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细胞培养实验技术大全(二)

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2016-11-15 细胞之邦


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第三章 细胞培养的基本方法
第一节 培养细胞的细胞生物学
一、基本概念通常,体外培养的生物成分无外乎两种结构形式:
其一是小块组织或称为组织块(tissue block),一般称为外植块;
其二是将生物组织分散后制成的单个细胞,一般称为分离的细胞(isolated cell)或者分散的细胞(dissociated cell)。
分散的过程通常在培养液或平衡盐溶液中进行,分散的细胞被悬浮于培养液或平衡盐溶液中。
单个细胞分散存在于培养液或其它平衡盐溶液中、缓冲溶液中,就称为细胞悬液(cell suspension)。
狭义的细胞培养(cell culture)主要是指分离(散)细胞培养,广义的细胞培养的概念还包括单(个)细胞培养(single cell culture)。一种是群体培养(mass culture),将含有一定数量细胞的悬液置于培养瓶中,让细胞贴壁生长,汇合(confluence)后形成均匀的单细胞层;另一种是克隆培养(clonal culture),将高度稀释的游离细胞悬液加入培养瓶中,各个细胞贴壁后,彼此距离较远,经过生长增殖每一个细胞形成一个细胞集落,称为克隆(clone)。一个细胞克隆中的所有细胞均来源于同一个祖先细胞。
现今,用于疫苗生产的细胞基本有3类,即原代细胞、二倍体细胞株及传代细胞系。经过几十年的研究和发展,目前我国已经拥有了可以进行大规模疫苗生产的动物原代细胞、二倍体细胞和Vero细胞等生产技术,用于生产多种人用、动物疫苗。其中二倍体细胞(如我国70年代建立的人胚肺二倍体细胞株KMB17和2BS)对多种病毒具有广泛的敏感性,用其制备病毒性疫苗可以克服使用原代细胞时在其培养物中可能存在的各种潜在致病因子的危险,是当前病毒性疫苗生产较为理想的细胞基质。Vero细胞是1962年由日本Chiba大学的Yasumura等人从成年非洲绿猴肾中分离获得的,是一种贴壁依赖性成纤维细胞,核型为2n 60,高倍体率约为1.7%,可持续地进行培养,不含任何污染因子。通常使用199培养基添加5%胎牛血清进行培养。该细胞可用于多种病毒的增殖,已被WHO批准广泛用于人用、动物用疫苗生产。
二、体外培养细胞的分型
(一)贴附型:大多数培养细胞贴附生长,属于贴壁依赖性细胞,大致分成以下四型:
1、成纤维细胞型:胞体呈梭型或不规则三角形,中央有卵圆形核,胞质突起,生长时呈放射状。除真正的成纤维细胞外,凡由中胚层间充质起源的组织,如心肌、平滑肌、成骨细胞、血管内皮等常呈本型状态。培养中细胞的形态与成纤维类似时皆可称之为成纤维细胞。
2、上皮型细胞:细胞呈扁平不规则多角形,中央有圆形核,细胞彼此紧密相连成单层膜。生长时呈膜状移动,处于膜边缘的细胞总与膜相连,很少单独行动。起源于内、外胚层的细胞如皮肤表皮及其衍生物、消化管上皮、肝胰、肺泡上皮等皆成上皮型形态。
3、游走细胞型:呈散在生长,一般不连成片,胞质常突起,呈活跃游走或变形运动,方向不规则。此型细胞不稳定,有时难以和其他细胞相区别。
4、多型细胞型:有一些细胞,如神经细胞难以确定其规律和稳定的形态,可统归于此类。
(二)悬浮型:见于少数特殊的细胞,如某些类型的癌细胞及白血病细胞。胞体圆形,不贴于支持物上,呈悬浮生长。这类细胞容易大量繁殖。
三、培养细胞的生长和增殖过程:体内细胞生长在动态平衡环境中,而组织培养细胞的生存环境是培养瓶、皿或其它容器,生存空间和营养是有限的。当细胞增殖达到一定密度后,则需要分离出一部分细胞和更新营养液,否则将影响细胞的继续生存,这一过程叫传代(Passage或Subculture)。每次传代以后,细胞的生长和增殖过程都会受一定的影响。另外,很多细胞在体外的生存也不是无限的,存在着一个发展过程。所有这一切,使组织细胞在培养中有着一系列与体内不同的生存特点。
(一)培养细胞生命期(Life Span of Culture Cells):所谓培养细胞生命期,是指细胞在培养中持续增殖和生长的时间。体内组织细胞的生存期与完整机体的死亡衰老基本相一致。人胚二倍体成纤维细胞培养,在不冻存和反复传代条件下,可传30~50代,相当于150~300个细胞增殖周期,能维待一年左右的生存时间,最后衰老凋亡(Apoptosis)。如供体为成体或衰老个体,则生存时间较短;如培养的为其它细胞,如肝细胞或肾细胞,生存时间更短,仅能传几代或十几代。只有当细胞发生遗传性改变,如获永生性或恶性转化时,细胞的生存期才可能发生改变。正常细胞培养时,不论细胞的种类和供体的年龄如何,在细胞全生存过程中,大致都经历以下三个阶段:
