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该协议介绍了研究细胞培养实验室中使用的基本细胞培养技术和实践,以避免真菌和细菌污染。在细菌类别中,将特别强调防止支原体污染。
细胞培养是在受控环境中生长人类、动物和昆虫细胞或其他组织所必需的一项精细技能。该协议的目标是强调研究实验室中使用的正确技术,以防止真菌和细菌污染。特别强调避免支原体污染,这是细胞培养室的一个主要问题,因为它体积小,对用于细胞培养的大多数抗生素具有抗性。这些相同的技术可确保持续生长并保持健康的细胞。对于新的和有经验的细胞培养用户,始终如一地遵守这些最佳实践以降低污染风险非常重要。实验室应每年审查一次细胞培养最佳实践,并在需要时进行讨论或额外培训。与污染发生后进行清理相比,尽早采取行动防止污染将节省时间和金钱。通用的最佳实践可保持细胞培养的健康,从而减少不断解冻新细胞的需要,购买昂贵的细胞培养基,并减少培养箱净化和停机时间。
细胞培养在研究实验室中有许多用途。自20世纪初细胞培养起源以来,细胞系一直帮助推动科学发展。细胞系有几个优点;各种细胞系可以帮助研究人员研究细胞生物学,产生杆状病毒用于进一步研究,或产生大量感兴趣的蛋白质,仅举几例1。一些额外的用途包括研究组织生长,帮助推进疫苗开发,毒理学研究,研究基因在健康生物体和患病模型中的作用,以及杂交细胞系的生产2,3。细胞系还可以实现药物生产3。使用细胞系时,需要适当的无菌技术;本手稿中概述的实践和技术适用于进行细胞培养工作的研究实验室。其他实验室设置不讨论。
在进行细胞培养工作时,污染通常是主要关注的问题。在本文中,污染通常是指真菌和细菌。本文概述的方法的总体目标是全面描述避免污染的最佳实践。所有实验室成员在研究实验室的细胞培养室工作时都应遵守这些做法。实验室应确保所有工人积极参与使用这些最佳实践来防止污染。正确的实践和技术知识将有助于确保细胞培养物保持活力、健康和不受污染。该技术的发展基于文献研究、七年的细胞培养经验,以及对新手和经验丰富的细胞培养工作者每年都可以参考的方法的需求。
需要一种清晰、标准化的技术,所有研究细胞培养实验室都应遵循。许多关于细胞培养污染的文献讨论了支原体的检测、无菌技术、污染源、污染物的消除以及通过使用抗生素和定期检测进行预防4,5,6,7,8。虽然这些信息很有帮助,但文献中没有视频来展示应该遵循的正确细胞培养技术。与其他技术相比,所介绍的做法的优势在于专注于在污染发生之前防止污染,而不是在以后发现和纠正错误。此外,无菌技术的全面演示、关于防止真菌和细菌生长的讨论以及有关生物安全柜气流的信息对于新手和有经验的细胞培养工作者都很有价值。
细菌和真菌是两种最常见的污染物类型。在细菌类别中,支原体是一个主要问题,因为它体积小,能够增殖而不被注意。它们是自我复制的生物,没有依靠真核细胞生长的刚性细胞壁。尽管透射电子显微镜可以检测到支原体9,10,但它们的代谢能力降低,并且可以大量繁殖,同时在细胞培养物的常规目视检查和定期显微镜分析中仍未被识别。此外,它们可以通过微生物过滤器10。细胞培养基为支原体提供营养,但不幸的是,用抗生素补充培养基不会影响支原体10。应该注意的是,一般来说,没有必要用抗生素补充培养基;适当的技术应该足以防止污染。支原体感染不会导致细胞立即死亡,但研究人员担心它会影响数据的可重复性和质量。
