第一節 培養細胞的細胞生物學
一、基本概念
通常，體外培養的生物成分無外乎兩種結構形式：
其一是小塊組織或稱為組織塊（tissue block），一般稱為外植塊；
其二是將生物組織分散后制成的單個細胞，一般稱為分離的細胞(isolated cell)或者分散的細胞(dissociated cell)。
分散的過程通常在培養液或平衡鹽溶液中進行，分散的細胞被懸浮于培養液或平衡鹽溶液中。
單個細胞分散存在于培養液或其它平衡鹽溶液中、緩沖溶液中，就稱為細胞懸液(cell suspension)。
狹義的細胞培養(cell culture)主要是指分離（散）細胞培養，廣義的細胞培養的概念還包括單（個）細胞培養(single cell culture)。一種是群體培養（mass culture），將含有一定數量細胞的懸液置于培養瓶中，讓細胞貼壁生長，匯合（confluence）后形成均勻的單細胞層；另一種是克隆培養（clonal culture），將高度稀釋的游離細胞懸液加入培養瓶中，各個細胞貼壁后，彼此距離較遠，經過生長增殖每一個細胞形成一個細胞集落，稱為克隆（clone）。一個細胞克隆中的所有細胞均來源于同一個祖先細胞。
現今，用于疫苗生產的細胞基本有3類，即原代細胞、二倍體細胞株及傳代細胞系。經過幾十年的研究和發展，目前我國已經擁有了可以進行大規模疫苗生產的動物原代細胞、二倍體細胞和Vero細胞等生產技術，用于生產多種人用、動物疫苗。其中二倍體細胞（如我國70年代建立的人胚肺二倍體細胞株KMB17和2BS）對多種病毒具有廣泛的敏感性，用其制備病毒性疫苗可以克服使用原代細胞時在其培養物中可能存在的各種潛在致病因子的危險，是當前病毒性疫苗生產較為理想的細胞基質。Vero細胞是1962年由日本Chiba大學的Yasumura等人從成年非洲綠猴腎中分離獲得的，是一種貼壁依賴性成纖維細胞，核型為2n 60，高倍體率約為1.7%，可持續地進行培養，不含任何污染因子。通常使用199培養基添加5%胎牛血清進行培養。該細胞可用于多種病毒的增殖，已被WHO批準廣泛用于人用、動物用疫苗生產。
二、體外培養細胞的分型
（一）貼附型：大多數培養細胞貼附生長，屬于貼壁依賴性細胞，大致分成以下四型：
1、成纖維細胞型：胞體呈梭型或不規則三角形，中央有卵圓形核，胞質突起，生長時呈放射狀。除真正的成纖維細胞外，凡由中胚層間充質起源的組織，如心肌、平滑肌、成骨細胞、血管內皮等常呈本型狀態。培養中細胞的形態與成纖維類似時皆可稱之為成纖維細胞。
2、上皮型細胞：細胞呈扁平不規則多角形，中央有圓形核，細胞彼此緊密相連成單層膜。生長時呈膜狀移動，處于膜邊緣的細胞總與膜相連，很少單獨行動。起源于內、外胚層的細胞如皮膚表皮及其衍生物、消化管上皮、肝胰、肺泡上皮等皆成上皮型形態。
3、游走細胞型：呈散在生長，一般不連成片，胞質常突起，呈活躍游走或變形運動，方向不規則。此型細胞不穩定，有時難以和其他細胞相區別。
4、多型細胞型：有一些細胞，如神經細胞難以確定其規律和穩定的形態，可統歸于此類。
（二）懸浮型:見于少數特殊的細胞，如某些類型的癌細胞及白血病細胞。胞體圓形，不貼于支持物上，呈懸浮生長。這類細胞容易大量繁殖。
三、培養細胞的生長和增殖過程:體內細胞生長在動態平衡環境中，而組織培養細胞的生存環境是培養瓶、皿或其它容器，生存空間和營養是有限的。當細胞增殖達到一定密度后，則需要分離出一部分細胞和更新營養液，否則將影響細胞的繼續生存，這一過程叫傳代（Passage或Subculture）。每次傳代以后，細胞的生長和增殖過程都會受一定的影響。另外，很多細胞在體外的生存也不是無限的，存在著一個發展過程。所有這一切，使組織細胞在培養中有著一系列與體內不同的生存特點。
（一）培養細胞生命期（Life Span of Culture Cells）:所謂培養細胞生命期，是指細胞在培養中持續增殖和生長的時間。體內組織細胞的生存期與完整機體的死亡衰老基本相一致。人胚二倍體成纖維細胞培養，在不凍存和反復傳代條件下，可傳30～50代，相當于150～300個細胞增殖周期，能維待一年左右的生存時間，最后衰老凋亡（Apoptosis）。如供體為成體或衰老個體，則生存時間較短；如培養的為其它細胞,如肝細胞或腎細胞，生存時間更短，僅能傳幾代或十幾代。只有當細胞發生遺傳性改變，如獲永生性或惡性轉化時，細胞的生存期才可能發生改變。正常細胞培養時，不論細胞的種類和供體的年齡如何，在細胞全生存過程中，大致都經歷以下三個階段：
1．原代培養（Primary Culture）期：也稱初代培養，即從體內取出組織接種培養到第一次傳代階段，一般持續1一4周。此期細胞呈活躍的移動，可見細胞分裂，但不旺盛。初代培養細胞與體內原組織在形態結構和功能活動上相似性大。細胞群是異質的（Heterogeneous），也即各細胞的遺傳性狀互不相同，細胞相互依存性強。
