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细胞培养那些事:14个你不知道的冷知识

【字体: 时间:2020年04月16日 来源:基因有限公司

编辑推荐:

  细胞培养作为不可或缺的工具,从20世纪出现至今经历了巨大的变化。让我们通过下面14个冷事实为您展现细胞生物学的过去,现在和未来。

细胞培养作为不可或缺的工具,从20世纪出现至今经历了巨大的变化。从60多年前基础培养基DMEM的诞生到今天细胞培养成为生物医药、组织工程和再生医学主流研究中不可或缺的部分,难以想象,如果没有了细胞培养技术,生命科学研究将会是什么样子。让我们通过下面14个冷事实为您展现细胞生物学的过去,现在和未来:

1. 青蛙神经细胞是**种被成功分离培养的细胞

美国动物学家Ross Granville Harrison是**位成功在体外培养动物细胞的研究者。1907年,他把细菌学中的悬滴法应用在了动物组织培养上,把青蛙的神经母细胞培养在了淋巴培养液中[1]。

2. 超过32,000篇文章基于无法溯源的细胞系

未知来源细胞系的使用在生命科学研究中是一个很普遍的问题。有研究表明,超过32,000篇文章的数据都是用未验证细胞做出来的。不仅如此,这些文章的引用次数高达50万次,导致这种“被污染”的研究成果波及范围越来越广[2]。


图1:图中所示的时间点包括首次报道细胞系错误识别,被HeLa细胞的污染的主要细胞系名单发布和引入短串联重复序列(STR)分析进行细胞系鉴定[2]。

3. 超过半数研究员无法重复出实验结果

一份来自《自然》杂志的调查研究显示[3],在超过1500名被调查研究人员中 ,大约70%的人表示无法重复出别人的实验,有一半的人甚至无法重复出自己的实验。


图2:2016年《自然》杂志上的一个调查显示,参与调查的90%的科研人员认为有重复性危机,当中52%的受访者认为情况十分严重。

4. **个永生细胞系HeLa是在供主不知情的情况下获得的

**株的人源细胞系HeLa,是1951年从患有宫颈癌的非裔美国女性Henrietta Lacks的肿瘤活体组织获得的。然而在1975年之前,对于肿瘤组织和该细胞系的获取和使用,她本人或家人并不知情。这件事引起了生物医药研究中,对病人隐私和权益的担忧。直到2013年,Henrietta Lacks去世的60多年后,NIH和她的后人才达成了对HeLa细胞系及其基因组信息的使用协议[4]。


Henrietta Lacks和她的丈夫

5. 大约25%的细胞系污染来源于HeLa细胞

1967年,美国华盛顿大学科学家Stanley Michael Gartler收集了20个不同的人源细胞系进行分析研究。他通过分析葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 (G6PD) 和磷酸葡萄糖变位酶 (PGM)的多态性发现,全部细胞系都有一样的表型,代表有着相同的基因。Gartler发现,本来应该只存在于非裔后代的G6PD等位基因表型,却在高加索人(白人)的细胞系中也检测到一样的基因。这个发现促使Gartler得出结论:研究涉及的细胞系都被HeLa细胞污染了,或者竞争不过HeLa细胞而被同化了[5]。这个发现让当时设计细胞研究数据的科研一度陷入尴尬,直到今时今日,还有24%的人源细胞系被HeLa污染了[6]。

6. 培养基历史:**个现代培养基诞生于60年前

1950年由J.F. Morgan研发的Medium 199是*早用于培养哺乳动物细胞的合成培养基之一[7]。Medium 199不含动物源成分且化学限定,是疫苗生产的理想培养基,让1955年小儿麻痹症疫苗的大规模生产成为可能。9年后,Harry Eagle发明的minimum essential medium (MEM)培养基才问世[8]。

7. 培养基中的各种成分会相互影响,*终影响细胞状态

当您需要优化培养基成分时,除了要考虑各成分的功能以外,还需要考虑:不同成分之间是否会相互影响,而并不会单独起作用,因此*终效果可能会难以预测。特别是替换动物血清的时候 [9,10]。

8. 科学家利用ips全能干细胞成功在体外培育出人脑

2013年《自然》杂志上发表了一个突破性研究成果,Madeleine Lancaster博士和她的团队利用人体全能干细胞、三维支架和生物旋转仪,成功在体外培养出了类人脑器官,又叫做“迷你脑”。这些类器官含有不同的神经细胞,而且结构和哺乳动物的大脑相似[11]。该团队在2018年更是通过引入致癌的基因突变,成功在“迷你脑”中诱导出了肿瘤[12]。该发现为干细胞治疗相关研究带来了更多可能性。


图3:利用全能干细胞在体外长出“迷你脑”的实验流程图。

9. 2003年是3D生物打印标志性的一年

一次偶然的机会,美国德克萨斯州大学的生物工程师发现喷墨式打印机喷出的液滴大小和人的细胞接近。这个发现促使他把打印机墨盒里的液体换成了活的牛细胞、营养物和其他兼容的生物成分,做成了可“打印”出活组织的生物打印机[13]。

10. 以色列研究人员利用病人脂肪组织成功3D打印出人的心脏

2019年的4月,以色列特拉维夫大学的Tal Dvir 和他的团队从病人身上获得网膜活体组织,然后利用3D打印技术成功构建了含有血管可灌注的心脏组织。这个心脏虽然不能跳动,大小也只有兔子心脏的大小,但是它的解剖学结构,免疫学特性,生物化学特性等都是和供主的一致的。该研究把心脏疾病治疗的研究向前推进了一大步[14]。