所有实验室人员应严格遵守良好的细胞培养规范。培养物应在新购买后、当前生长期间、冷冻保存前以及从液氮2,10 解冻时检测支原体。市场上有不同的测试,使用聚合酶链反应(PCR),酶联免疫吸附测定(ELISA)或免疫染色。3 文献表明,"人分离株占细胞培养中发现的支原体污染物的很大一部分"5。尽管已经描述了200多种支原体,但其中约6种占大多数感染。这六个物种是 M. arginini、M. fermentans、M. hominis、M. hyorhinis、M. oral 和 Acholeplasma laidlawii10。与其他类型的污染一样,空气和气溶胶将这些污染物带入细胞培养物5。这在其他论文中得到了回应,因为"人类操作员可能是实验室中最大的危险"7。虽然这是通过人为错误完成的,但如果遵循标准程序,则可以消除风险。人员脱落不仅限于支原体污染;一个实验室中的细胞培养物通常感染相同的支原体物种,这表明由于不正确的细胞培养技术,污染从一个烧瓶扩散到另一个烧瓶10。
防止交叉污染也是应遵循适当的细胞培养技术的另一个原因。值得注意的是,全球至少有15%-18%的细胞系可能被交叉污染或错误识别11,12。除了测试细胞系的支原体污染外,还应测试它们的交叉污染10。对于人类细胞系,通过一种称为短串联重复(STR)分析的廉价基于DNA的技术进行细胞系鉴定是当前的国际参考标准,因为它是确认细胞系身份的简单方法2,10,13,14。STR可以识别错误标记或交叉污染的细胞系,但不能检测不正确的组织来源10,13,14。如果细胞系被错误标记、错误识别或污染,研究数据的有效性可能会受到损害13.与其他类型的污染类似,由于技术不佳导致气溶胶扩散,错误接触导致错误的细胞类型进入烧瓶,或使用相同的培养基瓶和具有不同细胞系的试剂,可能会发生交叉污染10。不应共享媒体瓶;在两个不同的细胞系之间共享一瓶培养基可以使这些细胞群混合,导致生长更快的细胞类型完全接管烧瓶。这种替换并不明显,会导致标签错误和错误识别2.如果在处理或标记过程中培养物混淆,则也可能将细胞系误认为另一种细胞系10。应特别注意将试剂、培养基和培养瓶彼此分开。每个实验室成员都应该有自己的培养基瓶;实验室成员之间不应进行共享。细胞系本身应从合格的细胞库和供应商处购买。实验室不应共用细胞。研究表明,尽管经常使用STR和支原体检测,但文献中的许多研究论文已经使用了错误识别或污染的细胞系15。筛选研究以找到这些有问题的论文并追溯告知读者此事是很麻烦的。预防是确保此问题不会首先发生的最佳方法。
喷洒含有70%EtOH的物品的简单动作即可杀死生物体;70%的EtOH通过使蛋白质变性和溶解最常见的污染生物(包括细菌和真菌)中的脂质起作用16。研究表明,70%是最有效的浓度;表面蛋白不会与70%的EtOH快速凝结,因此它们可以进入细胞,而它所含的水是蛋白质变性过程所必需的。由于细胞壁两侧的水和酒精的浓度差异,70%的EtOH进入细胞使酶和结构蛋白变性。如果在烧瓶中观察到霉菌生长,则必须首先用70%EtOH喷洒并擦干整个培养箱,然后在60°C下孵育16小时过夜17。这可以杀死大多数霉菌和任何细菌。
与在污染发生后消除污染的替代技术相比,预防措施的主要优势在于,通过及早预防污染,实验室工作人员可以确保他们的细胞培养物是健康的,并且不会有与培养箱净化或丢弃细胞培养物相关的高成本。例如,消除支原体污染物后效率不高7.尽早花时间确保实验室人员接受适当的培训,细胞培养室是独立的,并使用标准程序将节省时间和金钱。
1. 准备工作
2. 使用贴壁细胞系
4. 检查和存储细胞
5. 使用悬浮细胞系
6. 细胞孵育
7. 废液收集
8. 清理
9. 组织
10. 识别细菌、真菌和支原体污染
注意:不遵循上述工作流程会导致细菌、真菌和支原体污染。
如果不遵循本文中概述的正确细胞培养技术和实践,研究细胞培养实验室可能会受到真菌和细菌的污染。 图2 显示了悬浮液和贴壁培养物中含有污染物的培养瓶。
如果不遵循无菌技术,2-3天后可能会发生霉菌污染。悬浮细胞中漂浮在培养基中的圆形绒毛球很明显,而附着细胞中的霉菌生长可以观察到大块、不规则、白色或绿色斑块。