2．傳代期：初代培養細胞一經傳代后便改稱做細胞系（Cell Line）。在全生命期中此期的持續時間最長。在培養條件較好情況下，細胞增殖旺盛，并能維持二倍體核型，呈二倍體核型的細胞稱二倍體細胞系（Diploid Cell Line）。為保持二倍體細胞性質，細胞應在初代培養期或傳代后早期凍存。當前世界上常用細胞均在不出十代內凍存。如不凍存，則需反復傳代以維持細胞的適宜密度，以利于生存。但這樣就有可能導致細胞失掉二倍體性質或發生轉化。一般情況下當傳代10～50次左右，細胞增殖逐漸緩慢，以至完全停止，細胞進入第三期。
3．衰退期：此期細胞仍然生存，但增殖很慢或不增殖；細胞形態輪廓增強，最后衰退凋亡。
在細胞生命期階段，少數情況下，在以上三期任何一點（多發生在傳代末或衰退期），由于某種因素的影響，細胞可能發生自發轉化（Spontaneous Transformation）。轉化的標志之一是細胞可能獲得永生性（Immortality）或惡性性（Malignancy）。細胞永生性也稱不死性，即細胞獲持久性增殖能力，這樣的細胞群體稱無限細胞系（Infinite Cell Line），也稱連續細胞系（Continuous Cell Line）。無限細胞系的形成主要發生在第二期末，或第三期初階段。細胞獲不死性后，核型大多變成異倍體（Heteroploid）。細胞轉化亦可用人工方法誘發，轉化后的細胞也可能具有惡性性質。細胞永生性和惡性性非同一性狀。
（二）組織培養細胞一代生存期 所有體外培養細胞，包括初代培養及各種細胞系，當生長達到一定密度后，都需做傳代處理。傳代的頻率或間隔與培養液的性質、接種細胞數量和細胞增殖速度等有關。接種細胞數量大、細胞基數大、相同增殖速度條件下，細胞數量增加與飽和速度相對要快（實際上細胞接種數量大時細胞增殖速度比稀少時要快）。連續細胞系和腫瘤細胞系比初代培養細胞增殖快，培養液中血清含量多時細胞增殖比少時快。以上情況都會縮短傳代時間。
所謂細胞“一代”一詞，系僅指從細胞接種到分離再培養時的一段時間，這已成為培養工作中的一種習慣說法，它與細胞倍增一代非同一含義。如某一細胞系為第153代細胞，即指該細胞系已傳代153次。它與細胞世代（Generation）或倍增〔Doubling〕不同；在細胞一代中，細胞能倍增3～6次。
細胞傳一代后，一般要經過以下三個階段：
1．潛伏期（Latent Phase）：細胞接種培養后，先經過一個在培養液中呈懸浮狀態的懸浮期。此時細胞胞質回縮，胞體呈圓球形。接著是細胞附著或貼附于底物表面上，稱貼壁，懸浮期結束。各種細胞貼附速度不同，這與細胞的種類、培養基成分和底物的理化性質等密切相關。初代培養細胞貼附慢，可長達10～24小時或更多；連續細胞系和惡性細胞系快，10～30分鐘即可貼附。細胞貼附現象是一個非常復雜和與多種因素相關的過程。支持物能影響細胞的貼附；底物表面不潔不利貼附，底物表面帶有陽性電荷利于貼附。另外在貼附過程中，有一些特殊物質如纖維連接素（Fibronectin），又稱LETS（Larger External Transformation Substance），細胞表面蛋白（Cell Surface Protein：CSP）等也參與貼附過程。這些物質都是蛋白類成分，它們有的存在于細胞膜的表面（如CSP），有的則來自培養基中的血清（LETS）。近年又從各種不同組織和生物成分中提取出了很多促貼附物質。貼附是貼附類細胞生長增殖條件之一。
細胞貼附于支持物后，除先經過前述延展過程變成極性細胞，還要經過一個潛伏階段，才進入生長和增殖期。細胞處在潛伏期時，可有運動活動，基本無增殖，少見分裂相。細胞潛伏期與細胞接種密度、細胞種類和培養基性質等密切相關。初代培養細胞潛伏期長，約24～96小時或更長，連續細胞系和腫瘤細胞潛伏期短，僅6～24小時；細胞接種密度大時潛伏期短。當細胞分裂相開始出現并逐漸增多時，標志細胞已進入指數增生期。
2．指數增生期（Logarithmic growth Phase）：這是細胞增值最旺盛的階段，細胞分裂相增多。指數增生期細胞分裂相數量可作為判定細胞生長旺盛與否的一個重要標志。一般以細胞分裂（Mitotic Index：MI）表示，即細胞群中每1000個細胞中的分裂相數。體外培養細胞分裂指數受細胞種類、培養液成分、pH、培養箱溫度等多種因素的影響。一般細胞的分裂指數介于0.1%～0.5%，初代細胞分裂指數低，連續細胞和腫瘤細胞分裂指數可高達3%～5%。pH和培養液血清含量變動對細胞分裂指數有很大影響。指數增生期是細胞一代中活力最好的時期，因此是進行各種實驗最好的和最主要的階段。在接種細胞數量適宜情況下，指數增生期持續3～5天后，隨細胞數量不斷增多、生長空間漸趨減少、最后細胞相互接觸匯合成片。細胞相互接觸后，如培養的是正常細胞，由于細胞的相互接觸能抑制細胞的運動，這種現象稱接觸抑制（Contact Inhibition）。而惡性細胞則無接觸抑制現象，因此接觸抑制可作為區別正常與癌細胞標志之一。腫瘤細胞由于無接觸抑制能繼續移動和增殖，導致細胞向三維空間擴展，使細胞發生堆積（Piled up）。細胞接觸匯合成片后，雖發生接觸抑制，只要營養充分，細胞仍然能夠進行增殖分裂，因此細胞數量仍在增多。但當細胞密度進一步增大，培養液中營養成分減少，代謝產物增多時，細胞因營養的枯竭和代謝物的影響，則發生密度抑制（Density Inhibition），導致細胞分裂停止。因此細胞接觸抑制和密度抑制是兩個不同的概念，不應混淆。