图4:利用3D打印心脏组织的实验流程图[6]。

11. 肿瘤研究者联合工程师成功研发出了生物三维支架

密歇根大学的一个跨学界研究团队成功研发了一个纤连蛋白组成的网络骨架。该骨架可为来自于病人个体的肿瘤细胞提供一个自然的生长环境,并用于测试肿瘤药物效果,为个性化治疗提供了两个重要的先决条件[15]。

12. 过冷方法可以延长人类器官保存时间

*近在Nature Biotechnology上的一个研究,阐述了一种新的过冷方法可以把人的肝脏保存在-4℃但不会产生结冰。该研究使器官在体外的保存时间从12小时延长到了27小时,为需要肝脏移植的病人带来了更多的希望[16]。

13. 人工智能助力细胞生物研究不再是梦想

人工智能的快速发展,使深度学习技术承担起了生物细胞和细胞生物学的“研究人员”的工作。*近一个阿根廷的团队成功把人工智能应用在了免疫荧光预测、细胞分型、细菌抗药性等实验中[17]。

14. 3D细胞培养市场价值到2021年或将达到40亿美金

根据BBC调查,全球3D细胞培养市场在2016年的价值约等于十亿美元,预计到了2021年会翻接近四倍,平均每年增长约三成。研发部门的投入和科技的快速发展成为了3D细胞培养快速增长的主要动力[18]。

1990年成立于德国海德堡的PromoCell, 过去30年来见证了细胞生物学的发展,拥有丰富的细胞培养经验,不遗余力为广大科研工作者带来*优质的产品和服务。在众多细胞生物学实验产品当中,原代细胞培养基更是PromoCell近30年经验的精华。

Promocel原代细胞培养基类型:

内皮细胞培养基/上皮细胞/间充质干细胞/巨噬细胞/造血干细胞/单核细胞培养基/DC细胞/心肌细胞/平滑肌细胞/骨骼肌细胞/软骨细胞/成纤维细胞/黑色素细胞/成骨细胞/周细胞/前体脂肪细胞等。

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Reference:
[1] Abercrombie, M. “Ross Granville Harrison. 1870-1959.” Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, vol. 7, 1961, pp. 111–126. JSTOR, www.jstor.org/stable/769400. Accessed 1 Apr. 2020.
[2] Horbach SPJM, Halffman W (2017) The ghosts of HeLa: How cell line misidentification contaminates the scientific literature. PLOS ONE 12(10): e0186281.
[3] Nature 533, 452–454 (26 May 2016) doi:10.1038/533452a
[4] Nature 500, 132–133 (08 August 2013) doi:10.1038/500132a
[5] GARTLER, S. Apparent HeLa Cell Contamination of Human Heteroploid Cell Lines. Nature 217, 750–751 (1968).
https://doi.org/10.1038/217750a0
[6] Lin J, Chen L, Jiang W, Zhang H, Shi Y, Cai W. Rapid detection of low-level HeLa cell contamination in cell culture using nested PCR. J Cell Mol Med. 2019;23(1):227–236. doi:10.1111/jcmm.13923
[7]   Morgan, J. F., Morton, H. J., & Parker, R. C. (1950). Nutrition of Animal Cells in Tissue Culture. I. Initial Studies on a Synthetic Medium.,. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine, 73(1), 1–8.
https://doi.org/10.3181/00379727-73-17557
[8] Eagle, Harry. "Amino acid metabolism in mammalian cell cultures." Science 130.3373 (1959): 432-437.
[9] Yao, T, Asayama, Y. Animal‐cell culture media: History, characteristics, and current issues. Reprod Med Biol. 2017; 16: 99– 117.
[10] Kim, M.M., Audet, J. On-demand serum-free media formulations for human hematopoietic cell expansion using a high dimensional search algorithm. Commun Biol 2, 48 (2019).
https://doi.org/10.1038/s42003-019-0296-7
[11] Lancaster MA, Renner M, Martin CA, et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 2013;501(7467):373–379. doi:10.1038/nature12517
[12] Bian S, Repic M, Guo Z, et al. Genetically engineered cerebral organoids model brain tumor formation [published correction appears in Nat Methods. 2018 Sep;15(9):748]. Nat Methods. 2018;15(8):631–639. doi:10.1038/s41592-018-0070-7
[13] Patel P. The Path to Printed Body Parts. ACS Cent Sci. 2016;2(9):581–583. doi:10.1021/acscentsci.6b00269
[14] Noor, N., Shapira, A., Edri, R., Gal, I., Wertheim, L., Dvir, T., 3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts. Adv. Sci. 2019, 6, 1900344.
https://doi.org/10.1002/advs.201900344
[15] Jordahl, S., Solorio, L., Neale, D. B., McDermott, S., Jordahl, J. H., Fox, A., Dunlay, C., Xiao, A., Brown, M., Wicha, M., Luker, G. D., Lahann, J., Engineered Fibrillar Fibronectin Networks as Three‐Dimensional Tissue Scaffolds. Adv. Mater. 2019, 31, 1904580
[16] de Vries, R.J., Tessier, S.N., Banik, P.D. et al. Supercooling extends preservation time of human livers. Nat Biotechnol 37, 1131–1136 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41587-019-0223-y
[17] Waisman, Ariel, et al. "Deep Learning Neural Networks Highly Predict Very Early Onset of Pluripotent Stem Cell Differentiation." Stem cell reports 12.4 (2019): 845-859.
[18]
https://www.bccresearch.com/market-research/biotechnology/3d-cell-culture-technologies-markets-report.html

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