对于细菌,第二天观察到污染。媒体是湍流的,白色的,多云的。白色是细菌细胞的典型特征,其繁殖速度比细胞系快得多。有经验的眼睛能够区分未受污染的介质和受污染的介质。对于附着的细胞,可以将一瓶未开封的培养基与烧瓶进行比较,以检查烧瓶中是否观察到任何湍流。
在生物安全柜内,物品数量应保持在最低限度。避免将物品放在后格栅和前格栅上(请参阅图 3)。在这个柜子里,有一套移液器、吸头、高压灭菌的玻璃移液器、移液器辅助装置和标记器。中间的工作区域很清晰。以这种方式保持机柜井井有条是个好主意。此外,操作员在开始工作前应穿上干净的实验室外套和手套。应将含有70%乙基醇的喷雾瓶放在附近,以便操作员可以经常喷洒手套。皮肤被手套或实验室外套覆盖。在机柜内工作时,操作员应调整椅子,使其手臂呈 90° 角,并且物品应在机柜内触手可及(请参阅图 4)。
许多支原体种类可以使用基于PCR的测定法可靠地鉴定。 图5 显示了支原体检测阴性的结果。左边的条带显示了DNA的分子量标准品。右边的四个波段是阳性对照。由于未检测到支原体,因此在测试细胞类型下没有出现条带。
如果培养基含有pH指示剂,则细胞的最佳pH值为7.4,它将为红色。一旦细胞生长,培养基的颜色将从红色变为黄色3。如果细菌接管烧瓶并过度生长,也会发生这种颜色变化(图6)。黄色表示pH值低。观察烧瓶旁边一瓶新的、未开封的培养基是观察附着细胞污染的客观方法。对于悬浮培养,用户可以仔细观察培养瓶中漂浮的任何生长物,或者玻璃烧瓶内部周围是否存在厚厚的细菌细胞环。对于这两种细胞类型,都可以取少量样品并在显微镜下观察。如果观察到其他生长或细胞形状,特别是如果细胞正在移动,那么这是污染的指标(图7)。在细胞计数之前,应彻底清洁血细胞计数器,因为这种类型的碎片可能仅存在于血细胞计数器上,而不存在于细胞培养物本身中。
气味可能是培养箱中污染的另一个指标。细菌过度生长具有典型的气味,有经验的细胞培养用户会注意到。气味总是与受污染的烧瓶一致,尽管一个受感染的烧瓶可能并不总是导致整个培养箱闻到气味。
霉菌污染在悬浮生长的HEK 293 S细胞中更为普遍。细菌污染在SF-9细胞中更为常见。这可能是因为RIC细胞在湿度下生长,从而导致培养箱中的水分积聚。SF-9细胞在没有湿度的情况下生长,因此环境更干燥。贴壁培养物中的污染速率小于悬浮培养物中的污染速率。这可能是由于烧瓶尺寸较小,烧瓶不可重复使用的性质,或者通风盖而不是使用铝箔。
支原体不能用肉眼或普通光学显微镜观察,尽管专门的透射电子显微镜可以检测支原体。应每月使用支原体鉴定试剂盒检测细胞培养物。许多支原体种类可以使用基于PCR的测定法可靠地鉴定。有关如何进行此PCR测试的简要说明可以在方案部分找到,有关支原体的更多信息可以在讨论部分找到。
图1:空气 在 生物安全柜中的流动方式。 生物安全柜通过前后格栅从房间本身和机柜中抽取受污染的空气。这些空气进入金属工作表面下方,朝向机柜的背面,并到达 HEPA 过滤器所在的装置顶部。在那里,空气通过过滤器并被过滤。这种清洁的空气压在工作台面上。由于过滤后的气流如何在机柜内向下推,因此最好不要悬停。例如,不希望在打开的瓶子顶部有一个套筒,并且有可能将任何潜在的污染物推入介质中。带入机柜的物品数量应保持在最低限度,并且不应将物品放在前格栅或后格栅上,以免中断气流。将手臂移入和移出机柜的速度过快也会干扰气流。由Jeff Kaphingst,Jeff the Designer,LLC为NuAire,Inc.创建。 请点击此处查看此图的大图。
图2:未受污染的悬浮液和贴壁细胞以及被霉菌或细菌污染的细胞。 左边的第一张图片包含未被污染的昆虫细胞(SF-9细胞)。第二张图像显示了这些细胞被霉菌污染的另一个烧瓶。第三个烧瓶被细菌污染,从厚厚的白色浑浊外观可以看出。第二个和第三个烧瓶被污染,因为没有遵循适当的细胞培养技术和实践。所有烧瓶均在同一天制备。第二天观察到细菌污染的生长,2天后观察到霉菌污染的生长。图中显示了未受污染的贴壁细胞(Hek293细胞)以及贴壁培养物中的霉菌和细菌污染。霉菌污染显示在圆形培养皿的第二行中。照片是从盘子的顶部拍摄的。 请点击此处查看此图的大图。