3．停滯期（Stagnate Phase）：細胞數量達飽和密度后，細胞遂停止增殖，進入停滯期。此時細胞數量不再增加，故也稱平頂期（Plateau）。停滯期細胞雖不增殖，但仍有代謝活動，繼而培養液中營養漸趨耗盡，代謝產物積累、pH降低。此時需做分離培養即傳代，否則細胞會中毒，發生形態改變，重則從底物脫落死亡，故傳代應越早越好。傳代過晚（已有中毒跡象）能影響下一代細胞的機能狀態。在這種情況下，雖進行了傳代，因細胞已受損，需要恢復，至少還要再傳1～2兩代，通過換液淘汰掉死細胞和使受損輕微的細胞得以恢復后，才能再用。結果反而耽誤了時間，這是在實驗中應特別注意的。
四、原代培養:即第一次培養，是指將培養物放置在體外生長環境中持續培養，中途不分割培養物的培養過程。有幾方面含義：
●培養物一經接種到培養器皿（瓶）中就不在分割，任其生長繁殖；
●原代培養中的“代”并非細胞的“代”數，因為培養過程中細胞經多次分裂已經產生多代子細胞；
●原代培養過程中不分割培養物不等于不更換培養液，也不等于不更換培養器皿。
正常細胞培養的世代數有限，只有癌細胞和發生轉化的細胞才能無限生長下去。所謂轉化即是指正常細胞在某種因子的作用下發生突變而具有癌性的細胞。目前世界上許多實驗室所廣泛傳用的HeLa細胞系就是1951年從一位名叫Henrietta Lacks的婦女身上取下的宮頸癌細胞培養而成。此細胞系一直延用至今。
原代培養的細胞一般傳至10代左右就不易傳下去了，細胞的生長就會出現停滯，大部分細胞衰老死亡。但是有極少數的細胞能夠度過“危機”而繼續傳下去，這些存活的細胞一般能夠傳到40～50代，這種傳代細胞叫做細胞株。細胞株的遺傳物質沒有發生改變,在培養過程中其特征始終保持。當細胞株傳至50代以后又會出現“危機”，不能再傳下去。但是有部分細胞的遺傳物質發生了改變，并且帶有癌變的特點，有可能在培養條件下無限制地傳代下去，這種傳代細胞稱為細胞系。
原代培養是建立各種細胞系（株）必經的階段，其是否成功與組織污染與否、供體年齡、培養技術和方法、適宜培養基的選擇等多種因素有關。由于原代培養的細胞轉化性極小，對病毒敏感性好，因此適應制備疫苗等生物制品；但也存在有潛在外源因子、不能事先檢查標本、且受供體年齡健康狀況的影響而導致批間差異大等缺陷。目前常用的原代細胞培養有雞胚成纖維細胞及豬腎、猴腎、地鼠腎等原代細胞。
原代培養的基本過程包括取材、培養材料的制備、接種、加培養液、置培養條件下培養等步驟，在所有的操作過程中，都必須保持培養物及生長環境的無菌。
多數情況下，分散的細胞若屬于貼壁依賴型細胞，就能黏附、鋪展于培養器皿和載體表面生長而形成細胞單層，這種培養方式稱為單層細胞培養（monolayer culture），又叫貼壁培養（adherent culture）。少數情況下，培養的細胞沒有貼壁依賴性，可通過專門設備使細胞始終處于懸狀態而在體外生長，這種形式稱為懸浮培養（suspension culture）。如何讓接種的細胞盡快貼壁，是決定培養成功的關鍵步驟：
●取決于適當的生長基質表面；
●可降低接種后培養液對細胞的浮力，如先少補加少量培養液，待細胞貼壁后再補足營養液繼續培養；
●注意適當的細胞接種密度，一般105個/ml左右。
五、傳代培養:當原代培養成功以后，隨著培養時間的延長和細胞不斷分裂，一則細胞之間相互接觸而發生接觸性抑制，生長速度減慢甚至停止；另一方面也會因營養物不足和代謝物積累而不利于生長或發生中毒。此時就需要將培養物分割成小的部分，重新接種到另外的培養器皿（瓶）內，再進行培養。這個過程就稱為傳代（passage）或者再培養（subculture）。對單層培養而言，80%匯合或剛匯合的細胞是較理想的傳代階段。
體外培養技術中所謂的傳“代”概念并不等于細胞生物學中“親代細胞”與“子代細胞”中“代”的概念。傳代培養的實質就是分割后再一次培養，可以相對地衡量培養物的培養年齡。
六、生長曲線:細胞接種入培養瓶后，先進入2-24h的延遲期（lag period），然后進入指數生長期（即對數期）（log phase），匯合成單層進入緩慢生長或停滯期（即平臺期）（plateau lhase）。每種細胞系（cell line）的這些生長期（growth phase）都是特征性的，只要環境條件保持恒定，每一次測定結果應該是可重復的。
第二節 細胞分離技術
一、從原代組織中分離細胞
將組織塊分離（散）成細胞懸液的方法有多種，最常用的是機械解離細胞法、酶學解離細胞法以及螯合劑解離細胞法。
