牛血清在细胞培养中的作用及产生的常见问题
杨先庭（默克密理博北京清大天一）
现代生物技术包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程，这些技术的发展几乎都与细胞培养有密切的关系，特别是在生物医药领域，细胞培养更具有特殊的作用。比如基因工程药物或疫苗在研究生产过程中很多都是通过细胞培养来实现的，基因工程乙肝疫苗大多是以CHO细胞作为载体；基因工程抗体药物的制备也离不开细胞培养。细胞工程领域更离不开细胞培养技术，杂交瘤单克隆抗体的研究制备完全是通过细胞培养来实现的，发酵工程和酶工程有的也与细胞培养密切相关。总之，细胞培养在整个生物技术产业的发展中起到了很关键的核心作用。细胞培养的发展，培养基的质量是关键，而培养基的构成中动物血清对细胞的生长繁殖起着重要作用。在动物血清中牛血清的应用又是最广泛的，所以牛血清的质量好坏直接影响生物制品的质量和安全性。
一、牛血清的主要成分
牛血清是一种成分复杂的混合物，其大部分成分已为人所知，但还有一部分仍不清楚，而且血清的组成及含量通常随供血动物的性别、年龄、生理条件和营养条件不同而存在差异。牛血清主要成分有以下几类：
2、多肽类主要是一些促进细胞生长和分裂的生长因子，最主要的生长因子是血小板生长因子，还有成纤维细胞生长因子、表皮细胞生长因子、神经细胞生长因子等，虽然在血清中含量很少，但对细胞的生长和分裂也起着重要作用；
3、激素类激素对细胞的作用是多方面的。包括：
胰岛素：促进细胞摄取葡萄糖和氨基酸，与促细胞分裂有关；
类胰岛素生长因子：能与细胞表达的胰岛素受体结合，从而有胰岛素同样的作用：
促生长激素：促进细胞增殖的效应；
氢化可的松：血清中含有微量该成分，它可能具有促细胞贴附和增殖作用。但有人证明，血清中的氢化可的松，在细胞密度较高时可能有抑制细胞生长和诱导细胞发生分化的作用。
4、其他成分如氨基酸、葡萄糖、微量元素等。在合成培养基中这些成分的作用并不明显，与蛋白相结合的微量元素对细胞生长起促进作用。
二、牛血清在细胞培养基中的主要功能
牛血清是细胞培养中用量最大的天然培养基，含有丰富的细胞生长必须的营养成份，具有极为重要的功能。
1、提供能促使细胞指数生长的激素、基础培养基中没有或含量微小的营养物，以及某些低分子营养物质；
2、提供结合蛋白，识别维生素、脂类、金属离子，并与有毒金属和热源物质结合，起解毒作用；
3、是细胞贴壁、铺展生长所需因子的来源；
5、提供蛋白酶抑制剂，细胞传代时使剩余胰蛋白酶失活，保护细胞不受损伤。
三、牛血清的分类
根据牛出生时间和血清采制分离方法分为：
1、胎牛血清：八月龄胎牛心脏穿刺取血；
2、新生牛血清：出生12～24小时新生牛静脉采血；
高级新生牛血清：采血后静置自然析出的血清；
标准新生牛血清：经离心分离的血清；
普通新生牛血清：融血或微融血的血清；
3、小牛血清：出生三月龄小牛动脉采血分离血清；
四、牛血清的质量要求
（一）WHO公布的《用动物细胞体外培养生产生物制品规程》中的要求
1.牛血清必须来自有文件证明无牛海绵状脑病的牛群或国家，并应具备适当的监测系统。
2.有些国家还要求牛血清来自没有用过反刍动物蛋白饲料喂养的牛群。
3.要能证明所用牛血清中不含对所生产疫苗病毒的抑制物。
4.血清要通过滤膜过滤除菌，保证无菌。
5.无细菌、霉菌、支原体和病毒的污染，有些国家要求无大肠杆菌噬菌体污染。
6.要求血清对细胞有良好的支持繁殖作用。
（二）我国在对牛血清的质量标准最早在2000年版《中国生物制品主要原辅材料质控标准》中提出。包括物理性状、总蛋白，血红蛋白、细菌、真菌、支原体、牛病毒、大肠杆菌噬菌体、细菌内毒素，支持细胞增殖检查。2005版药典颁布之后，小牛血清质量标准被纳入《中国药典》2005年版第三部生物制品分册。
（三）美国对牛血清的质量要求：
Gibco和Hyclone等美国主要血清供应商的牛血清都已进入到我国市场，他们对血清质量标准有严格要求，从血清来源到产品质量都有明确规定。
1、血清来源：可从世界各地收集胎牛血清，但必须符合其质量标准和美国农业部进口要求。
2、血清的收集：必须符合工业生产的标准，低温采集，一次分离，分离后立即混合冻存。
3、血清的制备：超低IgG胎牛血清、透析血清、γ-射线辐照；
