01年，两大著名制药公司Amgen和Bayer在其年度报告里声称，他们的科研者无法重复具有里程碑意义的期刊杂志中80-90%的研究结果。年Nature的一份由多领域位科学家进行的调查显示，科研成果可重复性低的问题是广泛存在的。难道是科学家们集体「学术不端」吗？答案并非如此。事实上，科学研究中的每一个细节都可能导致实验结果的可重复性、生理相关性受到影响。在此，学术君推荐一篇评论文章，详细分析细胞培养基选择对科学研究的有效性、可重复性和生理相关性的作用，希望能给大家带来一定的启发！00年10月1日，ShovalLagziel等人在NatureMetabolism杂志上在线发表了题为Mindyourmedia的研究评论性综述(1)。让我们一起来研读培养基的前世今生，学习如何选择恰当的培养基吧！图片来源：NatureMetabolism起源：血清培养基与合成培养基二十世纪初期，人们开始尝试对动物细胞进行培养，发现血清对于培养各种动物细胞是必不可少的。但直到二十世纪四十年代，随着第一批细胞系的构建，极大的推动合成培养基的发展，合成培养基能够有效的培养细胞。最初研究聚焦在鉴定发现添加明确物质到血清中时，能改善细胞增殖的关键化学成分。这引起了多种常用培养基的开发，包括基本培养基（MEM），DulbeccosmodifiedEaglesmedium（DMEM）和RoswellParkMemorialInstitute（RPMI）培养基。后来，为满足研究需求，研究人员尝试开发无血清培养基和化学成分限定培养基。研究确定了可以取代血清的成分包括生长因子（如EGF），激素（如胰岛素），载体蛋白（如携带脂肪酸和胆固醇的白蛋白）和载铁蛋白（含铁）和维生素等。初见端倪：血清来源不同导致实验结果出现偏差随着组学技术与细胞生物学的发展，细胞培养已然成为组织代谢研究和多种临床研究（如心血管疾病，脂肪肝疾病，糖尿病和癌症）的中心参与者。即便如此，特定培养基的选择对体外代谢研究的影响仍然被广泛忽视。代谢研究中最常用的培养基仍然是含血清培养基。含血清培养基可以使细胞快速增殖，并且成本比化学限定培养基低。但是，根据供体和加工方法的不同，供应商和特定批次之间的血清差异性可能会导致生物学结果难以重复。由于透析效率在血清供应商和批次之间的显著差异，导致透析血清（去除低分子量代谢物）只能解决部分影响代谢的问题。追根溯源：常用培养基关键代谢物含量与人血浆中含量差别显著一直以来，细胞培养基设计基于满足体外的细胞增殖而不是模仿体内的生理环境，因此合成培养基的根本限制是使用此类细胞培养实验研究的体内相关性不强。常用的基于血清和化学成分限定培养基中许多代谢物的浓度要比人血浆中的浓度高出数倍。标准DMEM中葡萄糖和谷氨酰胺浓度是人血浆中葡萄糖和谷氨酰胺浓度的5倍和7倍。DMEM中其他氨基酸（如蛋氨酸）和维生素（如叶酸）的浓度比人血浆中的浓度高两个数量级。DMEM和其他常见培养基中营养物质的非生理浓度极大地影响着细胞代谢，从而使体外代谢研究结果产生偏差。图片来源：NatureMetabolism案例分析：癌症细胞代谢研究近年研究显示，癌细胞拥有特异的代谢表型，包括谷氨酰胺分解及其在三羧酸循环过氧化物酶中的重要作用。虽然研究之初在某些癌细胞系培养中观察到谷氨酰胺分解的重要性，但后来证明它并不发生在同一细胞衍生的肿瘤中。体外和体内研究之间的差异归因于培养基中胱氨酸的非生理性高浓度，其与细胞内谷氨酸迅速交换（通过xCT转运蛋白），从而诱导谷氨酰胺分解。肿瘤对葡萄糖代谢的依赖性还取决于培养基中葡萄糖含量：在肿瘤微环境(0.75mM）中生理葡萄糖浓度培养癌细胞系，会导致一些肿瘤依赖于氧化磷酸化抑制剂，这取决于线粒体DNA突变和葡萄糖摄取。对症下药生理培养基与代谢组学后来，Plasmax和类人血浆培养基等「生理培养基」相继出现，这类培养基成分的浓度与人血浆中的营养物质浓度相近。研究结果显示，「生理培养基」的合成成分影响细胞内代谢组，各种代谢途径的活性，氧化还原状态，细胞集群等生理状态。癌细胞利用宿主营养维持生存的方式取决于癌细胞所处的内部和外部环境。饮食介导的全身代谢和全身营养利用的变化会影响癌细胞在肿瘤中内环境的稳态()。因此，研究饮食干预对肿瘤代谢的影响，可以通过代谢组学分析，调整培养基中营养成分水平，模仿各种条件（适应热量限制、饲喂生酮或高脂饮食）下饮食引起的血浆代谢物水平变化，为使用饮食和营养治疗癌症患者提供指导。代谢重编程是癌症的一个重要特征，生存环境不同导致肿瘤存在异质性。有科学家研究骨髓和中枢神经系统微环境下的白血病细胞代谢适应情况(3)。该研究使用了一种通过代谢组学分析的脑脊液培养基进行白血病细胞浸润脑脊液的体外研究。开发能代表有限血液灌注下组织代谢微环境的培养基，对于提高肿瘤微环境研究的体外结果向体内环境的转换是非常重要的。代谢组学可以提供有价值的培养成分信息，用于配制模仿特定微环境（例如脑脊液）中代谢条件的新型培养基。连续输注装置我们通常根据培养基酸化程度来监测细胞生长状况：随着pH的降低，酚红的颜色变化，表明需要更换培养基。这很难确定细胞在什么时间消耗完培养基中的重要营养成分。理论上，增加培养基体积可以解决这个问题。但这会限制氧气的灌注，并且可能非常昂贵（使用化学成分限定培养基或同位素示踪剂）。后来，研究人员发现使用具有培养基连续输注的细胞培养设备即可兼得鱼和熊掌。年，Birsoy等人合作开发了Nutrostat连续灌注设备(4)。使用这种连续灌注装置不断流入新鲜培养基，并排走废液，更新迭代，可以帮助癌细胞在更真实情况的低葡萄糖培养基中生长。不