從原代組織中獲得單細胞懸液的一般方法是酶解聚。細胞暴露在酶中的時間要盡可能的短，以保持最大的活性。下列步驟可以解聚整個組織，獲得較高產量的有活性細胞。
1.胰蛋白酶 (Trypsin)
●在去除不需要的組織后，使用無菌的解剖刀和剪子把剩余的組織切成3~4mm小片，通過懸浮在無鈣鎂的平衡鹽溶液中清洗組織碎片。讓組織碎片沉淀，去除上清液。重復清洗2到3次。
●將盛有組織碎片的容器置于冰上，去除殘留的上清液。加入0.25％溶解在無鈣鎂的平衡鹽溶液中的胰蛋白酶（100mg組織加入1ml 胰蛋白酶）。
●在4℃孵育6到18小時，使幾乎沒有胰蛋白酶活性的酶盡可能滲透進去。
●移棄組織碎片中的胰蛋白酶，在37℃孵育包含殘留胰蛋白酶的組織碎片20到30分鐘。
●在組織碎片加入熱的完全培養基，用移液管輕輕地分散組織。如果使用無血清培養基，要加入大豆胰蛋白酶抑制劑。
●通過無菌不銹鋼絲網（100～200mm）過濾，分散所有剩余組織。計數和接種細胞，進行培養。
2.膠原酶 (Collagenase)
●用無菌解剖刀和剪子把剩余組織切成3~4mm小片，用Hanks'平衡液（HBSS）清洗組織碎片幾次。
●加入膠原酶（50～200單位/ml，溶解在HBSS中）。
●在37℃孵育4到18小時。加入3mM CaCl2增加解離效率。
●通過無菌不銹鋼絲網或尼龍網過濾細胞懸液，以分離分散細胞、組織碎片和較大的碎片。如果需要進一步的解聚，在碎片中加入新鮮的膠原酶。
●通過離心在HBSS中清洗懸液幾次。
●再一次在培養基中懸浮細胞，計數和接種細胞，進行培養。
3.Dispase
●用無菌解剖刀和剪子把剩余組織切成3~4mm小片，用不含鈣鎂的平衡鹽溶液清洗組織碎片幾次。
●加入Dispase（0.6～2.4單位/ml 溶解在無鈣鎂的平衡鹽溶液）
●在37℃孵育20分鐘到幾個小時。
●通過無菌不銹鋼絲網或尼龍網過濾細胞懸液，以分離分散細胞、組織碎片和較大的碎片。如果需要進一步的解聚，在碎片中加入新鮮的Dispase。
●通過離心在平衡鹽溶液中清洗懸液幾次。
●再一次在培養基中懸浮細胞，計數和接種細胞，進行培養。
二、從原培養容器中分離細胞:以下是從基層迅速分離細胞，且保持細胞完整性的一般步驟。這一步驟并不意味著對于所有細胞系的廣泛應用，每一種系統最佳條件和施用濃度應該根據經驗加以確定。
●再次培養時檢測細胞的活性。
●細胞的活率應該超過90％
●對于無血清培養基，降低胰蛋白酶使用量。
1. 移棄使用過的細胞培養基。
2. 使用不包含有鈣鎂的平衡鹽溶液或EDTA(ethylene diamine tetraacetic acid，乙二胺四乙酸.)清洗細胞（看表確定正確的清洗溶液）。在培養瓶對著細胞的一面加入清洗溶液，通過轉動培養瓶1到2分鐘清洗細胞層，然后去除清洗液。
3. 以2～3ml/25cm2的量，加選擇的分離液(見表)到培養瓶對著細胞的一面。確保分離液覆蓋細胞層。在37℃孵育培養瓶，輕輕搖動培養瓶。通常，在5到15分鐘內，細胞就會脫落。細胞分離需要的時間因細胞系不同而有所變化。仔細監測細胞分離過程，避免細胞受損傷。對難于從培養瓶基層分離的細胞系，可以輕輕敲打，以加速分離過程。
4. 當細胞完全分離時，垂直放置培養瓶，讓細胞流到培養瓶的底部。在培養瓶中加入完全培養基，通過移液管在單層細胞表面反復吹打來分散細胞。計數并再次培養細胞。
5. 對于無血清培養基，加入大豆胰蛋白酶抑制劑。通常使用1∶1（v∶v）0.25mg/ml胰蛋白酶抑制劑到胰蛋白酶中將抑制胰蛋白酶活性。
第三節 細胞的凍存與復蘇
為了防止因污染或技術原因使長期培養功虧一簣，考慮到培養細胞因傳代而遲早會出現變異，有時因寄贈、交換和購買，培養細胞從一個實驗室轉運到另一個實驗室，最佳的策略是進行低溫保存。這對于維持一些特殊細胞株的遺傳特性極為重要。現簡要介紹深低溫保存法(－70℃~－196℃)的特點。細胞深低溫保存的基本原理是：在－70℃以下時，細胞內的酶活性均己停止，即代謝處于完全停止狀態，故可以長期保存。細胞低溫保存的關鍵，在于通過0~20℃階段的處理過程。在此溫度范圍內，水晶呈針狀，極易招致細胞的嚴重損傷。
一、細胞的凍存:為避免污染造成的損失，最小化連續細胞系的遺傳改變和避免有限細胞系的老化和轉化，需要凍存哺乳細胞。凍存細胞前，細胞應該特性化并檢查是否污染。
有幾種普通培養基用來凍存細胞。對于包含有血清的培養基，成分可能如下：
◆包含10％甘油的完全培養基，
◆包含10％二甲基亞砜（DMSO）的完全培養基，
◆50％ 細胞條件培養基和50％含有10％甘油的新鮮培養基，或
◆50％ 細胞條件培養基和50％含有10％二甲基亞砜的新鮮培養基。
對于無血清培養基，一些普通的培養基成分可能是：
◆50％ 細胞條件無血清培養基和50％包含有7.5％二甲基亞砜的新鮮的無血清培養基，或
◆包含有7.5％二甲基亞砜和10％細胞培養級BSA的新鮮無血清培養基。
1.懸浮細胞