1、原代培养(Primary Culture)期:也称初代培养,即从体内取出组织接种培养到第一次传代阶段,一般持续1一4周。此期细胞呈活跃的移动,可见细胞分裂,但不旺盛。初代培养细胞与体内原组织在形态结构和功能活动上相似性大。细胞群是异质的(Heterogeneous),也即各细胞的遗传性状互不相同,细胞相互依存性强。
2、传代期:初代培养细胞一经传代后便改称做细胞系(Cell Line)。在全生命期中此期的持续时间最长。在培养条件较好情况下,细胞增殖旺盛,并能维持二倍体核型,呈二倍体核型的细胞称二倍体细胞系(Diploid Cell Line)。为保持二倍体细胞性质,细胞应在初代培养期或传代后早期冻存。当前世界上常用细胞均在不出十代内冻存。如不冻存,则需反复传代以维持细胞的适宜密度,以利于生存。但这样就有可能导致细胞失掉二倍体性质或发生转化。一般情况下当传代10~50次左右,细胞增殖逐渐缓慢,以至完全停止,细胞进入第三期。
3、衰退期:此期细胞仍然生存,但增殖很慢或不增殖;细胞形态轮廓增强,最后衰退凋亡。
在细胞生命期阶段,少数情况下,在以上三期任何一点(多发生在传代末或衰退期),由于某种因素的影响,细胞可能发生自发转化(Spontaneous Transformation)。转化的标志之一是细胞可能获得永生性(Immortality)或恶性性(Malignancy)。细胞永生性也称不死性,即细胞获持久性增殖能力,这样的细胞群体称无限细胞系(Infinite Cell Line),也称连续细胞系(Continuous Cell Line)。无限细胞系的形成主要发生在第二期末,或第三期初阶段。细胞获不死性后,核型大多变成异倍体(Heteroploid)。细胞转化亦可用人工方法诱发,转化后的细胞也可能具有恶性性质。细胞永生性和恶性性非同一性状。
(二)组织培养细胞一代生存期 所有体外培养细胞,包括初代培养及各种细胞系,当生长达到一定密度后,都需做传代处理。传代的频率或间隔与培养液的性质、接种细胞数量和细胞增殖速度等有关。接种细胞数量大、细胞基数大、相同增殖速度条件下,细胞数量增加与饱和速度相对要快(实际上细胞接种数量大时细胞增殖速度比稀少时要快)。连续细胞系和肿瘤细胞系比初代培养细胞增殖快,培养液中血清含量多时细胞增殖比少时快。以上情况都会缩短传代时间。
所谓细胞“一代”一词,系仅指从细胞接种到分离再培养时的一段时间,这已成为培养工作中的一种习惯说法,它与细胞倍增一代非同一含义。如某一细胞系为第153代细胞,即指该细胞系已传代153次。它与细胞世代(Generation)或倍增〔Doubling〕不同;在细胞一代中,细胞能倍增3~6次。
细胞传一代后,一般要经过以下三个阶段:
1、潜伏期(Latent Phase):细胞接种培养后,先经过一个在培养液中呈悬浮状态的悬浮期。此时细胞胞质回缩,胞体呈圆球形。接着是细胞附着或贴附于底物表面上,称贴壁,悬浮期结束。各种细胞贴附速度不同,这与细胞的种类、培养基成分和底物的理化性质等密切相关。初代培养细胞贴附慢,可长达10~24小时或更多;连续细胞系和恶性细胞系快,10~30分钟即可贴附。细胞贴附现象是一个非常复杂和与多种因素相关的过程。支持物能影响细胞的贴附;底物表面不洁不利贴附,底物表面带有阳性电荷利于贴附。另外在贴附过程中,有一些特殊物质如纤维连接素(Fibronectin),又称LETS(Larger External Transformation Substance),细胞表面蛋白(Cell Surface Protein:CSP)等也参与贴附过程。这些物质都是蛋白类成分,它们有的存在于细胞膜的表面(如CSP),有的则来自培养基中的血清(LETS)。近年又从各种不同组织和生物成分中提取出了很多促贴附物质。贴附是贴附类细胞生长增殖条件之一。
细胞贴附于支持物后,除先经过前述延展过程变成极性细胞,还要经过一个潜伏阶段,才进入生长和增殖期。细胞处在潜伏期时,可有运动活动,基本无增殖,少见分裂相。细胞潜伏期与细胞接种密度、细胞种类和培养基性质等密切相关。初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6~24小时;细胞接种密度大时潜伏期短。当细胞分裂相开始出现并逐渐增多时,标志细胞已进入指数增生期。
