在細(xì)胞培養(yǎng)中大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞體外培養(yǎng)時(shí)都需要加入血清提供營養(yǎng)，但由于血清存在很多潛在風(fēng)險(xiǎn)，促使科學(xué)家們進(jìn)行無血清馴化細(xì)胞的研究。所以，在1976 年Hayashi 等人提出了無血清培養(yǎng)基的概念，此后，大量生物醫(yī)藥學(xué)家開始對(duì)無血清培養(yǎng)基進(jìn)行研制。80 年代后，無血清培養(yǎng)基的研究與制備廣泛發(fā)展，到 90 年代已有一些商業(yè)化無血清培養(yǎng)基。與傳統(tǒng)的培養(yǎng)基相比較，無血清培養(yǎng)基是不含動(dòng)物血清，但仍可以維持細(xì)胞在體外較長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)、增殖的一種培養(yǎng)基。無血清培養(yǎng)基由于其組成成分相對(duì)清楚，制備過程簡(jiǎn)單，在現(xiàn)代生物技術(shù)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
無血清培養(yǎng)基的組成和作用

1.葡萄糖
動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)基中添加的糖主要是葡萄糖，添加量通常在5-25mM之間。葡萄糖的主要代謝途徑是通過糖酵解代謝成丙酮酸，進(jìn)而降解成乳酸。這最終會(huì)導(dǎo)致乳酸在培養(yǎng)基中積累。代謝流研究分析發(fā)現(xiàn)，只有一小部分（約20-30%）的葡萄糖流向其它途徑包括三羧酸循環(huán)和戊糖磷酸旁路。
除了葡萄糖，研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物細(xì)胞也能利用谷氨酰胺作為主要的能量物質(zhì)。谷氨酰胺的添加量常常高于其它氨基酸（2-4mM），也是很多細(xì)胞系生長(zhǎng)需要的物質(zhì)。在大多數(shù)情況下，谷氨酰胺和葡萄糖會(huì)分別被快速利用，在耗盡之前，會(huì)引起細(xì)胞生長(zhǎng)抑制。

2.氨基酸
細(xì)胞不同，所需的特定營養(yǎng)也不同，同理，它們所需的必需氨基酸（動(dòng)物體內(nèi)不能自身合成）也是不同的。一些非必需氨基酸通常也會(huì)加入到培養(yǎng)基中，這是因?yàn)橛行┘?xì)胞系自身不能產(chǎn)生相應(yīng)的氨基酸，從而會(huì)限制細(xì)胞生長(zhǎng)。培養(yǎng)基中氨基酸限制會(huì)降低細(xì)胞生長(zhǎng)速率和/或最高細(xì)胞密度。其它非必需氨基酸細(xì)胞可以產(chǎn)生，但是不足以維持優(yōu)生長(zhǎng)。一些氨基酸如谷氨酰胺在培養(yǎng)基中不穩(wěn)定，因此需要單獨(dú)加入以維持其在一個(gè)合適的濃度水平。
支鏈氨基酸被很多細(xì)胞包括MDCK細(xì)胞、人成纖維細(xì)胞、小鼠骨髓瘤細(xì)胞和BHK細(xì)胞等消耗得特別快。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雜交瘤細(xì)胞利用谷氨酰胺利用率很低的時(shí)候，支鏈氨基酸被氧化的更多。同樣，谷氨酰胺的消耗降低，絲氨酸的消耗就會(huì)升高。

一些細(xì)胞系對(duì)氨基酸限制比其它細(xì)胞要敏感，因此，在大規(guī)模培養(yǎng)基中，補(bǔ)料策略非常重要。例如，谷氨酰胺濃度低，BHK細(xì)胞就會(huì)消耗更多的其它氨基酸，尤其是必需氨基酸如亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸和非必需氨基酸如絲氨酸和谷氨酸鹽。