●計數將要凍存的活細胞。細胞應該處于對數生長期。以大約200～400g離心5分鐘沉淀細胞，使用移液管移去上清到最小體積，不要攪亂細胞。
●以1×107到5×107細胞/ml密度，在包含有血清的冷凍培養基中再次懸浮細胞，或者以0.5×107到1×107在無血清培養基中，再次懸浮細胞。
●分裝進凍存管，將凍存管置于濕冰上或放入4℃冰箱中，5分鐘內開始冷凍步驟。
●細胞以1℃/分鐘進行冷凍，可以通過可編程序的冷凍器進行或者把隔離盒中的凍存管放到-70℃到-90℃的冰箱中，然后轉移到液氮中貯存。
2.貼壁細胞
●使用分離試劑從基層分離細胞，分離時盡可能溫和，使對細胞的損傷減少到最小。
●在完全生長培養基中，再次懸浮分離細胞，確定有活力細胞數。
●以大約200g離心5分鐘沉淀細胞。使用移液管移去上清到最小體積，不要攪亂細胞。
●以5×106到1×106細胞/ml密度，在凍存液中懸浮細胞。
●分裝進凍存管，將凍存管置于濕的冰上或放入4℃冰箱中，5分鐘內開始冷凍步驟。
●細胞以1℃/分鐘進行冷凍，可以通過可編程序的冷凍器進行或者把隔離盒中的凍存管放到-70℃到-90℃的冰箱中，然后轉移到液氮中貯存。
二、凍存細胞的復蘇:凍存細胞較脆弱，要輕柔操作。凍存細胞要快速融化，并直接加入完全生長培養基中。若細胞對凍存劑（DMSO或甘油）敏感，離心去除凍存培養基，然后加入完全生長培養基中。
1.直接鋪板方法
●取出貯存細胞，37℃水浴中快速融化。
●直接用完全生長培養基鋪板細胞。1ml凍存細胞使用10~20ml完全生長培養基。進行活細胞計數，細胞接種應該至少在3×105活細胞/ml。
●培養細胞12到24小時，更換新鮮的完全生長培養基，去除凍存劑。
2.離心方法
●取出貯存細胞，37℃水浴中快速融化。
●把1到2ml凍存細胞加入到大約25ml完全生長培養基，輕輕混勻。
●以大約80x g離心2到3分鐘。
●棄去上清。
●在完全生長培養基輕輕再次懸浮細胞，并且進行活細胞計數。
●細胞鋪板，細胞接種應該至少為3×105活細胞/ml。
三、細胞的分化、衰老與死亡
1．細胞的分化:一個成年人全身細胞總數約1012個，可以區分為200多種不同類型的細胞：形態結構，代謝，行為，功能等各不相同。追根溯源，這么多種細胞均來自一個受精卵細胞。所以，通常把發育過程中，細胞后代在形態、結構和功能上發生差異的過程稱為細胞分化。細胞分化發生在胚胎階段，也發生在胎兒出生以后，乃至成人階段。例如，人體血細胞的產生和分化，這個過程在人的一生中一直持續著。
由旺盛生長不斷分裂的細胞，轉入分化，通常從細胞周期中G1期開始時一個確定的點G0點“逃逸”出細胞周期。旺盛生長分裂的細胞和各種分化了的細胞，它們的基因表達和代謝活動各不相同。
2．細胞的衰老:體外細胞培養實驗證明：
成纖維細胞：來自胎兒傳代50次后衰老死亡,來自成人傳代20次后衰老死亡(與具體年齡有關);來自小鼠傳代14--28次后衰老死亡,來自烏龜傳代90--125次后衰老死亡。
細胞衰老過程中會發生一系列的變化，包括：蛋白質合成速度降低，已有蛋白質結構變化，特異蛋白質成份出現；同時，細胞核，線粒體，膜系統、骨架系統等都有結構、功能的改變。
細胞衰老原因，尚無定論，出現過好幾種理論與假說，其中得到較廣泛認可的是“自由基損傷假說”。
3．細胞凋亡:細胞的死亡是個體存活的正常現象，常見的細胞死亡形式有3種：壞死、凋亡和細胞毒性。多細胞生物的生命活動中，因為環境因素的突然變化或病原物的入侵，導致一部分細胞死去，稱為細胞的病理死亡，或細胞壞死。壞死是細胞暴露于嚴重的物理或化學刺激時導致的細胞死亡；細胞毒性是由細胞或者化學物質引起的單純的細胞殺傷事件，不依賴于其它兩種細胞死亡機理，如殺傷T細胞的細胞毒性作用。
還有一種情況，一部分細胞的死亡是生物個體正常生命活動（代謝、生長、發育、分化）的一個必要部分；似乎帶有“犧牲局部，保全整體”的意味。這種情況下的細胞死亡，明顯地受遺傳控制，稱為細胞凋亡。 凋亡（Apoptosis）則是程序性的、正常的細胞死亡，是機體清除無用的或者不想要的細胞的手段。它與細胞壞死是兩個截然不同的過程，無論從形態學、生物學還是生化的特征來說，都有明顯的區別。細胞凋亡現象普遍存在于生物界。細胞凋亡與細胞增殖、分化和衰老起著互補與平衡的作用，在多細胞動物的發育、形態建成與維持中扮演至關重要的角色。作為細胞的一種基本生命現象，凋亡失控的結果將是可怕的：凋亡不足時，易發生癌變、病毒性疾病和自身免疫疾病；而凋亡過量則可能產生獲得性免疫缺陷綜合征（HIV）、重癥肝炎與退行性神經疾病，如老年性癡呆癥（Alzheimer's disease）、帕金森氏癥（Parkinson's disease）。因此研究細胞凋亡及其機理具有重要的理論和實踐意義。
細胞凋亡與壞死的區別
壞死 ：
形態學特征-膜完整性喪失,胞漿和線粒體膨脹 ,全細胞裂解
生化特征-離子內環境失調,非能量依賴性的（被動過程，在4°C也可以發生）,隨機消化DNA（電泳顯示為DNA彌散狀態）,Postlytic DNA斷裂