4、除菌过滤：0.22μm和0.1μm滤膜过滤；
5、成品分装：根据需要分装成不同规格。
五、牛血清质量检定指标
1、化学检定：包括渗透压（240～340）、pH（7.0～8.0）、总蛋白含量（3.5～5.0％）、血红蛋白（≤0.02％）
2、微生物检查：细菌和真菌——直接培养法、噬菌体——噬斑法和增殖法支原体——培养法和DNA染色法、牛病毒——细胞培养法。要求均为阴性
3、内毒素检测——凝胶法和动态浊度法要求内毒素含量≤10EU/ml
4、促细胞生长测定（SP2/0-Ag14标准规定）
1）最大增殖浓度≥1.0×106个/ml、倍增时间≤20小时
克隆率＝（阳性孔平均数/培养孔总数）×100％
2）贴壁效率（VERO细胞、二倍体细胞等）
10％血清――50或100个细胞/孔
贴壁效率（％）＝（每孔克隆平均数/每孔存活的培养细胞平均数）×100
相对贴壁效率＝被测血清贴壁效率/参考血清贴壁效
以上项目检定结果应符合2005版《中国药典》第三部的相关规定。血清厂家应在此基础上结合疫苗病毒生产工艺建立企业内控检定项目并建立相应的检定方法，保证疫苗病毒生产的稳定性，提高疫苗制品的质量。
六、牛血清的使用所产生的常见问题
（一）由于血清营养丰富，贮存条件特殊，因此在贮存和使用过程中容易产生以下问题：
1、改变培养液的pH值
牛血清的pH理论值为7.0～8.0，培养基在加入规定量的碳酸氢钠后（即达到细胞生长所需要的渗透压），再加入10％的牛血清，一般会使培养液的pH值发生改变。因此在使用过程中应注意pH的变化，如有必要可用1mol/LNaOH或1mol/LHCl调pH到所需值。
2、由于血清的营养成分丰富，非常适合细菌、真菌和支原体等生长。国产血清大部分采用手工分装，因此容易把微生物带入而使得血清被污染。使用前如果没有及时发现，将会把污染物带入正在培养的细胞中，而使得细胞不能正常生长。
3、血清在贮存解冻过程中会产生沉淀，这是由于血清中含有大量脂蛋白、纤维蛋白及多肽类物质，在-15℃冷冻保存解冻后就会自然形成沉淀，随着保存时间的延长，沉淀量会增加。因此在融化血清时一般应先在4℃放置使之解冻，然后放在室温使血清完全融化，以避免沉淀的增加。添加血清时应避免把沉淀加入培养液，否则由于沉淀的存在会使得所培养的细胞产生大量黑点，或者细胞表面将会覆盖一层油状物质，影响细胞的正常生长。为减少血清的损失，可以把有沉淀的血清收集起来进行离心处理，将上清液加入培养液使用（一般不建议采用过滤的方法除去沉淀，因为沉淀会堵塞滤膜而无法过滤）。
（二）大规模细胞培养中牛血清对细胞及病毒滴度的影响
血清是一种成分复杂的混合物，不同批次血清对细胞生长的促进作用不同。大规模细胞培养中由血清引起的细胞生长状态不佳及病毒滴度的影响表现在以下几个方面：
1、细胞生长速度缓慢，长满单层时间长；从同一细胞瓶中分出两瓶细胞，用同一种培养液，分别加入10％的对照血清和待检血清，在相同条件下培养72小时，会出现对照血清长满单层，而待检血清大约只有60～70％，这种血清就不适合用来大规模培养细胞。
2、细胞传代后形态不正常，细胞状态发生变化；由于血清的质量问题，使原本状态正常的细胞经传代后形态会变差；比如：细胞瓶里会出现一些蠕动的小黑点（并非污染），或者细胞表面形成一层油状覆盖物；细胞的轮廓变得模糊，细胞之间的间隙被血清中的蛋白颗粒填充，从而影响细胞向四周扩展生长。
3、细胞传几代后就出现脱壁现象，不能连续传代；质量较差的血清缺乏某种细胞的贴壁因子，会使细胞在传代过程中逐渐丧失贴壁的能力。细胞会从正常的贴壁状态，边缘开始萎缩，上翘。观察到的现象就是细胞表面不光滑，晃动细胞瓶会看到细胞表面有絮状物随培养液波动。随着传代次数增加，细胞萎缩的情况越来越严重，直到最终完全脱壁而死亡。
4、细胞长的很好，致密的单层，状态也很正常，但是接毒后细胞基本不发生病变，做滴度检测几乎测不出抗原滴度。这种情况也许是因为血清中含有与接种的病毒有同源的特异性抗体。比如血清中经常会存在乙脑抗体，牛腹泻病毒抗体等，如果存在这些抗体，就会把接进去的病毒给中和掉。如果抗体滴度很高，病毒会被抗体完全中和，就没有病毒颗粒在细胞中增殖，所以会检测不到病毒滴度。这种情况给疫苗企业造成的损失是相当大的，不产毒等于前面所做的那么多工作全部白费，浪费人力、物力，尤其是时间上的浪费，从培养细胞开始到接病毒，到收液至少需要一两个月，一旦出现不产毒的情况，那么这一两月时间就白白浪费掉了，这也是牛血清给疫苗企业造成的风险之一。
