摘要： 動物細胞培養技術在生物技術領域起著重要的作用。它在生物醫藥領域、細胞工程、酶工程等領域中都是不可缺少的工具。
培養基是人工配制的滿足細胞生長和維持的營養基質。培養基的發展大致經過3個階段：天然培養基階段(直接采用某些組織凝塊、生物性液體和組織提取液等作為細胞的培養基)，合成培養基階段(如DMEM、RPMl 1640等)和無血清培養基階段。合成培養基通常需在其中添加一些諸如血清(常用的如小牛血清、胎牛血清等，一般在5% - 10%)等天然的體液性補充物才能較長時間地維持細胞生長。
在無血清培養基出現之前，血清被廣泛用于細胞培養達幾十年之久。動物血清主要包括胎牛血清、小牛血清、成牛血清、馬血清、羊血清、雞血清、兔血清等，其中以胎牛血清的使用最為普遍。 動物血清在細胞培養中提供細胞增殖所需的生長因子、激素、轉移蛋白、貼壁和鋪展在培養基質上的因子、蛋白酶抑制劑和其他營養物質。使用血清的優點是血清含有促進細胞增殖和維持的大部分因子，它幾乎是通用的生長添加物，適用于動物、人和昆蟲細胞等的細胞培養。因而使用血清不需要為每一個細胞系優化培養基，節省了大量時間和精力。
動物血清成分復雜，含有豐富的蛋白質、多肽、氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、激素等，其組分及含量常依動物性別、年齡、生理狀態、營養條件不同而有差異。盡管大部分成分已知，仍然存在不清楚的組分。因而血清在細胞培養中的作用至今沒有完全明確。由于不同生產廠家的血清間及同一廠家生產的不同批次的血清間所含因子的質量和數量差異大，因此影響細胞培養的可重復性，制約動物細胞規模化培養。很多研究人員為了保證同一實驗的一致性，不得不購買和儲存大量同一批次的經篩選后確定為優質的血清。這一問題也使得比較不同研究者的實驗數據極為困難。
血清中蛋白含量大且成分復雜（大于100種），使得實驗和生產的標準化困難，使疫苗、單克隆抗體及生物活性蛋白等用培養細胞生產的生物產品的下游分離和純化更復雜。干細胞培養要求在促進細胞增殖的同時，又要保持細胞的發育特性，不發生分化，對培養基組分的要求更加苛刻。使用血清可能改變細胞在體內的正常狀態，可能促進某種細胞（成纖維細胞）生長的同時，抑制另一類細胞生長（表皮細胞）。在培養原代細胞時使用含血清的培養基可能不能阻止成纖維細胞過度增殖，而影響原代細胞的生長。
雖然血清含有促進細胞生長的成分，但同時含有內毒素、血色素、補體、抗體等其他有害成分，影響細胞生長甚至導致細胞死亡，需要大量測試工作才知道對細胞生長的凈作用。低質量的血清常被病毒、真菌和支原體等微生物感染。 此外，血清來源不穩定，可能受來源地區環境及牛群疾病影響發生供應緊張，造成價格上的波動。另外，血清使用不方便。
胎牛血清的收集過程遭到倫理學的質疑。懷孕母牛在屠宰前腹部被刨開，取出胎牛。在無菌條件下，刺破胎牛的心臟或頸動脈/臍帶靜脈以獲取血清，給胎牛造成痛苦。更符合人道的無血清培養基應該得到支持。
要實現細胞培養標準化，最好不要在細胞培養過程中使用血清。無血清培養基是不含動物血清或其他生物提取液，但仍可以維持細胞在體外較長時間生長、繁殖的一種培養基。無血清培養基的研究有兩個方向：一是培養基中不含有任何動物來源的添加組分；二是培養基中不含有不明確的添加組分。當前應用較多的無血清培養基歸納為以下四種：