生理學特征-影響群組細胞 由非生理學因素引起（如補體攻擊、代謝中毒、缺氧等）,被巨噬細胞吞噬, 周圍有明顯的炎癥反應
凋亡 ：
形態學特征-胞膜出芽，但保持完整,染色體聚集在核膜周邊,胞漿收縮、細胞核凝集,最后細胞分裂為凋亡小體,Bcl-2家族蛋白導致線粒體膜通透性增加
生化特征--ATP依賴性的（主動過程，在4°C不能發生）,以核小體為單位剪切DNA（電泳顯示為DNA ladder）,Prelytic DNA 斷裂,線粒體釋放多種因子至胞漿中（細胞色素c、AIF）,Caspases級聯活化,膜對稱性改變（PS外翻）
生理學特征--只影響單個細胞 ,由生理學刺激誘導（如生長因子缺乏、激素環境改變等）,被臨近細胞和巨噬細胞吞噬 無炎癥反應
第四節 細胞計數及活力測定
一、原理 培養的細胞在一般條件下要求有一定的密度才能生長良好，所以要進行細胞計數。計數結果以每毫升細胞數表示。細胞計數的原理和方法與血細胞計數相同。
在細胞群體中總有一些因各種原因而死亡的細胞，總細胞中活細胞所占的百分比叫做細胞活力，由組織中分離細胞一般也要檢查活力，以了解分離的過程對細胞是否有損傷作用。復蘇后的細胞也要檢查活力，了解凍存和復蘇的效果。
用臺盼蘭染細胞，死細胞著色，活細胞不著色，從而可以區分死細胞與活細胞。利用細胞內某些酶與特定的試劑發生顯色反應，也可測定細胞相對數和相對活力。
二、儀器、用品與試劑
1、儀器與用品：普通顯微鏡、血球計數板、試管、吸管、酶標儀（或分光光度計）
2、試劑：0.4％臺盼蘭，0.5％四甲基偶氮唑鹽（MTT）、酸化異丙醇
3、材料：細胞懸液
三、操作步驟
（一）細胞計數
1、將血球計數板及蓋片用擦試干凈，并將蓋片蓋在計數板上。
2、將細胞懸液吸出少許，滴加在蓋片邊緣，使懸液充滿蓋片和計數板之間。
3、靜置3分鐘。
4、鏡下觀察，計算計數板四大格細胞總數，壓線細胞只計左側和上方的。然后按下式計算：
細胞數/ml＝4大格細胞總數/ 4×10000
注意：鏡下偶見由兩個以上細胞組成的細胞團，應按單個細胞計算，若細胞團占10%以上，說明分散不好，需重新制備細胞懸液。
（二）細胞活力
1、將細胞懸液以0.5ml加入試管中。
2、加入0.5ml 0.4%臺盼蘭染液，染色2一3分鐘。
3、吸取少許懸液涂于載玻片上，加上蓋片。
4、鏡下取幾個任意視野分別計死細胞和活細胞數，計細胞活力。
死細胞能被臺盼蘭染上色，鏡下可見深蘭色的細胞，活細胞不被染色，鏡下呈無色透明狀。
活力測定可以和細胞計數合起來進行，但要考慮到染液對原細胞懸液的加倍稀釋作用。
（三）MTT法測細胞相對數和相對活力
活細胞中的琥珀酸脫氫酶可使MTT分解產生蘭色結晶狀甲贊顆粒積于細胞內和細胞周圍。其量與細胞數呈正比，也與細胞活力呈正比。
l、細胞懸液以1000rpm離心10分鐘，棄上清液。
2、沉淀加入0.5－1ml MTT，吹打成懸液。
3、37℃下保溫2小時。
4、加入4—5 ml酸化異丙醇（定容）。打勻。
5、1000 rpm離心，取上清液酶標儀或分光光度計570nm比色，酸化異丙醇調零點。
注意：MTT法只能測定細胞相對數和相對活力，不能測定細胞絕對數。
第五節 細胞的分裂指數
一、原理:體外培養細胞生長、分裂繁殖的能力，可用分裂指數來表示。它與生長曲線有一定的聯系，如隨著分裂指數的不斷提高，細胞也就進入了指數生長期。分裂指數指細胞群體中分裂細胞所占的百分比，它是測定細胞周期的一個重要指標，也是不同實驗研究選擇細胞的重要依據。
二、儀器、用品與試劑
1、儀器與用品：CO2培養箱、普通顯微鏡、細胞培養血、蓋玻片、吸管
2、試劑：培養液、胰酶、甲醇、冰醋酸、Giemsa染液
三、操作步驟
1、消化細胞，將細胞懸液接至內含蓋玻片的培養皿中。
2、CO2培養箱中培養48小時，使細胞長在蓋片上。
3、取出蓋片，按下列順序操作：
PBS漂洗3分鐘→甲醇：冰醋酸=3：1固定液中固定30分鐘→Giemsa液染色10分鐘→自來水沖洗。
4、蓋片晾干后反扣在載玻片上，鏡檢。
5、計算:
分裂指數=分裂細胞數/總細胞數×100%
四、注意事項;操作時動作要輕，以免使蓋片上的細胞脫落。
第六節 細胞周期的測定
一、原理:細胞周期指細胞一個世代所經歷的時間。從一次細胞分裂結束到下一次分裂結束為一個周期。細胞周期反應了細胞增殖速度。
單個細胞的周期測定可采用縮時攝影的方法，但它不能代表細胞群體的周期，故現多采用其他方法測群體周期。測定細胞周期的方法很多，有同位素標記法、細胞計數法等，這里介紹一種利用BrdU滲入測定細胞周期的方法。
BrdU（5-溴脫氧尿嘧啶核苷）加入培養基后，可做為細胞DNA復制的原料，經過兩個細胞周期后，細胞中兩條單鏈均含BrdU的DNA將占l/2，反映在染色體上應表現為一條單體淺染。如經歷了三個周期，則染色體中約一半為兩條單體均淺染，另一半為一深一淺。細胞如果僅經歷了一個周期，則兩條單體均深染。計分裂相中各期比例，就可算出細胞周期的值。
