细胞培养基发展史(一):起源与探索

发布于 2024-12-27 09:00:19

细胞培养基是细胞生物学实验过程中,常用的科研试剂,是大规模体外培养和繁殖细胞的重要工具。适宜的细胞培养基,提供了细胞所需的营养物质、生长因子和环境条件。不同类型的细胞需要的培养基可能会有所不同。

细胞培养基的起源

在过去的几十年中,科学家们已经开发出多种不同种类的细胞培养基,以满足不同细胞类型和研究需求。

16世纪末



简易显微镜的发明使得人类能够观察到微生物,这为微生物研究奠定了基础‌。



17世纪80年代

列文虎克使用自制显微镜观察各种物质,发现了许多“活的小动物”,并发表在《皇家学会哲学学报》上,这标志着微生物学的开始‌。



‌1859年



巴斯德设计了著名的曲颈瓶实验,证明微生物在腐败食品中并非自发产生,并使用了有机物水浸液作为世界上第一个天然培养基‌。



1885年

Wilhelm Roux开展了一项具有划时代意义的实验,他将鸡胚神经组织放置于温盐水中,成功地维持了细胞在体外的短暂存活。这是有记录以来最早的组织细胞体外培养,为后续组织提取液培养基的出现奠定了基础。



1907年



Harrison在无菌环境下以淋巴液为培养基培养蛙胚神经成功,创立了体外培养方法。


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此后科学家陆续开展了对于维持细胞生长的营养成分的研究,由于当时对细胞生长所需的精确营养物质和环境条件知之甚少,并没有稳定的发展起来,但这些为合成细胞培养基阶段打下了一定的基础,为后续培养基的开发指明了方向,提供了原始的灵感与实践依据。


天然培养基的初步探索

进入 20 世纪初,科学家们在细胞培养实践中逐渐意识到,细胞的茁壮成长离不开特定的营养成分供给。于是,天然培养基开始登上历史舞台。

天然培养基是一类利用动物体、植物体或微生物体包括用其提取物制成的培养基,其特点是成分复杂、营养丰富,但不知其确切的化学组分的培养基,在细胞培养领域有着深厚的历史渊源,其发展历程犹如一部逐步揭开细胞营养奥秘的编年史册。

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血清:尤其是胎牛血清和马血清,含有成纤维细胞生长因子(FGF)、表皮生长因子(EGF)等,能够刺激细胞的增殖与分化。此外,激素、氨基酸、维生素等成分也一应俱全,为细胞在体外环境中的生存提供了全面而有力的支持。还包含了大量的蛋白质,如白蛋白、球蛋白等,这些蛋白质不仅为细胞提供了结构构建的基础材料,还在维持细胞渗透压、运输营养物质等方面发挥着重要作用。

组织提取物:尤其是胚胎提取物,其具有独特的生物学特性,处于高度活跃的生长发育阶段,蕴含着丰富的生长促进因子和信号分子。这些因子能够精准地调控细胞的增殖、分化以及组织器官的形成过程。此外,在神经细胞培养方面,组织提取液中的神经营养因子能够特异性地促进神经细胞的存活、生长和轴突延伸,因此组织提取液培养基在神经科学研究等领域有一定的应用价值。

天然培养基从萌芽到逐步应用

1910年



Alexis Carrel 和 Montrose T. Burrows 使用鸡血浆成功地长期培养了鸡胚胎细胞,随后也用于培养哺乳动物细胞,这一发现使血浆成为当时多种细胞培养常用的培养基成分。



1913年

Carrel 又有了重要发现,他在用于培养鸡胚心脏成纤维细胞的血浆中添加胚胎提取物,发现细胞增殖增加,在培养中的存活时间更长,此后科学家们开始研究淋巴、血浆和胚胎提取物中促进细胞生长的成分,试图开发成分明确的培养基。



1958年



Theodore Puck 使用胎牛血清成功地在体外长期培养细胞,此后胎牛血清在全球范围内被广泛用于细胞和组织培养,并一直沿用至今。胎牛血清含有丰富的营养物质,如氨基酸、蛋白质、维生素、碳水化合物、脂质、激素、生长和附着因子、无机盐和微量元素等,这些成分对细胞生长至关重要。



20 世纪 50 年代

Parke、Eagle 等人设计出化学成分明确的合成培养基,如 MEM 培养基和 DMEM 培养基等,合成培养基的出现为细胞培养提供了更加稳定和可重复的条件。

然而,人们发现单纯的合成培养基并不能完全替代组织提取液中的某些营养成分和生长因子,因此在合成培养基中添加适量的血清等组织提取液成分成为当时细胞培养的常用方法,这种结合方式在一定程度上弥补了合成培养基的不足,提高了细胞培养的效果。

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天然培养基的局限性

然而,随着细胞培养技术的不断发展和应用领域的逐渐拓展,天然培养基的局限性也日益凸显。其成分的高度复杂性成为了一把双刃剑。一方面,丰富的营养成分确实为细胞提供了良好的生长环境;另一方面,这种复杂性导致了天然培养基质量的不稳定性。

不同批次的血清或组织提取物在营养成分的种类、含量以及活性水平上往往存在着较大的差异。这种差异使得细胞培养实验的结果难以精确重复,给科学研究带来了诸多困扰。例如,在进行药物筛选实验时,由于血清批次间的差异,可能会导致相同药物在不同实验批次中对细胞产生截然不同的作用效果,从而影响对药物疗效和安全性的准确评估。

总结:天然培养基的历史地位与深远意义

尽管天然培养基存在诸多问题,但它在细胞培养的历史进程中无疑扮演了极为重要的角色。它是细胞培养技术从无到有、从起步到初步发展的关键支撑。

在合成培养基尚未出现之前,天然培养基几乎是细胞培养的唯一选择,为众多基础细胞生物学研究成果的取得提供了不可或缺的平台。即使在合成培养基得到广泛应用的今天,天然培养基在某些特殊细胞类型的培养或特定研究领域中仍然具有不可替代的地位。

总之,天然培养基的发展历程是一个充满探索与发现、机遇与挑战的过程。它见证了科学家们对细胞营养需求的不断深入理解,也为现代培养基的研发提供了宝贵的经验教训。

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