适用细胞与选择策略

        哺乳动物细胞培养基的选择会直接影响细胞增殖、代谢、表型和实验响应。评价培养基时，应重点核对基础配方、关键添加物、缓冲体系及细胞既有培养条件。

        关键词：细胞培养基；RPMI 1640；DMEM；MEM；IMDM；葡萄糖；L-谷氨酰胺；丙酮酸钠；HEPES；完全培养基；无血清培养基

1 哺乳动物细胞培养基的组成与营养功能

1.1 无机盐、葡萄糖与氨基酸

        无机盐维持渗透压、膜电位和离子依赖性酶活性，钙、镁还参与细胞黏附和细胞连接。葡萄糖是多数培养细胞的主要碳源，既用于ATP生成，也为核苷酸、脂质和氨基酸合成提供碳骨架。氨基酸除参与蛋白质合成外，还调控mTOR、GCN2和整合应激反应，因此培养基营养浓度变化可能同时改变细胞增殖和信号状态。

1.2 维生素、微量组分与代谢支持

        维生素是辅酶和电子载体的前体，参与一碳代谢、氧化还原反应、脂质合成和核酸合成。MEM仅提供较基础的维生素和氨基酸组合，DMEM和IMDM的营养组成更丰富，适合高增殖或高密度培养。培养基营养水平提高不一定改善细胞功能，还可能增强糖酵解、乳酸积累和营养信号。

1.3 缓冲体系与渗透压

        碳酸氢钠—CO₂体系是常用缓冲体系，HEPES可提高细胞离开CO₂培养箱后的短期pH稳定性。培养液蒸发、添加过量浓缩液或重复补加盐类会升高渗透压，导致细胞收缩、增殖下降和应激反应。培养基颜色只能粗略反映酸碱变化，不能替代pH和渗透压检测。

2 RPMI 1640、DMEM、MEM与IMDM的配方特征

2.1 MEM的基础营养配方

        最低必需培养基（minimum essential medium，MEM）提供维持细胞生长所需的基础氨基酸、维生素、无机盐和葡萄糖，典型配方的葡萄糖浓度约为1 g/L。MEM适合部分经典贴壁细胞和营养需求相对较低的细胞，也适合作为自定义添加体系的基础培养基。长期适应MEM的细胞直接转入高营养培养基后，增殖速度和代谢状态可能发生改变。

2.2 DMEM的强化营养配方

        Dulbecco改良Eagle培养基（Dulbecco’s modified Eagle medium，DMEM）在MEM基础上提高了多种氨基酸和维生素含量，并形成低糖、高糖和无糖等版本。低糖DMEM的典型葡萄糖浓度约为1 g/L，高糖DMEM通常约为4.5 g/L；无糖DMEM主要用于糖代谢和葡萄糖饥饿实验。DMEM广泛用于成纤维细胞、上皮细胞、肿瘤细胞和工程化贴壁细胞，但不同版本不能直接互换。

2.3 RPMI 1640的免疫细胞培养特征

        RPMI 1640的典型葡萄糖浓度约为2 g/L，常用于淋巴细胞、白血病细胞、单核细胞及部分悬浮肿瘤细胞。其磷酸盐、维生素和氨基酸组成适合多种造血和免疫细胞的常规扩增，但原代T细胞、NK细胞和树突状细胞仍需要细胞因子、血清替代物或专用添加体系。无糖、不含谷氨酰胺、含HEPES和ATCC改良等版本适用于不同实验目的。

2.4 IMDM的高营养配方

        Iscove改良Dulbecco培养基（Iscove’s modified Dulbecco’s medium，IMDM）含有较高水平的葡萄糖、氨基酸、维生素及其他营养组分，常用于造血细胞、杂交瘤和高密度培养。IMDM可支持较高细胞密度，但同时会加快葡萄糖和谷氨酰胺消耗，并增加乳酸和氨积累。长期培养时应根据细胞密度和代谢物变化调整换液频率。

2.5 DMEM/F-12及其他复合培养基

        DMEM/F-12结合了DMEM的高营养特征和Ham's F-12较丰富的微量组分，常作为上皮细胞、原代细胞和无血清培养体系的基础配方。Ham's F-12、MCDB 131、MCDB 153、M199和McCoy's 5A具有特定的氨基酸、维生素和微量元素组合，适用于特定细胞，而不是DMEM或RPMI 1640的通用替代品。