图3:细胞培养柜组织。 在生物安全柜内,物品的数量应保持在最低限度。应避免将物品放在后格栅和前格栅上。在这个柜子里,有一套移液器、吸头、高压灭菌的玻璃移液器、移液器辅助装置和标记器。中间的工作区域很清晰。 请点击此处查看此图的大图。
图 4:操作员在流罩下工作的正确方法。 操作员在开始工作前应穿上干净的实验室外套和手套。应将含有70%乙基醇的喷雾瓶放在附近,以便操作员可以经常喷洒手套。皮肤被手套或实验室外套覆盖。操作员应调整他们的椅子,使其在机柜内工作时手臂呈 90° 角。物品应在机柜内触手可及。 请点击此处查看此图的大图。
图 5:支原体检测结果为阴性。 许多支原体种类可以使用基于PCR的测定法可靠地鉴定。左边的条带显示了DNA的分子量标准品。右边的四个波段是阳性对照。由于未检测到支原体,因此在测试细胞类型下没有出现条带。 请点击此处查看此图的大图。
图6:正常介质颜色从红色变为黄色。 如果存在pH指示剂,细胞培养基的颜色将从红色变为黄色。黄色表示pH值低,应更换培养基。 请点击此处查看此图的大图。
图 7:在光学显微镜下观察到的污染物。 如果在进行细胞计数时在光学显微镜下观察到其他生长或细胞形状,那么这可能是污染的指标。应该注意的是,在细胞计数之前应彻底清洁血细胞计数器,因为这种类型的碎片可能仅存在于血细胞计数器上,而不是细胞培养物本身。 请点击此处查看此图的大图。
补充文件1:附录 请点击这里下载此文件。
虽然污染是进行细胞培养工作时的主要问题之一,但本手稿中概述的实践和技术将有助于降低风险。关键步骤包括穿着干净的实验室外套,仅在细胞培养室使用,使用干净的无粉手套,这些手套经常喷洒70%EtOH,并在细胞系之间切换时更换,鼓励每个人不要共用培养基瓶,在完成工作之前和之后彻底清洁机柜, 整齐地打开血清移液器,避免长时间密切接触打开的瓶子或烧瓶,不要在多个细胞系之间共享培养基瓶,并快速打开和关闭培养箱门。此外,清洗和高压灭菌自己的玻璃器皿可确保质量控制,从而降低引入外部污染物的可能性。质量控制方法包括使用高压釜胶带指示灭菌器是否已达到121°C的适当温度,定期对设备进行预防性维护,以及目视检查烧瓶以确保其已正确擦洗18。另一个重要的一点是,对不同的细胞类型使用单独的培养箱,以确保一种细胞类型的污染不会转移到其他细胞类型,并确保不会发生与细胞的交叉污染。
细菌和真菌感染是细胞培养物中最常见的两种入侵者。主要污染物之一,口腔支 原体,是人类口腔中最常见的支原体物种,也是"代表单一最常见的分离株,占细胞培养物中所有支原体感染的20%-40%"4。换句话说,实验室人员是这种污染的主要来源。这始终是细胞培养室中关注的问题,因为支原体是一种小而缓慢的微生物,缺乏可以通过0.45μm过滤器的刚性细胞壁4。研究表明,支原体污染的发生率为连续人或动物细胞系的15%-35%4。此外,统计数据表明,世界上约有5%至30%的细胞系被支原体污染6。不幸的是,支原体对大多数用于细胞培养的抗生素具有耐药性,感染会影响细胞生理和代谢4,6。虽然污染不会减慢细胞新陈代谢,但它可能会污染最终产物6。感染可以在实验室成员没有注意到细胞损伤的情况下持续存在。如果确实发生污染,解冻新细胞的成本,繁殖新培养物所花费的时间,浪费的昂贵培养基,净化培养箱以及同事等待再次开始实验所花费的时间是巨大的。我们的实验室估计,总损失时间占2周,与典型的人类哺乳动物细胞蛋白表达8 L的污染相关的总成本为1,400美元。本手稿中概述的实践和技术提供了良好的预防措施,以减轻额外的成本、细胞损失和停机时间。
