提高细胞培养处理的可重复性

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提高细胞培养处理的可重复性

处理过程中的差异来源

应力

为了产生高活力且可重复的细胞,研究者通常会对细胞培养参数进行日常监测,但处理技术的差异却经常被忽视。一项对癌症筛查应用中可能存在的偏差的分析发现,研究组内结果的一致性远高于组间结果,后者观察到了200倍的生长抑制率差异。2  这很可能要归结于不同研究团队在实验方法、移液技术以及设备品质等方面的差异。这些因素都会使细胞承受不同程度的应力,可能导致细胞活力的差异,并降低实验的可重复性。剪切力是细胞在移液过程中必然会承受的应力来源之一,特别是在细胞被迫通过枪头时孔径过小或速度过快的情况下。这样的操作可能导致表型和行为的改变,并最终造成细胞活力的差异。因此,与使用标准孔径枪头进行细胞培养的实验室相比,使用大孔径枪头的实验室研究组可能会获得更高的细胞活力和更准确的结论。

使用手动移液器时,不同使用者的移液角度差异是不可避免的,吸取和分液的速度也会有所不同(取决于柱塞移动的快慢),从而产生更大的应力水平差异。突然的开始和停止,或者急促的动作,都会造成不一致,如果当时的研究人员没有很好地记录下来,就会被忽略。电动移液器可以对移液和混合的速度进行明确的设定和记录,最大程度地降低不同使用者或移液步骤之间的技术差异。大孔径枪头与电动移液器的组合能够让所有的使用者更好地控制生物处理过程中的应力,有助于提高细胞活力。

Scientist pipetting cell culture medium into a 24 well plate using an INTEGRA pipette

偏离流程

为了实现细胞的可重复生长,研究者们需要尽可能地遵循实验流程,因为任何的偏差都有可能造成不一致。例如,接种的细胞数量或细胞在培养基中分布的改变都会造成细胞生长的差异,进而影响结果。以细胞毒性试验为例,细胞的数量会显著提高抗生素的最小抑制浓度(一种被称为“接种物效应”的现象),因此细胞数量需要保持一致。培养基的频繁混合可保证细胞悬浮并均匀地分布在溶液中,防止容器底部与顶部之间细胞浓度梯度的形成。此操作需要在实验之间保持一致,以实现细胞的均匀分布和接种。然而,混合会持续地对细胞施加剪切力,可能导致胁迫,因此也应该避免过度混合以防止细胞活力的改变。尽可能地遵循流程,并准确地报告所有方法、混合步骤以及移液速度,有助于提高细胞处理工作的可重复性。

Scientist aspirates liquid from a 96 well plate

污染

微生物对样本的生物污染以及细胞处理过程中不同细胞系之间的交叉污染会影响细胞的健康并产生不可靠的结果。如果未能检测到污染,就可能得出关于细胞存活能力和行为的错误结论,有损研究的完整性和可重复性。细胞样本、培养基和试剂的正确处理操作应该包含无菌规程和设备(如无菌移液器和枪头,使用带滤芯的枪头以及工作流程的自动化),以避免样本的污染,并配合针对有害微生物的高效质量控制检测。

确保可重复处理

工作流程的自动化有利于提高可重复性和控制作用于细胞的剪切力,消除手动处理中不可避免的变异性。这在使用384 孔板处理较大的样本通量时尤为重要,这样的工作几乎不可能在保证同等一致性的前提下依靠手动操作完成。转换为自动化处理有助于解决这种变异性,更好地控制生物处理应力和细胞操作,获得更高的均一性。3

理想条件下,细胞培养过程中的所有移液环节都应该实现自动化(从铺板到处理),以减少使用者造成的差异,电动移液器为此提供了一个简单且经济的切入点。借助电动移液器,使用者能够选择、记录和保存明确设定了移液速度和混合步骤的移液流程,以便每一个动作每次都能以相同的速度执行,不论使用的经验或技术如何。另外,重复分液模式可以一次吸取大量液体,然后以设定的较小体积多次分液,减少在源容器和孔板之间的往返次数,而这种往返恰恰也是造成不一致和操作错误的原因之一。配合电动移液器,所有的塑料实验室器皿(包括移液枪头)也应该保持一致,因为枪头在形状、尺寸以及孔径上的差异可能会对细胞产生不同的影响。

更进一步而言,使用自动化移液工作站实现整个移液工作流程的完全自动化应该能够彻底消除使用者技术或经验的影响。尽管在由手动技术向自动化处理转换的过程中很可能存在必要的学习曲线(让员工熟悉新的设备和用品),但免手动的工作流程最终将排除使用者这一变异性和污染的隐藏来源,提高处理技术的可重复性。

Figure 2: Aspirating the cell culture media using a VACUBOY vacuum hand operator.
  1. Baker, M (2016). Reproducibility crisis. Nature, 533(26), 353-66.
  2. Niepel, M., et al. (2019). A multi-center study on the reproducibility of drug-response assays in mammalian cell lines. Cell systems, 9(1), 35-48
  3. Brindley, D., et al. (2011). Bioprocess forces and their impact on cell behavior: implications for bone regeneration therapy. Journal of tissue engineering.