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課堂 | 哺乳動物細胞培養形態學和細胞類型/組織的介紹

徠卡顯微系統

2023.5.05

哺乳動物細胞培養是生命科學的基本支柱之一。如果不具備在實驗室中培養細胞的能力，那么細胞生物學、免疫學、腫瘤研究等學科很難實現快速發展。本文概述了哺乳動物細胞培養系統，可以根據其形態、細胞類型和組織對其進行分類。此外，還介紹了適宜的細胞生長條件以及需要使用何種顯微鏡來觀察細胞。?

形態學

哺乳動物細胞培養系統可根據幾種不同的特征進行細分。最明顯的特征是細胞的形態。根據顯微鏡下觀察到的外觀，我們可以區分成纖維細胞或成纖維細胞樣細胞、上皮樣細胞和淋巴母細胞樣細胞。

成纖維細胞或成纖維細胞樣細胞為雙極或多極細胞，呈細長形（圖1）。它們生長附著在細胞基質上，并經常對齊成平行排列。在活生物體中，成纖維細胞分泌細胞外基質，并且是結締組織的一部分。此外，神經元細胞由于其多極形狀而可以排列在成纖維細胞樣細胞中。

上皮樣細胞呈多邊形，一般尺寸較為規則，貼附在基質上呈散斑片狀生長（圖1）。上皮樣細胞的細胞膜在不同子區域間表現為完全不同的結構與功能，頂膜面對培養基，而基底外側膜在單個細胞和培養容器之間擴散。兩個膜結構域均通過緊密連接而分開。在體內，上皮細胞排列在身體結構上。

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

圖1：哺乳動物細胞可根據其形態進行區分。成纖維細胞（左）呈雙極或多極形狀。上皮樣細胞（中間）尺寸更為規則，淋巴母細胞樣細胞（右）為圓形，懸浮生長。

細胞類型

哺乳動物細胞培養系統的另一個區別是使用的細胞類型。根據其起源，細胞可細分為永生化細胞系、原代細胞和干細胞（包括患者特異性細胞）。

使用中最常見的細胞類型可以追溯到永生化細胞，這些細胞要么來源于癌組織，要么轉染了癌基因。由于它們的惡性本質，它們將無限分裂。這一事實使得它們作為細胞系非常易于培養。具有穩健性，并且可以負擔。

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

圖2：HeLa細胞屬于永生化細胞系。

原代細胞直接取自活組織。培養時，將原始組織片段通過酶解、化學或機械解離成單細胞，可接種于培養瓶中。原代細胞比永生化細胞系更難培養。原代細胞的存活率很低，很多沒有分裂。而且，它們的遺傳操作可能具有挑戰性。然而，因為它們的特征更接近自然細胞，所以遺傳操作是有意義的。換句話說，用原代細胞獲得的科學結果可以更有把握地轉化為體內世界。

圖3：原代神經元細胞培養。

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

干細胞的來源各不相同。通常它們是從胚胎中獲取，稱為胚胎干細胞。其他可以從某些組織中提取，例如骨髓中含有造血干細胞。這些類型的細胞稱為“組織特異性”或“成體”干細胞。由于倫理問題，從活體動物或人類中獲得干細胞很難證明其合理性。因此，人們對誘導已經分化的機體細胞轉化為干細胞的機上產生了很多興趣。體細胞只能通過轉染4個基因(c-Myc、klf-4、oct-4、sox-2)進行重編程，得到所謂的誘導多能干細胞 (iPSC)。

雖然與干細胞合作具有挑戰性，但它們給了研究人員最高的靈活性。像某些營養物質和生長因子一樣，根據細胞培養基中包含的成分，干細胞可以被觸發，發育成一種截然不同的細胞類型，例如神經元。

因為研究人員能夠獲得疾病特異性甚至患者特異性細胞來尋找治愈方法，誘導多能干細胞具有非常重要的意義，尤其是在臨床環境中。這種個性化醫療有望提供非常有效的療法。

細胞培養組織

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

培養細胞最簡單的方法是在普通培養皿中，細胞在單層細胞的底部生長（圖4）。這樣的單一培養單一細胞類型操作簡單。因此，HeLa、MDCK、HEK等細胞在經典容器中培養，幾乎可以在每個細胞生物學實驗室中找到它們。另一方面，2D單培養也是人工最常用的維持細胞方式。有兩個主要論點支持這一結論：1）在活生物體中，細胞在三維中生長。2）它們的生長與其他細胞類型相關。

