遗传特性的改变，细胞逐渐进入衰退期 而不断死亡，或由于细胞内某些酶的作用而使细胞发生自溶现象。典型的分批培养随时间的变化曲线如图所示。 ⒉ 流加式培养 流加式培养是指先将一定量的培养液装入反应器，在适宜的条件下接种细胞，进行培养，使细胞不断生长，产物不断生成，而在此过程中随着营养物质的不断消耗，不断地向系统中补充新的营养成分，使细胞进一步生长代谢，直到整个培养结束后取出产物。流加式培养只是向培养系统补加必要的营养成分，以维持营养物质的浓度不变。由于流加式培养能控制更多的环境参数，使得细胞生长和产物生成容易维持在优化状态。 流加式培养的特点就是能够调节培养环境中营养物质的浓度：一方面，它可以避免在某种营养成分的初始浓度过高时影响细胞的生长代谢以及产物的形成；另一方面，它还能防止某些限制性营养成分在培养过程中被耗尽而影响细胞的生长和产物的形成。同时在流加式培养过程中，由于新鲜培养液的加入，整个过程的反应体积是变化的。 根据流加控制方式不同，有两种流加式培养方式：无反馈控制流加和有反馈控制流加。无反馈控制流加包括定流量流加和间断流加等；有反馈控制流加一般是连续或间断地测定系统中限制性营养物质的浓度，并以此为控制指标来调节流加速率或流加液中营养物质的浓度等。 ⒊ 半连续式培养 半连续式培养是在分批式培养的基础上，将分批培养的培养液部分取出，并重新补充加入等量的新鲜培养基，从而使反应器内培养液的总体积保持不变的培养方式。 ⒋ 连续式培养 连续式培养是指将细胞种子和培养液一起加入反应器内进行培养，一方面新鲜培养液不断加入反应器内，另一方面又将反应液连续不断地取出，使反应条件处于一种恒定状态。与分批式培养不同，连续式培养可以保持细胞所处环境条件长时间地稳定，可以使细胞维持在优化的状态下，促进细胞的生长和产物的生成。由于连续式培养过程可以连续不断地收获产物，并能提高细胞密度，在生产上已被应用于培养悬浮型细胞。 动物细胞的连续培养一般是采用灌注培养。灌注培养是把细胞接种后进行培养，一方面连续往反应器中加入新鲜的培养基，同时又连续不断地取出等量的培养液，但是过程中不取出细胞，细胞仍留在反应器内，使细胞处于一种营养恒定的状态。高密度培养动物细胞时，. 必须确保补充给细胞足够的营养以及除去有毒的代谢物。通过调节添加新鲜培养液的速度，使培养保持在稳定的、代谢副产物低于抑制水平的状态。采用此法，可以大大提高细胞的生长密度，有助于产物的表达和纯化。 ***细胞代谢 细胞生活的两个基本过程——合成和机能活动都需要能量。葡萄糖和谷氨酰胺是细胞培养基中的主要碳源和能源。谷氨酰胺代谢能为动物细胞生长提供30％～65％的能量，见右图。不同代谢途径消耗的每种营养物的比例与细胞的代谢状态有关。 细胞的代谢活动都与细胞内存在的高效酶系统的催化作用有关，在它们的控制下，葡萄糖进行缓慢的氧化，通过一系列反应进行，每一步反应都有相应的酶参与作用。其实在大部分的氧化过程中，并无氧直接参加，主要是脱氢的形式，到最后氢才能与氧结合形成水。产生的能量贮存和运输依赖于高能磷酸键，高能磷酸键分解后再释放出大量能量，满足细胞各种活动之需。 ⒈ 糖代谢 生物体内糖代谢主要有两种，即无氧酵解和三羧酸循环。前者由葡萄糖转变为乳糖时，并无氧参加，也能释放一些能量；后者由葡萄糖转化为CO2和H2O时，需消耗大量的氧，但比前者产生的能量多。 培养细胞的糖代谢有无氧酵解和有氧代谢两种形式。氧和二氧化碳是维持细胞生存所必需的，各种动物细胞对氧的需求亦不相同。很多健康的胚胎细胞和成体的某些正常细胞，皆赖以无氧酵解，癌细胞趋于在培养基中堆积乳酸和酮体。