不建议修改这些做法。所有实验室成员在细胞培养室工作之前都应接受培训,然后每年接受进修培训7.实验室成员还应组织细胞培养室,以便将所有必要的用品集中在一个区域,从而最大限度地减少实验室成员离开细胞培养室寻找用品的需要。
如果污染来自外部来源,如血清、培养箱、故障高压灭菌器、脏实验室涂层或细胞来源,则观察到所介绍技术的局限性。如果尽管严格遵守此协议但仍发生污染,则可能需要对该技术进行故障排除。许多外部因素都可能导致这种类型的污染。实验室成员需要谨慎并检查外部来源。例如,从供应商处购买的胎牛血清(FBS)可能已被支原体污染。与 1950 年代相比,这种情况现在很少发生,但仍可能发生6.如果发现任何污染,应扔掉所有培养基瓶,并通过解冻新细胞和使用新培养基重新启动协议。如果是霉菌或细菌,则培养箱内可能已经存在污染物;应检查同一培养箱内的其他烧瓶,以查看是否观察到细菌或霉菌生长。应扔掉所有受污染的烧瓶,并对培养箱进行净化。如果没有发现污染,应检查高压釜是否有故障错误;玻璃器皿可能一开始就没有正确高压灭菌。尽管高压釜未达到121°C,但高压釜胶带可能会改变颜色。 之后,应检查所用抗生素溶液的有效期;可能需要购买新的解决方案。最后,应考虑细胞的来源;它们是从值得信赖的实验室供应商那里借来的还是从其他实验室借来的?电池应始终从值得信赖的实验室供应商处购买,切勿从其他实验室借用。最后,应清洗实验室涂层以确保其清洁度19.每当烧瓶被污染时,应考虑对培养箱进行净化。不得让细菌细胞或霉菌孢子繁殖并继续传播污染。
现有方法反映了污染的消除。本手稿中概述的方法侧重于预防而不是消除污染。关于使用抗生素去除支原体20,存在几种程序。然而,使用抗生素是有风险的,因为它们可能无法完全消除感染,并且"可能允许耐药生物体发展"12。事实上,"在抗生素中连续生长的培养物中有 72% 被证明是支原体阳性,而在没有抗生素的情况下生长的培养物中只有 7% 被感染"12。这些数据强调了这样一种观点,即虽然建议使用抗生素并且可能有帮助,但过度使用或完全依赖抗生素是没有好处的。此外,使用抗生素去除污染可能只会让问题持续存在。抗生素溶液不是必需的;如果遵循本文中的技术,则应成功防止污染。
本手稿中概述的做法和技术可用于将来在进行每月支原体测试和自制感受态细菌细胞时保持无菌环境。两种方案都需要一个清洁的环境,类似于细胞培养工作,以便最终产品不受污染。
作者没有任何利益冲突。
这项工作之所以成为可能,要归功于霍华德休斯医学研究所(HHMI)的资助。我们要感谢我们的实验室负责人 Jue Chen 阅读手稿并感谢她的持续支持,感谢 Donna Tallent 的有益编辑和评论,感谢洛克菲勒大学信息技术系的 Jeff Hennefeld 对本手稿视频部分的帮助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
DPBS | Gibco | 14-190-144 | |
DMEM F-12 Media | ATCC | 30-2006 | |
Glass Baffled Flask | Pyrex | 09-552-40 | |
Glass Pipettes | Fisher | 13-678-6B | |
Pipette Aid | Drummond | 13-681-15A | |
Serological Pipette | Corning | 07-200-573 | |
T75 flask | Corning | 07-202-004 | |
Trypsin | Gibco | 25-300-054 | |
*Items may vary because this video is about general cell culture techniques |
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