3.鹽
為防止?jié)B透壓失衡，培養(yǎng)基的鹽濃度需與滲透壓匹配。培養(yǎng)基細(xì)胞生長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)滲透壓是300mOsm/kg，這個(gè)滲透壓適用于絕大多數(shù)細(xì)胞。值得注意的是，由于鹽會(huì)改變培養(yǎng)基的滲透壓，因此，向培養(yǎng)基中加鹽的時(shí)候要特別小心。大多數(shù)細(xì)胞能承受的滲透壓范圍在270~330mOsm/kg。
經(jīng)常用的鹽有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、PO43-和HCO3-。它們幾乎出現(xiàn)在所有的基礎(chǔ)培養(yǎng)基中。

4.微量元素
培養(yǎng)基中添加了血清含有的無機(jī)微量元素，如Mn、Cu、Zn、Mo、Va、Se、Fe、Ca、Mg、Si、Ni和不常用的微量元素如Al、Ag、Ba、Br、Cd、Co、Cr、F、Ge、J、Rb和zr。這些微量元素激活酶的活性，也是大多數(shù)細(xì)胞生長(zhǎng)所需的元素。

無血清培養(yǎng)基中經(jīng)常添加的元素是硒。硒的主要功能是抗氧化和促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，硒以硒蛋白家族形式在動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)揮生理作用，目前已被確認(rèn)的形式有11種，據(jù)研究，這些蛋白均參與抗氧化活動(dòng)，如谷胱甘肽過氧化物酶和硫氧還蛋白酶。

在某些情況下，特定微量元素的加入會(huì)降低對(duì)某種生長(zhǎng)因子的需求。例如，在很多細(xì)胞如B淋巴細(xì)胞、MDCK和人二倍體成纖維細(xì)胞中，亞鐵鹽能夠替代轉(zhuǎn)鐵蛋白。

研究發(fā)現(xiàn)，鈣參與細(xì)胞增殖活動(dòng)，這對(duì)于很多過程如信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞分裂和細(xì)胞黏附等過程很重要。鈣調(diào)蛋白（一種鈣激活蛋白）通過不同的濃度水平調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂過程中的很多絲氨酸/蘇氨酸激酶活性。鈣濃度升高，對(duì)很多細(xì)胞如角質(zhì)形成細(xì)胞和人二倍體成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)有利。降低培養(yǎng)基中的鈣濃度，就會(huì)降低細(xì)胞間的黏附。在很多生產(chǎn)系統(tǒng)中，細(xì)胞結(jié)團(tuán)是一個(gè)大問題，這會(huì)降低產(chǎn)量和細(xì)胞存活率。如降低培養(yǎng)基中的鈣濃度，則可以避開這個(gè)問題的產(chǎn)生，而且這在很多攪拌培養(yǎng)系統(tǒng)中被證明十分有效。

5.維生素
培養(yǎng)基中的維生素和荷爾蒙濃度相對(duì)較低，它們被作為輔助因子利用，不同細(xì)胞系對(duì)它們的營養(yǎng)需求存在很大不同。因此，這些輔助因子在不同的培養(yǎng)基中變化很大。維生素對(duì)細(xì)胞的限制表現(xiàn)在細(xì)胞生長(zhǎng)和存活上，但不影響最高細(xì)胞密度。

培養(yǎng)基中的維生素水平隨細(xì)胞種類的不同而不同。基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方如為HeLa細(xì)胞和小鼠成纖維細(xì)胞而設(shè)計(jì)的BME培養(yǎng)基含有生物素、葉酸、尼可酰胺、泛酸鹽、吡哆醛、核黃素和硫胺。無血清培養(yǎng)基配方越復(fù)雜，例如F12、DMEM、M199，它含有的維生素種類就越多。每種維生素的含量都是根據(jù)具體的細(xì)胞系靠經(jīng)驗(yàn)添加。因此，每種培養(yǎng)基都需要根據(jù)不同的情況而設(shè)計(jì)。