2、指数增生期(Logarithmic growth Phase):这是细胞增值最旺盛的阶段,细胞分裂相增多。指数增生期细胞分裂相数量可作为判定细胞生长旺盛与否的一个重要标志。一般以细胞分裂(Mitotic Index:MI)表示,即细胞群中每1000个细胞中的分裂相数。体外培养细胞分裂指数受细胞种类、培养液成分、pH、培养箱温度等多种因素的影响。一般细胞的分裂指数介于0.1%~0.5%,初代细胞分裂指数低,连续细胞和肿瘤细胞分裂指数可高达3%~5%。pH和培养液血清含量变动对细胞分裂指数有很大影响。指数增生期是细胞一代中活力最好的时期,因此是进行各种实验最好的和最主要的阶段。在接种细胞数量适宜情况下,指数增生期持续3~5天后,随细胞数量不断增多、生长空间渐趋减少、最后细胞相互接触汇合成片。细胞相互接触后,如培养的是正常细胞,由于细胞的相互接触能抑制细胞的运动,这种现象称接触抑制(Contact Inhibition)。而恶性细胞则无接触抑制现象,因此接触抑制可作为区别正常与癌细胞标志之一。肿瘤细胞由于无接触抑制能继续移动和增殖,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,虽发生接触抑制,只要营养充分,细胞仍然能够进行增殖分裂,因此细胞数量仍在增多。但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,细胞因营养的枯竭和代谢物的影响,则发生密度抑制(Density Inhibition),导致细胞分裂停止。因此细胞接触抑制和密度抑制是两个不同的概念,不应混淆。
3、停滞期(Stagnate Phase):细胞数量达饱和密度后,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)。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。此时需做分离培养即传代,否则细胞会中毒,发生形态改变,重则从底物脱落死亡,故传代应越早越好。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。
四、原代培养:即第一次培养,是指将培养物放置在体外生长环境中持续培养,中途不分割培养物的培养过程。有几方面含义:
培养物一经接种到培养器皿(瓶)中就不在分割,任其生长繁殖;
原代培养中的“代”并非细胞的“代”数,因为培养过程中细胞经多次分裂已经产生多代子细胞;
原代培养过程中不分割培养物不等于不更换培养液,也不等于不更换培养器皿。
正常细胞培养的世代数有限,只有癌细胞和发生转化的细胞才能无限生长下去。所谓转化即是指正常细胞在某种因子的作用下发生突变而具有癌性的细胞。目前世界上许多实验室所广泛传用的HeLa细胞系就是1951年从一位名叫Henrietta Lacks的妇女身上取下的宫颈癌细胞培养而成。此细胞系一直延用至今。
原代培养的细胞一般传至10代左右就不易传下去了,细胞的生长就会出现停滞,大部分细胞衰老死亡。但是有极少数的细胞能够度过“危机”而继续传下去,这些存活的细胞一般能够传到40~50代,这种传代细胞叫做细胞株。细胞株的遗传物质没有发生改变,在培养过程中其特征始终保持。当细胞株传至50代以后又会出现“危机”,不能再传下去。但是有部分细胞的遗传物质发生了改变,并且带有癌变的特点,有可能在培养条件下无限制地传代下去,这种传代细胞称为细胞系。
原代培养是建立各种细胞系(株)必经的阶段,其是否成功与组织污染与否、供体年龄、培养技术和方法、适宜培养基的选择等多种因素有关。由于原代培养的细胞转化性极小,对病毒敏感性好,因此适应制备疫苗等生物制品;但也存在有潜在外源因子、不能事先检查标本、且受供体年龄健康状况的影响而导致批间差异大等缺陷。目前常用的原代细胞培养有鸡胚成纤维细胞及猪肾、猴肾、地鼠肾等原代细胞。
原代培养的基本过程包括取材、培养材料的制备、接种、加培养液、置培养条件下培养等步骤,在所有的操作过程中,都必须保持培养物及生长环境的无菌。
多数情况下,分散的细胞若属于贴壁依赖型细胞,就能黏附、铺展于培养器皿和载体表面生长而形成细胞单层,这种培养方式称为单层细胞培养(monolayer culture),又叫贴壁培养(adherent culture)。少数情况下,培养的细胞没有贴壁依赖性,可通过专门设备使细胞始终处于悬状态而在体外生长,这种形式称为悬浮培养(suspension culture)。如何让接种的细胞尽快贴壁,是决定培养成功的关键步骤:
