細胞培養那些事:14個你不知道的冷知識

細胞培養作為不可或缺的工具，從20世紀出現至今經歷了巨大的變化。從60多年前基礎培養基DMEM的誕生到今天細胞培養成為生物醫藥、組織工程和再生醫學主流研究中不可或缺的部分，難以想像，如果沒有了細胞培養技術，生命科學研究將會是什麼樣子。讓我們通過下面14個冷事實為您展現細胞生物學的過去，現在和未來：

1.青蛙神經細胞是第一種被成功分離培養的細胞

美國動物學家Ross Granville Harrison是第一位成功在體外培養動物細胞的研究者。1907年，他把細菌學中的懸滴法應用在了動物組織培養上，把青蛙的神經母細胞培養在了淋巴培養液中[1]。

2. 超過32,000篇文章基於無法溯源的細胞系

未知來源細胞系的使用在生命科學研究中是一個很普遍的問題。有研究表明，超過32,000篇文章的數據都是用未驗證細胞做出來的。不僅如此，這些文章的引用次數高達50萬次，導致這種「被汙染」的研究成果波及範圍越來越廣[2]。

3. 超過半數研究員無法重複出實驗結果

一份來自《自然》雜誌的調查研究顯示[3]，在超過1500名被調查研究人員中 ，大約70%的人表示無法重複出別人的實驗，有一半的人甚至無法重複出自己的實驗。

4.第一個永生細胞系HeLa是在供主不知情的情況下獲得的

第一株的人源細胞系HeLa，是1951年從患有宮頸癌的非裔美國女性Henrietta Lacks的腫瘤活體組織獲得的。然而在1975年之前，對於腫瘤組織和該細胞系的獲取和使用，她本人或家人並不知情。這件事引起了生物醫藥研究中，對病人隱私和權益的擔憂。直到2013年，Henrietta Lacks去世的60多年後，NIH和她的後人才達成了對HeLa細胞系及其基因組信息的使用協議[4]。

5. 大約25%的細胞系汙染來源於HeLa細胞

1967年，美國華盛頓大學科學家Stanley Michael Gartler收集了20個不同的人源細胞系進行分析研究。他通過分析葡萄糖-6-磷酸脫氫酶 (G6PD) 和磷酸葡萄糖變位酶 (PGM)的多態性發現，全部細胞系都有一樣的表型，代表有著相同的基因。Gartler發現，本來應該只存在於非裔後代的G6PD等位基因表型，卻在高加索人（白人）的細胞系中也檢測到一樣的基因。這個發現促使Gartler得出結論：研究涉及的細胞系都被HeLa細胞汙染了，或者競爭不過HeLa細胞而被同化了[5]。這個發現讓當時設計細胞研究數據的科研一度陷入尷尬，直到今時今日，還有24%的人源細胞系被HeLa汙染了[6]。

6. 培養基歷史：第一個現代培養基誕生於60年前

1950年由J.F. Morgan研發的Medium 199是最早用於培養哺乳動物細胞的合成培養基之一[7]。Medium 199不含動物源成分且化學限定，是疫苗生產的理想培養基，讓1955年小兒麻痺症疫苗的大規模生產成為可能。9年後，Harry Eagle發明的minimum essential medium (MEM)培養基才問世[8]。

7. 培養基中的各種成分會相互影響，最終影響細胞狀態

當您需要優化培養基成分時，除了要考慮各成分的功能以外，還需要考慮：不同成分之間是否會相互影響，而並不會單獨起作用，因此最終效果可能會難以預測。特別是替換動物血清的時候 [9,10]。

8. 科學家利用ips全能幹細胞成功在體外培育出人腦

2013年《自然》雜誌上發表了一個突破性研究成果，Madeleine Lancaster博士和她的團隊利用人體全能幹細胞、三維支架和生物旋轉儀，成功在體外培養出了類人腦器官，又叫做「迷你腦」。這些類器官含有不同的神經細胞，而且結構和哺乳動物的大腦相似[11]。該團隊在2018年更是通過引入致癌的基因突變，成功在「迷你腦」中誘導出了腫瘤[12]。該發現為幹細胞治療相關研究帶來了更多可能性。

9. 2003年是3D生物打印標誌性的一年

一次偶然的機會，美國德克薩斯州大學的生物工程師發現噴墨式印表機噴出的液滴大小和人的細胞接近。這個發現促使他把印表機墨盒裡的液體換成了活的牛細胞、營養物和其他兼容的生物成分，做成了可「列印」出活組織的生物印表機[13]。

10. 以色列研究人員利用病人脂肪組織成功3D列印出人的心臟

2019年的4月，以色列特拉維夫大學的Tal Dvir和他的團隊從病人身上獲得網膜活體組織，然後利用3D列印技術成功構建了含有血管可灌注的心臟組織。這個心臟雖然不能跳動，大小也只有兔子心臟的大小，但是它的解剖學結構，免疫學特性，生物化學特性等都是和供主的一致的。該研究把心臟疾病治療的研究向前推進了一大步[14]。

11. 腫瘤研究者聯合工程師成功研發出了生物三維支架

密西根大學的一個跨學界研究團隊成功研發了一個纖連蛋白組成的網絡骨架。該骨架可為來自於病人個體的腫瘤細胞提供一個自然的生長環境，並用於測試腫瘤藥物效果，為個性化治療提供了兩個重要的先決條件[15]。

12. 過冷方法可以延長人類器官保存時間

最近在Nature Biotechnology上的一個研究，闡述了一種新的過冷方法可以把人的肝臟保存在-4℃但不會產生結冰。該研究使器官在體外的保存時間從12小時延長到了27小時，為需要肝臟移植的病人帶來了更多的希望[16]。

13. 人工智慧助力細胞生物研究不再是夢想

人工智慧的快速發展，使深度學習技術承擔起了生物細胞和細胞生物學的「研究人員」的工作。最近一個阿根廷的團隊成功把人工智慧應用在了免疫螢光預測、細胞分型、細菌抗藥性等實驗中[17]。

14. 3D細胞培養市場價值到2021年或將達到40億美金

根據BBC調查，全球3D細胞培養市場在2016年的價值約等於十億美元，預計到了2021年會翻接近四倍，平均每年增長約三成。研發部門的投入和科技的快速發展成為了3D細胞培養快速增長的主要動力。

Reference:

[1] Abercrombie, M.「Ross Granville Harrison. 1870-1959.」 Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, vol. 7, 1961, pp. 111–126. JSTOR,

[2] Horbach SPJM,Halffman W (2017) The ghosts of HeLa: How cell line misidentificationcontaminates 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 inTissue Culture. I. Initial Studies on a Synthetic Medium.,. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine, 73(1), 1–8.

[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 currentissues. 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).

[11] Lancaster MA,Renner M, Martin CA, et al. Cerebral organoids model human braindevelopment 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.

[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).

[17] Waisman, Ariel, etal. "Deep Learning Neural Networks Highly Predict Very Early Onset of Pluripotent Stem Cell Differentiation." Stem cell reports 12.4 (2019): 845-859.