6.緩沖鹽
在細(xì)胞培養(yǎng)過程中，HCO3-經(jīng)常和二氧化碳環(huán)境（5-10%）配合使用作緩沖系統(tǒng)，這使得培養(yǎng)基的pH普遍維持在6.9-7.4，在培養(yǎng)箱或者搖瓶中，通過控制氣體控制CO2，HCO3--CO2緩沖系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于，離開CO2的環(huán)境，培養(yǎng)基迅速變?yōu)閴A性。為防止這種情況發(fā)生，有機(jī)緩沖液Hepes（pH7.0）經(jīng)常以~25mM的濃度加入培養(yǎng)基，這使得CO2的濃度可以降低至2%

7.生長(zhǎng)因子
為促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，經(jīng)常在一些培養(yǎng)基中添加特定蛋白，在無血清或低血清的培養(yǎng)基中，這些蛋白能夠?yàn)榧?xì)胞生長(zhǎng)提供基礎(chǔ)物質(zhì)。他們被稱為“生長(zhǎng)因子"。

這類生長(zhǎng)因子包括成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（酸性FGF和堿性FGF）、類胰島素生長(zhǎng)因子（IGF）、表皮生長(zhǎng)因子（EGF）、神經(jīng)生長(zhǎng)因子（NGF）、血小板衍生生長(zhǎng)因子（PDGF）和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子（TGF：α和β）。這些生長(zhǎng)因子在1-10ng/mL的范圍內(nèi)均有活性。

8.脂類
在細(xì)胞內(nèi)，脂類有很多作用。它們是細(xì)胞膜、外部信號(hào)傳感器的組件，也是能量代謝之源。血清本身含有脂類，但是基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方通常不含脂類。某些脂類作為添加劑添加到無血清培養(yǎng)基中，顯示有促進(jìn)細(xì)胞增殖的作用。

通常，血清中的脂類有脂肪酸、磷脂、卵磷脂和膽固醇。磷脂不但是細(xì)胞膜的主要構(gòu)成組件，在調(diào)節(jié)生長(zhǎng)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑中也起到非常重要的作用。在細(xì)胞外，磷脂對(duì)很多細(xì)胞系的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。在很多貼壁細(xì)胞如MDCK、小鼠上皮細(xì)胞和其它腎細(xì)胞中，磷脂酸和溶血磷脂酸能促進(jìn)它們生長(zhǎng)。在無血清培養(yǎng)基中，其它脂類如卵磷脂、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇可以促進(jìn)人二倍體成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)。膽固醇對(duì)大多數(shù)細(xì)胞也有促進(jìn)生長(zhǎng)作用，也是某些細(xì)胞（如骨髓瘤細(xì)胞）生長(zhǎng)的必需成分。其它一些特定的脂肪酸，如油酸和亞油酸，在雜交瘤細(xì)胞的無血清培養(yǎng)的傳代中也能提高生長(zhǎng)速度和產(chǎn)量。

無血清培養(yǎng)基的優(yōu)勢(shì)
1.可避免血清批次間的質(zhì)量變動(dòng)，提高細(xì)胞培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性。
2.避免血清對(duì)細(xì)胞的毒性作用和血清源性污染。
3.避免血清組分對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的影響。
4.有利于體外培養(yǎng)細(xì)胞的分化。
5.可提高產(chǎn)品的表達(dá)水平并使細(xì)胞產(chǎn)品易于純化。

無血清培養(yǎng)基的缺點(diǎn)
1.細(xì)胞在無血清培養(yǎng)基中易受某些機(jī)械因素和化學(xué)因素的影響，培養(yǎng)基的保存和應(yīng)用不如傳統(tǒng)的合成培養(yǎng)基方便。
2.成本較高。
3.針對(duì)性很強(qiáng)，一種無血清培養(yǎng)基僅適合某一類細(xì)胞的培養(yǎng)