取决于适当的生长基质表面;
可降低接种后培养液对细胞的浮力,如先少补加少量培养液,待细胞贴壁后再补足营养液继续培养;
注意适当的细胞接种密度,一般105个/ml左右。
五、传代培养:当原代培养成功以后,随着培养时间的延长和细胞不断分裂,一则细胞之间相互接触而发生接触性抑制,生长速度减慢甚至停止;另一方面也会因营养物不足和代谢物积累而不利于生长或发生中毒。此时就需要将培养物分割成小的部分,重新接种到另外的培养器皿(瓶)内,再进行培养。这个过程就称为传代(passage)或者再培养(subculture)。对单层培养而言,80%汇合或刚汇合的细胞是较理想的传代阶段。
体外培养技术中所谓的传“代”概念并不等于细胞生物学中“亲代细胞”与“子代细胞”中“代”的概念。传代培养的实质就是分割后再一次培养,可以相对地衡量培养物的培养年龄。
六、生长曲线:细胞接种入培养瓶后,先进入2-24h的延迟期(lag period),然后进入指数生长期(即对数期)(log phase),汇合成单层进入缓慢生长或停滞期(即平台期)(plateau lhase)。每种细胞系(cell line)的这些生长期(growth phase)都是特征性的,只要环境条件保持恒定,每一次测定结果应该是可重复的。
第二节 细胞分离技术
一、从原代组织中分离细胞 将组织块分离(散)成细胞悬液的方法有多种,最常用的是机械解离细胞法、酶学解离细胞法以及螯合剂解离细胞法。
从原代组织中获得单细胞悬液的一般方法是酶解聚。细胞暴露在酶中的时间要尽可能的短,以保持最大的活性。下列步骤可以解聚整个组织,获得较高产量的有活性细胞。
1、胰蛋白酶 (Trypsin)
在去除不需要的组织后,使用无菌的解剖刀和剪子把剩余的组织切成3~4mm小片,通过悬浮在无钙镁的平衡盐溶液中清洗组织碎片。让组织碎片沉淀,去除上清液。重复清洗2到3次。
将盛有组织碎片的容器置于冰上,去除残留的上清液。加入0.25%溶解在无钙镁的平衡盐溶液中的胰蛋白酶(100mg组织加入1ml 胰蛋白酶)。
在4℃孵育6到18小时,使几乎没有胰蛋白酶活性的酶尽可能渗透进去。
移弃组织碎片中的胰蛋白酶,在37℃孵育包含残留胰蛋白酶的组织碎片20到30分钟。
在组织碎片加入热的完全培养基,用移液管轻轻地分散组织。如果使用无血清培养基,要加入大豆胰蛋白酶抑制剂。
通过无菌不锈钢丝网(100~200mm)过滤,分散所有剩余组织。计数和接种细胞,进行培养。
2、胶原酶 (Collagenase)
用无菌解剖刀和剪子把剩余组织切成3~4mm小片,用Hanks'平衡液(HBSS)清洗组织碎片几次。
加入胶原酶(50~200单位/ml,溶解在HBSS中)。
在37℃孵育4到18小时。加入3mM CaCl2增加解离效率。
通过无菌不锈钢丝网或尼龙网过滤细胞悬液,以分离分散细胞、组织碎片和较大的碎片。如果需要进一步的解聚,在碎片中加入新鲜的胶原酶。
通过离心在HBSS中清洗悬液几次。
再一次在培养基中悬浮细胞,计数和接种细胞,进行培养。
3、Dispase
用无菌解剖刀和剪子把剩余组织切成3~4mm小片,用不含钙镁的平衡盐溶液清洗组织碎片几次。加入Dispase(0.6~2.4单位/ml 溶解在无钙镁的平衡盐溶液)在37℃孵育20分钟到几个小时。
通过无菌不锈钢丝网或尼龙网过滤细胞悬液,以分离分散细胞、组织碎片和较大的碎片。如果需要进一步的解聚,在碎片中加入新鲜的Dispase。通过离心在平衡盐溶液中清洗悬液几次。再一次在培养基中悬浮细胞,计数和接种细胞,进行培养。
二、从原培养容器中分离细胞:以下是从基层迅速分离细胞,且保持细胞完整性的一般步骤。这一步骤并不意味着对于所有细胞系的广泛应用,每一种系统最佳条件和施用浓度应该根据经验加以确定。再次培养时检测细胞的活性。细胞的活率应该超过90%对于无血清培养基,降低胰蛋白酶使用量。
1、移弃使用过的细胞培养基。
2、使用不包含有钙镁的平衡盐溶液或EDTA(ethylene diamine tetraacetic acid,乙二胺四乙酸.)清洗细胞(看表确定正确的清洗溶液)。在培养瓶对着细胞的一面加入清洗溶液,通过转动培养瓶1到2分钟清洗细胞层,然后去除清洗液。
3、以2~3ml/25cm2的量,加选择的分离液(见表)到培养瓶对着细胞的一面。确保分离液覆盖细胞层。在37℃孵育培养瓶,轻轻摇动培养瓶。通常,在5到15分钟内,细胞就会脱落。细胞分离需要的时间因细胞系不同而有所变化。仔细监测细胞分离过程,避免细胞受损伤。对难于从培养瓶基层分离的细胞系,可以轻轻敲打,以加速分离过程。