5、细胞生长的状态一般，产毒少，毒价低。这种情况比较常见，细胞是病毒的载体，由于血清质量不好，导致细胞生长状态不好，病毒就无法进行正常的复制。并非所有病毒都不能复制，所以就造成疫苗的效价不够，可能造成不合格产品。
（三）牛血清给生物制品带来的问题
对于使用传统培养基培养的大多数细胞来说，添加牛血清是必不可少的。但是牛血清的使用也给细胞培养和生物制品的生产带来很多问题，并成为生物制品生产水平达到最优化和实现经济性目标的一大障碍。
1、批间差异血清是一种成分复杂而且不确定的混合物，不同来源的血清成分存在很大的差异，因此支持细胞生长的效果也有较大差别。而每批血清的批量是有限的，所以换血清批号时要预先做大量的筛选实验，以确定对细胞生长影响最小的血清。不但增加工作量,而且如果因为一时筛选不出合适的血清还会导致生产停滞。
2、动物来源成分因为来源于动物,所以有可能携带传染源,包括病毒和有毒物质,任何一种传染源都有可能对正在生长的细胞系或者制品带来风险；不同来源的血清存在某些特异性病毒抗体（比如：乙脑抗体、牛腹泻性病毒抗体等），直接影响接毒后病毒的复制，可能导致不产毒或毒价偏低，从而给疫苗生产造成巨大损失。
3、提高生产成本目前市场销售的血清平均价格约0.25元/ml，按10％添加量计算，1L培养液中血清所占的成本是25元，培养基及其他添加物的成本约为6元，每升培养液的成本中血清约占80％，由此可见血清在疫苗生产中占据了大量的生产成本。
4、行业竞争导致质量难以提高由于国内牛血清生产厂家增多，而用户的数量有限。为了获得客户资源，很多血清厂家都在进行低价销售，行业内形成一种恶性的价格竞争。低价格带来的结果就是低质量的血清。目前很多血清厂家都处于维持生存的状态，因此难以投入大量资金和人力来提高血清的质量。
5、血清蛋白引起的疫苗纯化问题
由于血清含有大量的不同分子量的未知蛋白和多肽类物质，势必会增加提取,分离,纯化的步骤,增加了下游纯化处理的难度,因此在疫苗纯化阶段给纯化工作带来很大的困难；疫苗产品中牛血清白蛋白残留量要求不高于50ng/剂，为达到纯化的目的，纯化工艺不得不添加新的仪器设备；在除去牛血清白蛋白残留的同时，也会损失大量的有效目的产物，从而降低了疫苗的产率；牛血清中的某些蛋白与目的产物的分子量接近，在纯化过程中不能完全被去除，由于血清残留而导致的生物制品不合格,或者因为杂蛋白含量大造成严重不良反应的情况时有出现.因此也会严重影响疫苗产品的质量。
6、相关法规对牛血清使用的规定
为了使与传染源相关的风险降到最低，国际上存在多个国家之间限制进出口生物材料的国际法规；美国、欧盟和日本等发达国家和地区计划在2010年全面停止血清在生物制药中的应用；FDA目前已不受理利用血清进行细胞培养的新药申报；FDA与美国农业部已经严密控制胎牛血清在细胞培养中的使用，疯牛病和口蹄疫的流行导致对牛血清控制使用更加严密；2003年4月，VeraBaumans和JanvanderValk组织召开题为“改进体外培养技术方法，替换胎牛血清”的会议，讨论FBS的使用问题，在全球范围内号召减少FBS的使用；因此，预计政府部门对胎牛血清加工或使用的限制将会更加严厉。
药品管理法对生物制品的质量提出严格要求，尤其是我国加入WTO之后，在制品的质量上要求更严格。产品的市场竞争应主要靠质量竞争，所以对制品的主要原材料的质量要求也会越来越严格。牛血清作为生物制品生产所需的一种原材料，其质量的好坏直接关系到制品的质量和安全性，由牛血清给生物制品带来的问题也日益凸现。细胞大规模培养及减少动物来源成分在生物制品中的使用已成为今后生物制药发展的趋势，为提高制品的质量和安全性，生物制品生产过程应尽量降低血清的使用量或寻找替代血清及动物组分的原材料。
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发布于 ： 2021-06-03
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