3 葡萄糖、氨基酸与维生素含量的培养效应

3.1 葡萄糖浓度与糖酵解负荷

        高糖培养基可为快速增殖细胞提供充足碳源，但也会增强糖酵解和乳酸生成，使培养液更快酸化。低糖培养基适用于部分正常组织来源细胞和需要降低代谢偏移的实验。无糖培养基属于实验处理条件，通常需要明确是否补加半乳糖、丙酮酸或其他碳源，不适合多数细胞长期维持。

3.2 高糖培养与高糖刺激的区别

        长期使用高糖DMEM维持的细胞已经适应该葡萄糖环境，不能简单将同一培养基作为高糖刺激实验的处理条件。高糖刺激研究应设置明确的基础糖浓度、处理糖浓度和渗透压对照，并控制丙酮酸、谷氨酰胺和血清条件。否则观察到的变化可能来自渗透压或整体营养差异，而不是葡萄糖本身。

3.3 氨基酸与营养信号

        谷氨酰胺、亮氨酸、精氨酸、丝氨酸和甘氨酸既是合成底物，也是代谢和信号调控因子。改变培养基种类可能同时改变多个氨基酸浓度，从而影响mTOR、自噬、氧化还原平衡和核苷酸合成。进行营养缺失、代谢组学或药物敏感性研究时，应使用成分明确的培养基并固定氨基酸配方。

3.4 维生素与实验表型

        叶酸、胆碱、肌醇、核黄素和其他维生素可影响一碳代谢、甲基化、膜脂合成及线粒体功能。不同培养基中的维生素浓度差异可能不明显影响细胞数量，却会改变转录组、代谢组和分化状态。涉及这些终点时，应记录完整培养基配方和产品货号。

4 L-谷氨酰胺、丙酮酸钠与HEPES的添加选择

4.1 L-谷氨酰胺

        L-谷氨酰胺为核苷酸、氨基糖和谷胱甘肽合成提供氮源，并可通过谷氨酰胺分解补充三羧酸循环。多数常规培养体系中的使用浓度约为2～4 mmol/L，但应以具体细胞和基础培养基配方为准。游离L-谷氨酰胺在溶液中会逐渐分解并产生氨，含谷氨酰胺培养基不宜长期保存或反复温浴。

4.2 稳定型谷氨酰胺

        L-丙氨酰-L-谷氨酰胺等二肽形式比游离谷氨酰胺稳定，可减少培养基储存期间的降解和氨积累，适合长期培养及高密度细胞扩增。稳定型谷氨酰胺需要经细胞或培养体系逐步利用，其动力学与游离谷氨酰胺不同。更换谷氨酰胺来源后，应重新确认细胞增殖、产物表达和代谢物水平。

4.3 丙酮酸钠

        丙酮酸钠可作为补充碳源进入线粒体代谢，并参与细胞氧化还原平衡。对于低血清、高代谢或部分应激细胞，丙酮酸钠可能提高存活率；但在糖酵解、线粒体底物利用、乳酸代谢和活性氧研究中，丙酮酸钠会改变实验读数。基础培养基已含丙酮酸钠时，不应重复添加。

4.4 HEPES

        HEPES适合显微成像、流式分选、细胞转运和长时间台面操作，常用浓度约为10～25 mmol/L。HEPES不能替代碳酸氢钠—CO₂体系，过量添加还会升高渗透压。强光照条件下HEPES可能促进活性氧生成，长时间活细胞成像应控制光照强度和缓冲剂浓度。

5 碳酸氢钠缓冲体系与培养环境控制

5.1 碳酸氢钠与CO₂浓度

        碳酸氢钠浓度决定维持目标pH所需的CO₂分压，不同培养基不能在未核对配方的情况下统一设置培养箱CO₂浓度。培养基在空气中暴露时，CO₂逸出会使pH升高；进入培养箱后需要重新达到气液平衡。开箱频繁、培养液体积过小和培养皿密封状态变化都会加剧pH波动。

5.2 Leibovitz L-15与非CO₂培养

        Leibovitz L-15主要依靠磷酸盐和游离碱形式的氨基酸维持缓冲能力，并以半乳糖和丙酮酸钠替代葡萄糖以减少酸性代谢产物形成，适用于不依赖CO₂培养箱的特定细胞或短时操作。L-15不应按照常规碳酸氢钠培养基的方式放入高CO₂环境，否则可能造成pH偏移。是否适合长期培养仍取决于具体细胞系。

5.3 培养液体积与蒸发

        培养液过少容易蒸发并升高盐浓度和渗透压，培养液过多则会降低气体交换效率。多孔板外周孔尤其容易出现蒸发和边缘效应，使细胞增殖、药物浓度和荧光读数产生位置偏差。培养液体积应根据培养面积、细胞密度和换液周期统一设置。