4、当细胞完全分离时,垂直放置培养瓶,让细胞流到培养瓶的底部。在培养瓶中加入完全培养基,通过移液管在单层细胞表面反复吹打来分散细胞。计数并再次培养细胞。
5、对于无血清培养基,加入大豆胰蛋白酶抑制剂。通常使用1∶1(v∶v)0.25mg/ml胰蛋白酶抑制剂到胰蛋白酶中将抑制胰蛋白酶活性。
第三节 细胞的冻存与复苏
为了防止因污染或技术原因使长期培养功亏一篑,考虑到培养细胞因传代而迟早会出现变异,有时因寄赠、交换和购买,培养细胞从一个实验室转运到另一个实验室,最佳的策略是进行低温保存。这对于维持一些特殊细胞株的遗传特性极为重要。现简要介绍深低温保存法(-70℃~-196℃)的特点。细胞深低温保存的基本原理是:在-70℃以下时,细胞内的酶活性均己停止,即代谢处于完全停止状态,故可以长期保存。细胞低温保存的关键,在于通过0~20℃阶段的处理过程。在此温度范围内,水晶呈针状,极易招致细胞的严重损伤。
一、细胞的冻存:为避免污染造成的损失,最小化连续细胞系的遗传改变和避免有限细胞系的老化和转化,需要冻存哺乳细胞。冻存细胞前,细胞应该特性化并检查是否污染。
有几种普通培养基用来冻存细胞。对于包含有血清的培养基,成分可能如下:
包含10%甘油的完全培养基,
包含10%二甲基亚砜(DMSO)的完全培养基,
50% 细胞条件培养基和50%含有10%甘油的新鲜培养基,或
50% 细胞条件培养基和50%含有10%二甲基亚砜的新鲜培养基。
对于无血清培养基,一些普通的培养基成分可能是:
50% 细胞条件无血清培养基和50%包含有7.5%二甲基亚砜的新鲜的无血清培养基,或
包含有7.5%二甲基亚砜和10%细胞培养级BSA的新鲜无血清培养基。
1、悬浮细胞
计数将要冻存的活细胞。细胞应该处于对数生长期。以大约200~400g离心5分钟沉淀细胞,使用移液管移去上清到最小体积,不要搅乱细胞。
以1×107到5×107细胞/ml密度,在包含有血清的冷冻培养基中再次悬浮细胞,或者以0.5×107到1×1027在无血清培养基中,再次悬浮细胞。
分装进冻存管,将冻存管置于湿冰上或放入4℃冰箱中,5分钟内开始冷冻步骤。
细胞以1℃/分钟进行冷冻,可以通过可编程序的冷冻器进行或者把隔离盒中的冻存管放到-70℃到-90℃的冰箱中,然后转移到液氮中贮存。
2、贴壁细胞
使用分离试剂从基层分离细胞,分离时尽可能温和,使对细胞的损伤减少到最小。
在完全生长培养基中,再次悬浮分离细胞,确定有活力细胞数。
以大约200g离心5分钟沉淀细胞。使用移液管移去上清到最小体积,不要搅乱细胞。
以5×106到1×106细胞/ml密度,在冻存液中悬浮细胞。
分装进冻存管,将冻存管置于湿的冰上或放入4℃冰箱中,5分钟内开始冷冻步骤。
细胞以1℃/分钟进行冷冻,可以通过可编程序的冷冻器进行或者把隔离盒中的冻存管放到-70℃到-90℃的冰箱中,然后转移到液氮中贮存。
二、冻存细胞的复苏:冻存细胞较脆弱,要轻柔操作。冻存细胞要快速融化,并直接加入完全生长培养基中。若细胞对冻存剂(DMSO或甘油)敏感,离心去除冻存培养基,然后加入完全生长培养基中。
1、直接铺板方法
取出贮存细胞,37℃水浴中快速融化。
直接用完全生长培养基铺板细胞。1ml冻存细胞使用10~20ml完全生长培养基。进行活细胞计数,细胞接种应该至少在3×105活细胞/ml。培养细胞12到24小时,更换新鲜的完全生长培养基,去除冻存剂。
2、离心方法
取出贮存细胞,37℃水浴中快速融化。
把1到2ml冻存细胞加入到大约25ml完全生长培养基,轻轻混匀。
以大约80x g离心2到3分钟。
弃去上清。
在完全生长培养基轻轻再次悬浮细胞,并且进行活细胞计数。
细胞铺板,细胞接种应该至少为3×105活细胞/ml。
三、细胞的分化、衰老与死亡
1、细胞的分化:一个成年人全身细胞总数约1012个,可以区分为200多种不同类型的细胞:形态结构,代谢,行为,功能等各不相同。追根溯源,这么多种细胞均来自一个受精卵细胞。所以,通常把发育过程中,细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化。细胞分化发生在胚胎阶段,也发生在胎儿出生以后,乃至成人阶段。例如,人体血细胞的产生和分化,这个过程在人的一生中一直持续着。
由旺盛生长不断分裂的细胞,转入分化,通常从细胞周期中G1期开始时一个确定的点G0点“逃逸”出细胞周期。旺盛生长分裂的细胞和各种分化了的细胞,它们的基因表达和代谢活动各不相同。
2、细胞的衰老:体外细胞培养实验证明:
成纤维细胞:来自胎儿传代50次后衰老死亡,来自成人传代20次后衰老死亡(与具体年龄有关);来自小鼠传代14--28次后衰老死亡,来自乌龟传代90--125次后衰老死亡。