1. 一般意義上的無血清培養基：用各類可代替血清功能的生物材料配制細胞培養基，如牛血清白蛋白（BSA）、轉鐵蛋白、胰島素等生物大分子物質，以及從血清中提取的去除蛋白質的混合脂類以及水解蛋白等。其特點是培養基中的蛋白含量較高，添加物質的化學成分不明確，其中含有大量的動物來源蛋白。
2. 無動物來源培養基：許多無動物來源培養基是基于生產重組藥物安全的考慮，培養基中的添加組分無動物來源，需要的蛋白來源于重組蛋白或者蛋白水解物，這些組分可以保障細胞生長及增殖的需要。
3. 無動物蛋白培養基：培養基完全不用動物來源的蛋白，但仍有部分添加物是來源于植物蛋白的水解片段或合成多肽片段等其他衍生物。此類培養基組分相對穩定，但必須添加類固醇激素和脂類前體，并且對培養的細胞是高度特異性的。
4. 化學組分限定培養基：此類培養基是目前最安全的，最為理想的培養基，首先可以保證培養基批次間的一致性，其中所添加的少量動物來源的蛋白水解物、蛋白都是成分明確的組分。其特點是培養基的性質確定，配起培養基來也比較方便。
無血清培養基可滿足細胞生長需要，不僅避免了血清的許多不利因素，還有血清培養無法比擬的優點：組分穩定可大量配制，蛋白含量低，不含有絲分裂原抑制劑可促進細胞增殖，簡化各種提純和鑒定細胞產物的程序。在含血清的合成培養基中，往往不能較長時間地維持細胞高密度培養，同時衰老死亡的細胞可把細胞內的蛋白酶釋放到培養基中，降解蛋白類目的產物，這對蛋白類生物制品的生產是極為不利的。在無血清培養條件下，細胞的生長速率和細胞密度及蛋白的表達水平都不亞于血清培養，甚至在某些方面超過血清培養，某些細胞的生長和抗體的產量甚至高于有血清時數倍。細胞易受攪拌等機械因素的影響，無血清培養基粘度小，因此對細胞影響小。在控制細胞生長、增殖、分化及基因表達調控的調節機制的研究中和細胞工程等現代生物技術中，對一致性和確定的條件要求，來自產物純化的生物技術上的壓力，世界范圍的血清供應的逐漸緊張的情況，以及嚴格的質量控制要求，都將迫使普遍采用無血清培養基。 無血清培養基取代含血清的培養基已成為未來細胞培養的趨勢。然而無血清培養基也存在著一些劣勢。無血清培養基目前價格偏高，另外，一般無血清培養基通用性不高，不同類型的細胞株或細胞系可能需要不同的添加成分。處于發育的不同分化階段的細胞(例如干細胞與定向前體細胞相比)需要不同的配方，對生長因子和細胞因子的選擇尤為重要。細胞在無血清培養基中易受某些機械因素和化學因素的影響，培養基的保存和應用不如傳統的合成培養基方便。而且在去除血清的同時，也去除了一些血清蛋白具有的保護、解毒作用，因此對試劑、水的純度和儀器清潔度的要求更高。
目前市場上部分血清替代品：
KnockOutTM Serum Replacement (Gibco) 胚胎干細胞（ESC）/誘導多能細胞（iPSC）的血清替代品，成分明確，支持未分化的多能干細胞培養。保存：避光，-5 至 -20℃凍存；有效期：12個月。
KNOCKOUTTMSR XenoFree CTSTM（Gibco）支持人胚胎干細胞（hESC）的生長和增殖，只含有人源蛋白或人的重組蛋白。保存：避光，-5 至 -20℃凍存；有效期：18個月。
HyClone AdvanceSTEM Serum Replacement（HyClone）為培養小鼠胚胎干細胞（mESC）設計的配方。保存：凍存。
XerumFreeTM（TNC Bio） 世界首創通用的完全無動物成分的血清替代品，成分明確，含少量重組蛋白，適用于干細胞、其他常用細胞系及昆蟲細胞等的培養。100多個研究機構和生產單位成功試用，效果相當或好于血清。保存：避光，2 至8℃；有效期：12個月。 |
