细胞培养质量控制：重现性的关键

细胞培养是生物科学体外研究不可或缺的一部分。它涉及在人工环境中培养永生化细胞系或原代细胞样本。这些细胞可用作一系列不同科学研究的模型，包括测定药物或其他化合物对生长、活力和新陈代谢的影响，或用作不同疾病的模型。它们通常用于进行体内实验之前的初步研究。

从细胞培养实验中得出的结论的有用性和适用性在很大程度上取决于所进行的质量控制 (QC)。适当的 QC 可以确保细胞系模型给出可重复的结果，并可以自信地得出结论。忽略细胞培养中的 QC 可能会使研究人员和实验室在时间和金钱方面付出巨大的代价，并且来自无法证明适当 QC 的实验室的数据不太可能被公布。

Nikoleta Daskoulidou 博士是位于卡迪夫的英国痴呆症研究所的研究员，致力于了解先天免疫在阿尔茨海默病中的作用。作为她工作的一部分，Daskoulidou 博士使用干细胞技术作为细胞模型。她描述了 QC 在她的研究中的重要性：“我认为不良的 QC 是缺乏可重复性和可能无效的研究数据的主要原因。对我来说，测试我正在使用的细胞的特性、纯度和表型是非常重要的。” Daskoulidou 博士提到了她在研究中使用的一些 QC 方法，包括“检查特定标记的表达（和表达水平）以及检测是否存在潜在的三体性”。这对于她研究阿尔茨海默病编码序列变体的研究尤为重要。

本文将概述细胞培养中 QC 的四个主要方面，并描述它们是什么以及我们应该执行它们的原因。

你的细胞系是你认为的那样吗？

这听起来像是一个显而易见的问题，但不幸的是，作为研究人员，我们不能认为这是理所当然的。由于多种原因，可以使用以下细胞：1）来自不同器官；例如，肺与胃肠道，2) 来自不同的癌症类型，3) 来自不同的生物体，例如小鼠上皮细胞与人类上皮细胞。此外，近年来，CRISPR 革命意味着存在大量经过编辑的细胞系，必须密切注意确保亲代细胞系保持分离。在错误的细胞系上进行实验的影响是巨大的。体外工作是一个有缺陷但非常有用的模型系统，用于预测体内效果. 例如，如果在药物筛选过程中使用了错误识别的细胞系，则结果对进一步实验的适用性就会受到影响。如果将不适当的化合物用于体内研究，这可能会浪费资源并且还具有潜在的危险。根据Clara Forrer Charlier 博士的说法，来自里约热内卢大学的博士后研究员，STR 分型“对于结果的可重复性非常重要，是方法验证和药物发现的基础。” 目前正在研究 DNA 损伤反应和基因组不稳定性对神经发育和神经变性的影响的 Forrer Charlier 博士指出，STR 分型虽然非常重要，但在实验室和她的实验室中通常“做得比应该做的频率低”，她确保“在收到细胞系后并在多次传代后定期进行”。

据报道，在所有培养物中，不同细胞系的污染发生率约为 20%。当细胞系具有相似的表型（例如形态和生长速率）时，细胞识别问题会更加严重。确定您正在培养或接受的确切细胞类型的主要方法是 STR 分型。STR 分型利用包括不同个体人类在内的生物体之间 DNA 的微小差异。力量; 短串联重复，发生在基因组中，是包含串联重复的非编码 DNA 的一部分。该区域的 DNA 复制错误导致子 DNA 链的重复次数增加或减少。在群体水平上，这会导致 STR 基因座上出现许多不同数量的串联重复。

STR 分型检查不同 STR 基因座的重复数。商业 STR 试剂盒检查 16-23 个基因座，然后将其与参考数据库进行比较，以确定被测细胞系的身份。匹配的可能性极低，大约为 1 x 10 18 个个体中的 1 个。

STR 分型的最新进展包括在整个基因组中包含更多基因座，多达 27 个，改进基因组区域的直接扩增以及更快的 PCR 循环能力，这可以减少处理时间。尽管如此，对于细胞系鉴定，该测定放大了牙釉蛋白基因和 17 个位点。STR 分型应用的黄金标准由几家不同的公司执行，它们符合 ISO 9001 和 ISO/IEC 17025 质量标准。

污染预防和筛查

除了确保您的细胞类型如您所想之外，保持细胞培养物不受污染是 QC 的另一个方面。这对于确保可重复和可靠的结果至关重要。最常发生的细胞培养污染来自细菌、真菌和支原体。Daskoulidou 博士在她的实验室的实践包括“每隔几周检查细胞系中潜在的支原体污染”。这对于支原体来说尤其重要，因为它不能被显微镜下的眼睛看到，因此可能很长一段时间都无法检测到。

利用防止污染的措施以及筛选将最大限度地减少这对实验的负面影响。预防方法包括使用良好的细胞培养实践，包括在层流罩中工作，对所用的试剂、塑料器皿和玻璃器皿进行消毒，所有这些都可以将污染风险降至最低。

筛查包括目测细胞生长培养基颜色，定期对培养中的细胞进行显微镜检查，对于用显微镜无法看到的支原体，应定期对细胞培养物进行检测。最常见的支原体检测方法包括微生物培养、荧光染料 DNA 染色和 PCR 以检测支原体 rRNA 分子。