另外，培养细胞有明显的巴斯德效应，即当细胞培养供给氮气时，细胞能在无氧条件下生长，几乎所有葡萄糖都变成乳酸。在有氧的条件下，依细胞类型和培养条件的不同，葡萄糖转变成乳酸的量在5％～10％之间，最大可达70％。有人证明，高压氧对胚胎组织或单层细胞培养都是有害的，而培养成体组织则需较多的氧。CO2是葡萄糖代谢的最终产物，但它仍可被利用和丙酮酸一起形成草酸，重新进入三羧酸循环并起到增效作用。CO2更重要的一个作用是它能调节细胞生存环境的pH值。 ⒉ 氮代谢 蛋白质是由较小分子的氨基酸结合而成的大分子，必需氨基酸既是体内细胞也是大多数培养细胞所必需的，而且不能由其他氨基酸或糖类转化合成。 有人用鼠心肌细胞试验证明，由苯丙氨酸可以合成少量酪氨酸，如用另一些细胞则不能。苏氨酸是很多细胞所必需的，却易从其他氨基酸和葡萄糖合成。很多哺乳动物细胞都需要大量的谷氨酰胺，在培养液中必须加入一定量必需的氨基酸，但大多数细胞在有其他氨基酸的条件下生长得更好。尤其在单细胞培养或细胞量较少时，需要氨基酸种类比大片细胞群多。Lockart和Eagle发现，在单细胞培养时，在培养液中还应含有其他数种非必需氨基酸(特别是丝氨酸)，对维持细胞生长有利。另外细胞只能利用左旋氨基酸，某些右旋非必需氨基酸对细胞可能有抑制作用，而过量的右旋必需氨基酸对细胞生长无影响。 有些细胞不能利用加入培养基中的蛋白质，可能是它们缺乏分解这种蛋白质的酶之故。具有分解相应蛋白质的酶的细胞，则能利用培养基中的蛋白质。细胞受PPLO(类胸膜肺炎菌Pleuro pneumonia-like organisms)污染时，会出现对精氨酸的需求量异常高的现象，借此可测知细胞是否已受PPLO污染。 ⒊ 类脂代谢 培养动物细胞能从简单物质如醋酸盐等合成类脂，现尚不明确细胞能否从培养基中摄取类脂并加以贮存。在培养细胞中出现的脂肪、胆固醇大概都是新合成的。当有些细胞生长状态不良时，在细胞质中常堆积脂肪，可能是代谢障碍之故。 ⒋ 核酸代谢 核酸是细胞中的重要成分，必须在有关酶的参加下才能在细胞内合成。 重新合成嘌呤核苷酸时，由小分子磷酸核苷焦磷酸、谷氨酰胺、甘氨酸和天冬氨酸等，经过一系列反应而生成一磷酸次黄嘌呤核苷酸(inosine monophosphate，IMP)。这些反应之一涉及从甲酰四氢叶酸中把一个甲酰基转成5-氨基-4-甲酰胺咪唑核糖核苷酸(5-amino-4-imidazole carboxamide ribouncleotide，AICAR)，它可被叶酸类似物(拮抗剂)如氨基蝶呤(aminopterin)和甲基氨基喋呤(amethopterin)或氨甲喋呤(methotrexate，简称MTX)等所阻抑。IMP是核酸中两个嘌呤核苷酸——一磷酸腺苷和一磷酸鸟苷(AMP和GMP)的前体物，如果上述IMP合成过程是惟一途径的话，则核酸合成就会完全被抑制住，细胞就要死亡。但实际上IMP也可直接从次黄嘌呤鸟嘌呤核糖磷酸转移酶(HGPRT)而生成，因此只要在细胞生存环境中的次黄嘌呤能被利用，即使在氨基嘌呤存在的情况下，IMP仍然可被合成，则细胞会继续存活下去。IMP也是GMP的前体物，但GMP同样也可在HGPRT作用下使鸟嘌呤磷酸化而形成。HGPRT的特异性并不很高，它也能把嘌呤类似物，如巯基鸟嘌呤(throguanine)和杂氮鸟嘌呤(azaguanine)结合入RNA中，从而能干扰嘌呤核苷酸的合成。另外在IMP形成AMP的过程中，也能被拮抗剂所抑制，但和前述一样，此抑制也可在腺嘌呤存在下而缓解，这是因为还有另一个叫腺嘌呤磷酸转移酶(APRT)，它能直接把腺嘌呤变成AMP。APRT的特异性也不强，