细胞衰老过程中会发生一系列的变化,包括:蛋白质合成速度降低,已有蛋白质结构变化,特异蛋白质成份出现;同时,细胞核,线粒体,膜系统、骨架系统等都有结构、功能的改变。
细胞衰老原因,尚无定论,出现过好几种理论与假说,其中得到较广泛认可的是“自由基损伤假说”。
3、细胞凋亡:细胞的死亡是个体存活的正常现象,常见的细胞死亡形式有3种:坏死、凋亡和细胞毒性。多细胞生物的生命活动中,因为环境因素的突然变化或病原物的入侵,导致一部分细胞死去,称为细胞的病理死亡,或细胞坏死。坏死是细胞暴露于严重的物理或化学刺激时导致的细胞死亡;细胞毒性是由细胞或者化学物质引起的单纯的细胞杀伤事件,不依赖于其它两种细胞死亡机理,如杀伤T细胞的细胞毒性作用。
还有一种情况,一部分细胞的死亡是生物个体正常生命活动(代谢、生长、发育、分化)的一个必要部分;似乎带有“牺牲局部,保全整体”的意味。这种情况下的细胞死亡,明显地受遗传控制,称为细胞凋亡。 凋亡(Apoptosis)则是程序性的、正常的细胞死亡,是机体清除无用的或者不想要的细胞的手段。它与细胞坏死是两个截然不同的过程,无论从形态学、生物学还是生化的特征来说,都有明显的区别。细胞凋亡现象普遍存在于生物界。细胞凋亡与细胞增殖、分化和衰老起着互补与平衡的作用,在多细胞动物的发育、形态建成与维持中扮演至关重要的角色。作为细胞的一种基本生命现象,凋亡失控的结果将是可怕的:凋亡不足时,易发生癌变、病毒性疾病和自身免疫疾病;而凋亡过量则可能产生获得性免疫缺陷综合征(HIV)、重症肝炎与退行性神经疾病,如老年性痴呆症(Alzheimer's disease)、帕金森氏症(Parkinson's disease)。因此研究细胞凋亡及其机理具有重要的理论和实践意义。
细胞凋亡与坏死的区别
坏死 :
形态学特征-膜完整性丧失,胞浆和线粒体膨胀,全细胞裂解。
生化特征-离子内环境失调:非能量依赖性的(被动过程,在4°C也可以发生),随机消化DNA(电泳显示为DNA弥散状态),Postlytic DNA断裂。
生理学特征-影响群组细胞:由非生理学因素引起(如补体攻击、代谢中毒、缺氧等),被巨噬细胞吞噬,周围有明显的炎症反应。
凋亡 :
形态学特征-胞膜出芽,但保持完整,染色体聚集在核膜周边,胞浆收缩、细胞核凝集,最后细胞分裂为凋亡小体,Bcl-2家族蛋白导致线粒体膜通透性增加。
生化特征--ATP依赖性的(主动过程,在4°C不能发生),以核小体为单位剪切DNA(电泳显示为DNA ladder),Prelytic DNA 断裂,线粒体释放多种因子至胞浆中(细胞色素c、AIF),Caspases级联活化,膜对称性改变(PS外翻)
生理学特征--只影响单个细胞,由生理学刺激诱导(如生长因子缺乏、激素环境改变等),被临近细胞和巨噬细胞吞噬,无炎症反应。
第四节 细胞计数及活力测定
一、原理 培养的细胞在一般条件下要求有一定的密度才能生长良好,所以要进行细胞计数。计数结果以每毫升细胞数表示。细胞计数的原理和方法与血细胞计数相同。
在细胞群体中总有一些因各种原因而死亡的细胞,总细胞中活细胞所占的百分比叫做细胞活力,由组织中分离细胞一般也要检查活力,以了解分离的过程对细胞是否有损伤作用。复苏后的细胞也要检查活力,了解冻存和复苏的效果。
用台盼兰染细胞,死细胞着色,活细胞不着色,从而可以区分死细胞与活细胞。利用细胞内某些酶与特定的试剂发生显色反应,也可测定细胞相对数和相对活力。
二、仪器、用品与试剂
1、仪器与用品:普通显微镜、血球计数板、试管、吸管、酶标仪(或分光光度计)
2、试剂:0.4%台盼兰,0.5%四甲基偶氮唑盐(MTT)、酸化异丙醇
3、材料:细胞悬液
三、操作步骤
(一)细胞计数
1、将血球计数板及盖片用擦试干净,并将盖片盖在计数板上。
2、将细胞悬液吸出少许,滴加在盖片边缘,使悬液充满盖片和计数板之间。
3、静置3分钟。
4、镜下观察,计算计数板四大格细胞总数,压线细胞只计左侧和上方的。然后按下式计算:
细胞数/ml=4大格细胞总数/ 4×10000
注意:镜下偶见由两个以上细胞组成的细胞团,应按单个细胞计算,若细胞团占10%以上,说明分散不好,需重新制备细胞悬液。
(二)细胞活力
1、将细胞悬液以0.5ml加入试管中。
2、加入0.5ml 0.4%台盼兰染液,染色2一3分钟。
3、吸取少许悬液涂于载玻片上,加上盖片。
4、镜下取几个任意视野分别计死细胞和活细胞数,计细胞活力。
死细胞能被台盼兰染上色,镜下可见深兰色的细胞,活细胞不被染色,镜下呈无色透明状。