5.4 酚红的使用边界

        酚红可粗略显示培养液酸化或碱化，但其颜色受温度、光照和观察条件影响。酚红还可能干扰部分荧光、吸光和激素响应实验。激素受体研究、弱荧光检测和外泌体相关实验可优先选择无酚红配方。

6 不同培养基在免疫细胞、肿瘤细胞与贴壁细胞培养中的适用性

6.1 免疫与造血细胞

        RPMI 1640适合多种淋巴细胞和悬浮造血细胞，IMDM更适合营养需求较高或高密度培养的造血细胞和杂交瘤。静息免疫细胞、激活细胞和长期扩增细胞的代谢需求不同，不能使用同一条件评价。细胞因子种类、激活方式和接种密度通常比RPMI 1640与IMDM之间的名称差异更直接地决定培养结果。

6.2 肿瘤细胞

        肿瘤细胞常使用DMEM、RPMI 1640或McCoy's 5A，但应优先保持细胞系建系和长期传代所采用的培养条件。更换基础培养基会改变葡萄糖、氨基酸和维生素水平，可能影响增殖、迁移、药物敏感性和乳酸生成。药物筛选和代谢实验中，不应在不同批次之间随意更换培养基版本。

6.3 成纤维细胞与上皮细胞

        多种成纤维细胞可在MEM、α-MEM或DMEM中培养，上皮细胞则常使用DMEM/F-12、Ham's F-12或专用培养体系。原代上皮细胞通常还依赖特定钙浓度、细胞外基质、胰岛素和生长因子。单纯提高葡萄糖或血清浓度可能促进非目标细胞扩增，而不能维持目标细胞表型。

6.4 CHO、HEK293与杂交瘤细胞

        CHO和HEK293细胞用于重组蛋白或病毒载体生产时，通常需要适合高密度扩增和产物表达的专用培养基。无血清体系可降低血清蛋白对表达产物和下游纯化的干扰，但需要经过适应培养。杂交瘤细胞可采用RPMI 1640、IMDM或专用无血清培养基，其培养条件还与HAT选择和抗体分泌状态有关。

7 基础培养基、完全培养基与无血清培养基的选择

7.1 基础培养基

        基础培养基适合配制自定义体系，其优势是可以控制血清、细胞因子和其他添加物。选择时应核对完整配方，特别是谷氨酰胺、丙酮酸钠、HEPES和碳酸氢钠。基础培养基通常不能直接支持大多数细胞长期培养。

7.2 完全培养基

        完全培养基由基础培养基加入血清、谷氨酰胺、细胞因子或其他补充物构成，适合常规扩增。血清能够提供生长因子、黏附蛋白和脂质载体，但存在批间差异，并会影响药物游离浓度、分泌组分和信号通路。血清浓度应以维持细胞状态所需的最低有效水平为基础优化。

7.3 减血清培养基

        减血清培养基常用于脂质体转染、核酸递送和部分短期处理，可减少血清蛋白与转染复合物的相互作用。减血清培养基并不一定适合长期维持，转染结束后是否更换完全培养基应根据细胞耐受性和转染试剂要求确定。

7.4 无血清培养基

        无血清培养基使用胰岛素、转铁蛋白、脂质、生长因子或其他组分替代血清，适合生物制品生产、外泌体收集和需要降低批间差异的研究。无血清不等于无蛋白，也不等于化学成分完全明确。由含血清体系转入无血清体系时，应逐步降低血清浓度并重新确认细胞功能。

7.5 选择顺序

        常规培养应首先遵循细胞库或建系来源推荐的基础培养基，再根据培养目的选择血清、谷氨酰胺和缓冲体系。代谢研究应优先核对葡萄糖、谷氨酰胺和丙酮酸钠；转染实验应关注血清和酚红；高密度生产应关注稳定型谷氨酰胺、渗透压和代谢物积累。

8 常用哺乳动物细胞培养基产品

表1 DMEM、RPMI 1640、IMDM与MEM系列培养基

表2 其他基础培养基、减血清培养基与无血清培养体系

        培养基选择应从细胞既有培养条件出发，再根据实验目的调整葡萄糖、谷氨酰胺、丙酮酸钠、缓冲体系和血清条件。基础培养基名称只能说明配方类别，具体版本和培养条件才决定细胞状态及实验结果。

更多相关文章，详见下方：

[1] DMEM培养基

[2] 细胞培养中的培养基和补充剂

[3] 常用细胞培养基指南