二、儀器、用品與試劑
1、儀器、用品：同常規細胞培養
2、試劑：BrdU（1.0mg/ml），甲醇、冰醋酸，Giemsa染液，秋水仙素，2×SSC液
三、操作步驟
1、細胞生長至指數期時，向培養液中加入BrdU，使最終濃度為10μg/ml。
2、44小時加秋水仙素，使每ml中含0.1μg。
3、48小時后常規消化細胞至離心管中，注意培養上清的漂浮細胞也要收集到離心管中。
4、常規染色體制片（見第三部分：染色體技術）。
5、染色體玻片置56℃水浴鍋蓋上，鋪上2×SSC 液，距紫外燈管6cm處紫外照射30分鐘。
6、棄去2×SSC液，流水沖洗。
7、Giemsa液染色10分鐘，流水沖洗，晾干。
8、鏡檢100個分裂相，計第一、二、三、四細胞期分裂指數。
9、計算：
細胞周期（Tc）=48/{（M1+2M2+3M3+4M4）/100}（小時）
第七節 培養物的污染及防止
按現代的觀念，凡是混入培養環境中對細胞生存產生有害的成分和造成細胞不純的異物都應該視為污染。根據這一概念，組織培養污染物應包括生物（真菌、細菌、病毒和支原體）、化學物質（影響細胞生存、非細胞所需的化學成分）、細胞（非同種的其他細胞）。其中一微生物最為多見。另外，隨著使用細胞種類增多，不同細胞交叉污染，尤其是Hela細胞的污染也時有發生，從而造成細胞不純。
一、污染途徑 污染物，特別是微生物常通過下列途徑進入培養體系，造成污染
1 空氣：空氣是微生物及塵埃顆粒傳播的主要途徑。空氣流動性大，如果培養操作場地于外界隔離不嚴格或消毒不充分，外界不潔空氣很容易進入造成污染。因此，培養設施不能設在通風場所。無菌操作應在凈化臺內進行，工作時要帶口罩，以免因講話、咳嗽等使外界污染進入操作面，造成污染。
2 器材：各種培養器皿、器械消毒不徹底和洗刷不干凈導致污染，另外需要對培養箱進行定期消毒，防止形成污染
3 操作：實驗操作無菌觀念不強，技術不熟練，使用污染的器皿或封瓶不嚴等，都可以造成污染。培養兩種細胞以上時，操作不規范，交叉使用吸管或培養液、瓶等有可能導致細胞交叉污染。
4 血清：有些血清在生產時就已經被支原體或病毒等污染，變成了污染。
5 組織樣本：原代培養的污染多數來源于組織樣本；取材時碘酒消毒后脫碘不徹底，可造成碘混入組織，細胞或培養液中，影響細胞細胞生長。
二、污染對培養細胞的影響及污染的檢測
由于體外培養細胞自身沒有抵抗污染的能力，而且培養基中的抗生素抗污染能力有限，因而培養細胞一旦發生污染多數將無法挽回。細胞污染早期或污染程度較輕時，如果能及時去除污染物，部分細胞有可能恢復、但是當污染物持續存在培養環境中，輕者細胞生長緩慢，分類象減少，細胞變得粗糙，輪廓增強細胞漿出現顆粒、污染較嚴重，細胞增值停止，分裂象消失，細胞質中出現大量堆積物，細胞變圓、脫壁。
（一）細菌污染對培養細胞的影響及污染物的檢測
常見的污染細菌有大腸桿菌、假單孢菌、葡萄球菌等。細菌污染初期由于培養體系的抗生素作用， 其繁殖處于抑制狀態，細胞生長不受明顯影響，污染情況用倒置顯微鏡觀察不易判斷。懷疑培養細胞有細菌污染時，取10ml細胞懸液離心1000轉5分鐘，沉淀中加入無抗生素培養液2ml,將細胞放培養箱培養。
如果培養無真的細菌污染，24小時內可以獲得陽性結果。當污染的細菌量比較大或者細菌增殖到一定基數時，大約每20分鐘一代，會使培養系統中很快產生大量細菌，后者不僅可以消耗培養系統中的養分，還能釋放大量代謝產物。幾個小時后，增殖的細菌就可以導致培養液外觀渾濁，肉眼就可以判斷。細菌污染大多數可以改變培養液pH，使培養液變渾濁、變色。用相差顯微鏡觀察，可見滿視野都是點狀的細菌顆粒，原來的清晰培養背景變得模糊，大量的細菌甚至可以覆蓋細胞，對細胞的生存構成威脅。用青霉素、鏈霉素可以預防細菌污染有效。
（二）真菌污染對細胞的影響及污染物的檢測
微生物污染中以真菌最多，真菌種類繁多，形態各異，但是污染后易于發現，大多呈白色或淺黃色小點漂浮于培養液表面，肉眼可見；有的散在生長，鏡下可見呈絲狀、管狀、樹枝狀，縱橫交錯穿行于細胞之間。念珠菌和酵母菌卵圓形，散在細胞周邊和細胞之間生長。真菌生長迅速，能在短時間內抑制細胞生長、產生有毒物質殺死細胞。抗真菌制劑對預防和排除真菌污染有效。
（三）支原體污染對細胞影響及污染物的檢測
細胞培養（特別是傳代細胞）被支原體污染是個世界性問題,是細胞培養最常見的、干擾試驗結果的一種污染。但由于不易被察覺，有些污染的細胞仍在被應用。研究表明，95％以上是以下四種：口腔支原體（M.orale）、精氨酸支原體（M.arginini）、豬鼻支原體（M.hyorhinis）和萊氏無膽甾原體（A.laidlawii），為牛源性。以上是最常見的污染細胞培養的支原體菌群，但能夠污染細胞的支原體種類是很多的，國外調查證明，大約有二十多種支原體能污染細胞，有的細胞株可以同時污染兩種以上的支原體。據查，目前各實驗室使用的二倍體細胞和傳代細胞中約有11%的細胞受到支原體污染。