活力测定可以和细胞计数合起来进行,但要考虑到染液对原细胞悬液的加倍稀释作用。
(三)MTT法测细胞相对数和相对活力
活细胞中的琥珀酸脱氢酶可使MTT分解产生兰色结晶状甲赞颗粒积于细胞内和细胞周围。其量与细胞数呈正比,也与细胞活力呈正比。
l、细胞悬液以1000rpm离心10分钟,弃上清液。
2、沉淀加入0.5-1ml MTT,吹打成悬液。
3、37℃下保温2小时。
4、加入4—5 ml酸化异丙醇(定容)。打匀。
5、1000 rpm离心,取上清液酶标仪或分光光度计570nm比色,酸化异丙醇调零点。
注意:MTT法只能测定细胞相对数和相对活力,不能测定细胞绝对数。
第五节 细胞的分裂指数
一、原理:体外培养细胞生长、分裂繁殖的能力,可用分裂指数来表示。它与生长曲线有一定的联系,如随着分裂指数的不断提高,细胞也就进入了指数生长期。分裂指数指细胞群体中分裂细胞所占的百分比,它是测定细胞周期的一个重要指标,也是不同实验研究选择细胞的重要依据。
二、仪器、用品与试剂
1、仪器与用品:CO2培养箱、普通显微镜、细胞培养血、盖玻片、吸管
2、试剂:培养液、胰酶、甲醇、冰醋酸、Giemsa染液
三、操作步骤
1、消化细胞,将细胞悬液接至内含盖玻片的培养皿中。
2、CO2培养箱中培养48小时,使细胞长在盖片上。
3、取出盖片,按下列顺序操作:
PBS漂洗3分钟→甲醇:冰醋酸=3:1固定液中固定30分钟→Giemsa液染色10分钟→自来水冲洗。
4、盖片晾干后反扣在载玻片上,镜检。
5、计算:
分裂指数=分裂细胞数/总细胞数×100%
四、注意事项;操作时动作要轻,以免使盖片上的细胞脱落。
第六节 细胞周期的测定
一、原理:细胞周期指细胞一个世代所经历的时间。从一次细胞分裂结束到下一次分裂结束为一个周期。细胞周期反应了细胞增殖速度。
单个细胞的周期测定可采用缩时摄影的方法,但它不能代表细胞群体的周期,故现多采用其他方法测群体周期。测定细胞周期的方法很多,有同位素标记法、细胞计数法等,这里介绍一种利用BrdU渗入测定细胞周期的方法。
BrdU(5-溴脱氧尿嘧啶核苷)加入培养基后,可做为细胞DNA复制的原料,经过两个细胞周期后,细胞中两条单链均含BrdU的DNA将占l/2,反映在染色体上应表现为一条单体浅染。如经历了三个周期,则染色体中约一半为两条单体均浅染,另一半为一深一浅。细胞如果仅经历了一个周期,则两条单体均深染。计分裂相中各期比例,就可算出细胞周期的值。
二、仪器、用品与试剂
1、仪器、用品:同常规细胞培养
2、试剂:BrdU(1.0mg/ml),甲醇、冰醋酸,Giemsa染液,秋水仙素,2×SSC液
三、操作步骤
1、细胞生长至指数期时,向培养液中加入BrdU,使最终浓度为10μg/ml。
2、44小时加秋水仙素,使每ml中含0.1μg。
3、48小时后常规消化细胞至离心管中,注意培养上清的漂浮细胞也要收集到离心管中。
4、常规染色体制片(见第三部分:染色体技术)。
5、染色体玻片置56℃水浴锅盖上,铺上2×SSC 液,距紫外灯管6cm处紫外照射30分钟。
6、弃去2×SSC液,流水冲洗。
7、Giemsa液染色10分钟,流水冲洗,晾干。
8、镜检100个分裂相,计第一、二、三、四细胞期分裂指数。
9、计算:
细胞周期(Tc)=48/{(M1+2M2+3M3+4M4)/100}(小时)
第七节 培养物的污染及防止
按现代的观念,凡是混入培养环境中对细胞生存产生有害的成分和造成细胞不纯的异物都应该视为污染。根据这一概念,组织培养污染物应包括生物(真菌、细菌、病毒和支原体)、化学物质(影响细胞生存、非细胞所需的化学成分)、细胞(非同种的其他细胞)。其中一微生物最为多见。另外,随着使用细胞种类增多,不同细胞交叉污染,尤其是Hela细胞的污染也时有发生,从而造成细胞不纯。
一、污染途径 污染物,特别是微生物常通过下列途径进入培养体系,造成污染
1、空气:空气是微生物及尘埃颗粒传播的主要途径。空气流动性大,如果培养操作场地于外界隔离不严格或消毒不充分,外界不洁空气很容易进入造成污染。因此,培养设施不能设在通风场所。无菌操作应在净化台内进行,工作时要带口罩,以免因讲话、咳嗽等使外界污染进入操作面,造成污染。
2、器材:各种培养器皿、器械消毒不彻底和洗刷不干净导致污染,另外需要对培养箱进行定期消毒,防止形成污染
3、操作:实验操作无菌观念不强,技术不熟练,使用污染的器皿或封瓶不严等,都可以造成污染。培养两种细胞以上时,操作不规范,交叉使用吸管或培养液、瓶等有可能导致细胞交叉污染。
4、血清:有些血清在生产时就已经被支原体或病毒等污染,变成了污染。