更接近自然的一步將是在二維上共培養幾種細胞類型。共培養細胞系的示例為神經元原代培養物，即神經膠質細胞與神經元一起生長（圖4）。

細胞生物學家要應用某些技巧來進入3D世界。其中之一是移除細胞，使之不粘附在底物上。這可以通過使用具有特殊涂層的細胞培養容器，或使用基質膠（例如Matrigel?），或通過在“懸滴”中培養細胞來實現。簡而言之，如果細胞不能粘在培養器皿上，它們就會相互粘在一起。因此，幾千個單細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，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，球體常用于發現藥物，因為它們精確地模擬了無血管腫瘤。

圖4：哺乳動物細胞培養組織可細分為幾類。最簡單的方式是在二維（a）中培養單個細胞類型。通過在二維（b）共培養幾種細胞類型，可以達到更自然的狀態。對于3D細胞培養，細胞必須生長于特殊容器或基質中（c）。幾種細胞類型的3D培養是最現實的模型系統（d）。

另一種在3D環境中培養細胞的更現實的方法是使用支架。由金屬、聚合物或陶瓷制成的基質可用于幫助細胞蠕變成三維形式。這些支架可用作臨床植入物或用于實驗室。

在器官芯片中實現了一種類似的原理，器官芯片由定植于各種細胞類型的微流控裝置組成。微流控裝置可以有多個腔室，可以連續灌注。通過這種排列，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致產生與自然具有驚人相似性的人工結構，例如模擬呼吸或轉移等動態過程。

另一個非常現實的細胞培養組織是基于干細胞，在細胞外基質凝膠內存在不同生長因子的情況下進行培養。根據生長因子的類型（如成纖維母細胞生長因子、表皮生長因子等）和其他成分干細胞發育成類器官的迷你器官（圖4）。它們與“成熟”的對應物非常相似，表現出器官型發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育或發明藥物和毒理學研究。

生長條件

哺乳動物細胞培養物必須維持在37 ℃的溫度下。它們通常在特殊一次性塑料容器中培養，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。還有開發用于大規模生產疫苗或蛋白質的細胞工廠（圖6）。使用細胞培養物意味著在無菌條件下進行操作，例如在潔凈工作臺上使用抗生素。此外，必須為其提供含有營養物質和生長因子的適當培養基。其中包括：

葡萄糖

丙酮酸鈉

氨基酸

維他命

無機鹽

水

由于其不穩定性，氨基酸谷氨酰胺通常以穩定形式加入。蛋白質、脂質或生長因子通常以胎牛血清的形式進行補充。

細胞的代謝產物使培養基酸化。因此，使用緩沖系統維持平衡pH值（約7.4）。通常通過指示劑酚紅監測pH值。一般使用碳酸氫鹽(HCO3-)緩沖液。它們結合質子（H+離子）的能力取決于周圍的CO2水平。為此，細胞培養培養箱通常提供CO2。HEPES緩沖液不依賴于CO2，通常用于不適用CO2孵育活的細胞顯微鏡檢查。

圖5：通常用于哺乳動物細胞培養的容器（左）。一些顯微鏡為各種容器提供了帶有專用固定框架的物鏡導軌（右）。

細胞培養和顯微鏡檢查

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

圖6：只有倒置顯微鏡（物鏡位于樣品下方，聚光鏡位于樣品上方）才能保證物鏡的位置足夠靠近樣品。此外，這種設置需要在標本上方保留更多的空間，才可以將整個細胞工廠放到載物臺上。

為了解細胞培養物的總體狀態，放大100-200倍即可。哺乳動物細胞的低內在對比度要求顯微鏡提供特定的對比度方法。相差和調制相差是最常見的，而微分干涉對比（DIC）與通常用于細胞培養的塑料容器不兼容（圖7）。

圖7：哺乳動物細胞固有的對比度較低，簡單的明場顯微鏡（左）觀察效果不佳。相差（中間）等對比度方法能夠實現清晰的可視化。對于熒光顯微鏡檢查（右），成像前必須用熒光標記物轉染細胞。

通過這種基本設備，研究人員可以判斷細胞數量和融合情況（圖8）。后者描述了培養容器中的定植程度(%)。根據融合情況，必須將細胞傳代培養到更多容器中。?

圖8：細胞融合表示為細胞過度生長的面積百分比。這些圖像上列從左到右顯示：15%融合、60%融合和100%融合。下列是Leica最新推出的Mateo TL自帶的匯合度分析功能，能以統一的標準來判斷匯合度，從而最大程度減少主觀誤差。

如果研究人員不僅想快速查看細胞，還想記錄細胞培養狀況，那么一臺配備了相機的顯微鏡是必要的。而且，哺乳動物細胞經常轉染熒光蛋白的基因。為了檢查轉染率，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的濾色片。?

參考文獻：（上下滑動查看更多）

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