您是否正确处理您的细胞培养物？

一旦我们确定我们的细胞正是我们认为的那样，并且它们没有微生物污染，QC 的另一个方面就是我们在实验室中培养细胞时维护它们的方式。

细胞传统上在一次性塑料瓶中生长；将一定数量的细胞放入烧瓶和生长培养基中。

根据细胞系的生长速度，3-5 天后，细胞需要传代；一些去除并添加新鲜的生长培养基。当这已经重复了很多次（精确的数字取决于细胞类型），但通常是 15-30 倍时，细胞应该被丢弃，另一批解冻。Daskoulidou 博士评论说，在研究干细胞等特定细胞类型时，就她的诱导多能干细胞研究而言，“我确保我使用低传代细胞。”

利用这些 QC 方法增加了细胞对不同条件和实验做出一致反应的可能性。未能定期传代细胞会导致过度汇合，即对于烧瓶中的给定区域或生长培养基的量而言，细胞过多。这会影响生长速度和新陈代谢，这意味着在进行实验时，细胞可能会做出不同的反应。使用具有非常高的传代数的细胞可能意味着细胞已耗尽、经历衰老、已开始分化或特定亚群生长得更多并主导培养。

除了这些 QC 实践之外，还可以对细胞进行一些检查，例如：蛋白质表达、生长速率、活力、形态。如果其中任何一个发生改变，则应丢弃细胞，并解冻较低的通道小瓶。

您是否适当地储存和分享您的细胞培养物？

除了在生长过程中维持细胞外，细胞系储存和转移的质量控制也是必不可少的。这可以分为三个需要 QC 的关键部分：1) 冷冻和解冻过程，2) 储存，3) 文档。

当不培养细胞时，标准的储存方法是储存在液氮气相中的冷冻管中。

1 ) 应使用正确的冷冻培养基（含 5-10% 二甲基亚砜 (DMSO) 的胎牛血清 (FBS)），并且冷冻应缓慢进行。这可以保护细胞免受晶体形成。相比之下，必须在水浴中快速解冻，细胞迅速转移到不含 DMSO 的培养基中，以避免 DMSO 造成的损害。

2) 储存的质量控制包括对液氮罐进行适当维护，定期重新填充和检查罐密封，以确保恒温和安全。良好的做法是在不同位置存放几个小瓶，以确保在一个罐子受损时不会丢失整个库存。公司或研究机构内的细胞系转移也可能发生，尤其是在合作期间。确保细胞活力不受影响的适当包装和转移方法是关键。

3) 对于存储和转移，以及使用标准化协议，QC 必须标记和记录。如果没有这些，最终可能会得到不是我们认为的那样的细胞，如上所述浪费时间和金钱。Forrer Charlier 博士指出了解您正在冷冻的东西的身份的重要性，并评论说“如果您计划冷冻细胞库，也建议使用 STR 分型。” 适当的标记包括使用以下组合标记单个细胞冷冻管：彩色盖子、贴纸或冷冻安全标记笔，表示细胞系、接收日期、传代数和可能已进行的任何更改或基因编辑。

您使用的试剂是否标准化？

细胞系可能会受到它们如上所述的培养和储存方式以及所使用的试剂的影响。最重要的试剂是细胞培养基和用于培养细胞的血清。

不同的细胞系或细胞类型需要具有不同成分的细胞培养基，但它们通常包括葡萄糖、盐、维生素、氨基酸和许多其他营养素。此外，还需要某种类型的血清，通常是 FBS。

这些试剂成分的差异会改变细胞系的生长速率、活力和其他特征，因此对此进行 QC 是必不可少的。细胞培养基本身很容易标准化；有许多不同的公司生产和销售媒体，并将进行自己的测试和灭菌。实验室和研究所也可以在内部制备培养基。对于细胞培养基的制造商和供应商，将对每批生产的产品进行一系列标准化测试，包括筛查常见污染物。供应商将提供一份分析证书，说明培养基无污染，并且是根据具有设定制造协议的配方生产的。

FBS 不是制造的，而是收获的。因此，批次之间的差异更大，因此需要进行更多测试以确保重现性和质量控制。FBS 测试的一个关键部分是确定细胞在不同批次培养时的行为是否存在差异。出于这个原因，最好使用一个批次进行一整套实验。  

最终用户测试不同批次的培养基以识别细胞表型的任何变异性很重要，因为不同的细胞类型对配方中的最小变化具有不同的敏感性。该领域的最新发展包括更深入地检查细胞行为以响应培养条件，包括基因组筛选、细胞蛋白质组检查和代谢组学变化的鉴定。

质量控制一直是并且仍然是良好细胞培养实践的基础。它最大限度地减少了实验之间的可变性，并增强了生成结果的稳健性。此外，随着频率的增加，出版期刊需要研究中的 QC 证明才能发表来自给定实验室的论文。细胞系鉴定和鉴定、污染筛查、适当的细胞培养实践、储存和使用标准化试剂都是应该定期进行的 QC 的重要方面。许多进行质量控制的技术早已确立，但如上所述，有许多新的发展，包括用于 STR 分型和支原体筛选的快速实验室内检测试剂盒，跟踪储存细胞系的软件以及样本和可访问的组学筛选工具，以便随着时间的推移或对新试剂的反应对细胞进行更深入的评估。这些新技术可以实现更准确的细胞质量检查或增加将 QC 纳入常规实验室实践的便利性。