污染來源包括工作環境污染、操作者本身污染（一些支原體在人體是正常菌群）、培養基污染、污染支原體的細胞造成的交叉污染、實驗器材帶來的污染和用來制備細胞的原始組織或器官的污染。支原體污染后，因為它們不會使細胞死亡可以與細胞長期共存，培養基一般不發生渾濁，細胞無明顯變化，外觀上給人以正常感覺，實則細胞手到多方面潛在影響，如引起細胞變形，影響DNA合成，抑制細胞生長等。
細胞培養中，主要從以下幾個方面來預防支原體的污染：
控制環境污染；
嚴格實驗操作；
細胞培養基和器材要保證無菌；
在細胞培養基中加入適量的抗生素。
支原體污染細胞后，特別是重要的細胞株，有必要清除支原體，常用方法有抗生素處理、抗血清處理、抗生素加抗血清和補體聯合處理。支原體最突出的結構特征是沒有細胞壁，一般來講，對作用于細胞壁生物合成的抗生素，如 -內酰胺類、萬古霉素等完全不敏感；對多粘菌素（polymycin）、利福平、磺胺藥物普遍耐藥。對支原體最有抑制活性及常用于支原體感染治療的抗生素是四環素類、大環內酯類及一些氟喹諾酮；其他類抗生素如氨基糖苷類、氯霉素對支原體有較小抑制作用，所以常不用來作為支原體感染的化學治療劑。
（四）細胞交叉污染對細胞的影響及污染物的檢測
細胞培養中，細胞間交叉污染并不罕見，多是由于在培養中操作時各種細胞同時進行，混雜使用器皿和液體所致，這種污染能使細胞的生長特性、形態特征等發生變化，有些變化較輕、不易察覺，有些可能由于污染的細胞具有生長優勢最終壓過原來細胞而導致細胞的生長抑制，最終死亡。常用觀察細胞形態學、分析生長特性和核型、檢測細胞的標記物等方法檢測交叉污染的細胞。
三、污染的預防:防止污染，預防是關鍵，預防措施應該貫穿整個細胞培養的始終。
1.器皿準備中的預防：用于細胞培養的器皿應該嚴格消毒，做到真正潔凈；應該無菌的物品，要做到消毒嚴格、真正無菌；器皿的運輸、貯存過程中，要嚴格操作，謹防污染。
2.開始操作前的預防：應當按廠家規定，定期清洗或更換超凈臺的空氣濾網，請專職人員定期檢查超凈臺的空氣凈化標準；檢查培養皿是否有消毒標志，有條件得實驗室可以使用一次性用品；檢查新配置的培養液，確認無菌方可使用；操作前提前半小時啟動超凈臺的紫外燈消毒；操作應戴口罩，消毒雙手。
3.操作過程中的預防；主要包括：超凈臺內放置的所有培養瓶瓶口不能與風向相逆，不允許用手觸及器皿的無菌部分，如瓶口和瓶塞內側；在安裝吸管冒、開啟或封閉瓶口操作時要經過酒精燈燒灼，并在火焰附件工作；吸取培養液、細胞懸液等液體時，應專管專用，防止污染擴大或造成培養物的交叉污染；使用培養液前，不易較早開啟瓶口；開瓶后的培養瓶應保持斜位，避免直立；不再使用的培養液應立即封口；培養的細胞在處理之前不要過早的暴露空氣中；操作時不要交談、咳嗽，以防唾沫和呼出氣流引發污染；操作完畢后應將工作臺面整理好，并消毒擦拭工作面，關閉超凈臺。
4.其他預防：及早凍存培養物；重要的細胞株傳代工作應有兩個人獨立進行；購入的未滅活血清應采取56度水浴滅活30分鐘使血清的補體和支原體滅活；為了避免誘導抗藥細菌，應定期更換培養系統的抗生素，或盡可能不用抗生素；對新購入的細胞株應加強觀察，防止外來的污染源；定期消毒培養箱。
四、污染的排除:培養的細胞一旦污染應及時處理，防止污染其他細胞。通常選高壓滅菌被污染的細胞，然后棄掉。如果有價值的細胞被污染，并且污染程度較輕，可以通過及時排除污染物，挽救細胞恢復正常。常用的排除微生物污染的方法有以下幾種：
1 抗生素排除法：抗生素是細胞培養中殺滅細菌的主要手段。各種抗生素性質不同，對微生物作用也不同，聯合應用比單用效果好，預防性應用比污染后應用好；如果發生微生物污染后再使用抗生素，常難以根除。有的抗生素對細菌僅有抑制作用，無殺滅效應。反復使用抗生素還能使微生物產生耐藥性，而且對細胞本身也有一定影響，因此有人主張盡量不用抗生素處理，當然，一些有價值的細胞被污染后，仍需要用抗生素挽救，在這種情況下，可采用5－10倍于常用量的沖擊法，加入高濃度抗生素后作用24－48小時，再換入常規的培養液，有時可以奏效。
2 加溫除菌：根據支原體耐熱性能差的特點。有人將受支原體污染的細胞置于41度中作用5－10小時（最長可以達18小時）殺滅支原體。但是41度對細胞本身應有較大影響，故在處理前，應先進行預試驗，確定最大限度殺傷支原體而對細胞影響較小的處理時間。
3 動物體內接種：受微生物污染的腫瘤細胞可以接種到同種動物皮下或腹腔，借動物體內免疫系統消滅掉微生物，腫瘤細胞卻能在體內生長，待一定時間，從體內取出再進行培養繁殖。
4 與巨噬細胞共培養：在良好的體外培養條件下巨噬細胞可以存活7－10天，并可以分泌一些細胞因子支持其他細胞的科隆生長。與體內情況相似，巨噬細胞在體外條件下仍然可以吞噬微生物并將其消化。利用96孔板將極少培養細胞與巨噬細胞共培養，可以在高度稀釋培養細胞、極大地降低微生物污染程度地同時，更有效地發揮巨噬細胞清除污染地效能。本方法與抗生素聯合應用效果更佳。