5、组织样本:原代培养的污染多数来源于组织样本;取材时碘酒消毒后脱碘不彻底,可造成碘混入组织,细胞或培养液中,影响细胞细胞生长。
二、污染对培养细胞的影响及污染的检测
由于体外培养细胞自身没有抵抗污染的能力,而且培养基中的抗生素抗污染能力有限,因而培养细胞一旦发生污染多数将无法挽回。细胞污染早期或污染程度较轻时,如果能及时去除污染物,部分细胞有可能恢复、但是当污染物持续存在培养环境中,轻者细胞生长缓慢,分类象减少,细胞变得粗糙,轮廓增强细胞浆出现颗粒、污染较严重,细胞增值停止,分裂象消失,细胞质中出现大量堆积物,细胞变圆、脱壁。
(一)细菌污染对培养细胞的影响及污染物的检测
常见的污染细菌有大肠杆菌、假单孢菌、葡萄球菌等。细菌污染初期由于培养体系的抗生素作用, 其繁殖处于抑制状态,细胞生长不受明显影响,污染情况用倒置显微镜观察不易判断。怀疑培养细胞有细菌污染时,取10ml细胞悬液离心1000转5分钟,沉淀中加入无抗生素培养液2ml,将细胞放培养箱培养。
如果培养无真的细菌污染,24小时内可以获得阳性结果。当污染的细菌量比较大或者细菌增殖到一定基数时,大约每20分钟一代,会使培养系统中很快产生大量细菌,后者不仅可以消耗培养系统中的养分,还能释放大量代谢产物。几个小时后,增殖的细菌就可以导致培养液外观浑浊,肉眼就可以判断。细菌污染大多数可以改变培养液pH,使培养液变浑浊、变色。用相差显微镜观察,可见满视野都是点状的细菌颗粒,原来的清晰培养背景变得模糊,大量的细菌甚至可以覆盖细胞,对细胞的生存构成威胁。用青霉素、链霉素可以预防细菌污染有效。
(二)真菌污染对细胞的影响及污染物的检测
微生物污染中以真菌最多,真菌种类繁多,形态各异,但是污染后易于发现,大多呈白色或浅黄色小点漂浮于培养液表面,肉眼可见;有的散在生长,镜下可见呈丝状、管状、树枝状,纵横交错穿行于细胞之间。念珠菌和酵母菌卵圆形,散在细胞周边和细胞之间生长。真菌生长迅速,能在短时间内抑制细胞生长、产生有毒物质杀死细胞。抗真菌制剂对预防和排除真菌污染有效。
(三)支原体污染对细胞影响及污染物的检测
细胞培养(特别是传代细胞)被支原体污染是个世界性问题,是细胞培养最常见的、干扰试验结果的一种污染。但由于不易被察觉,有些污染的细胞仍在被应用。研究表明,95%以上是以下四种:口腔支原体(M.orale)、精氨酸支原体(M.arginini)、猪鼻支原体(M.hyorhinis)和莱氏无胆甾原体(A.laidlawii),为牛源性。以上是最常见的污染细胞培养的支原体菌群,但能够污染细胞的支原体种类是很多的,国外调查证明,大约有二十多种支原体能污染细胞,有的细胞株可以同时污染两种以上的支原体。据查,目前各实验室使用的二倍体细胞和传代细胞中约有11%的细胞受到支原体污染。
污染来源包括工作环境污染、操作者本身污染(一些支原体在人体是正常菌群)、培养基污染、污染支原体的细胞造成的交叉污染、实验器材带来的污染和用来制备细胞的原始组织或器官的污染。支原体污染后,因为它们不会使细胞死亡可以与细胞长期共存,培养基一般不发生浑浊,细胞无明显变化,外观上给人以正常感觉,实则细胞手到多方面潜在影响,如引起细胞变形,影响DNA合成,抑制细胞生长等。
细胞培养中,主要从以下几个方面来预防支原体的污染:控制环境污染;严格实验操作;细胞培养基和器材要保证无菌;在细胞培养基中加入适量的抗生素。
支原体污染细胞后,特别是重要的细胞株,有必要清除支原体,常用方法有抗生素处理、抗血清处理、抗生素加抗血清和补体联合处理。支原体最突出的结构特征是没有细胞壁,一般来讲,对作用于细胞壁生物合成的抗生素,如 -内酰胺类、万古霉素等完全不敏感;对多粘菌素(polymycin)、利福平、磺胺药物普遍耐药。对支原体最有抑制活性及常用于支原体感染治疗的抗生素是四环素类、大环内酯类及一些氟喹诺酮;其他类抗生素如氨基糖苷类、氯霉素对支原体有较小抑制作用,所以常不用来作为支原体感染的化学治疗剂。
(四)细胞交叉污染对细胞的影响及污染物的检测
细胞培养中,细胞间交叉污染并不罕见,多是由于在培养中操作时各种细胞同时进行,混杂使用器皿和液体所致,这种污染能使细胞的生长特性、形态特征等发生变化,有些变化较轻、不易察觉,有些可能由于污染的细胞具有生长优势最终压过原来细胞而导致细胞的生长抑制,最终死亡。常用观察细胞形态学、分析生长特性和核型、检测细胞的标记物等方法检测交叉污染的细胞。
三、污染的预防:防止污染,预防是关键,预防措施应该贯穿整个细胞培养的始终。



文章来源:丁香通


文章分类: 行业新闻
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