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无血清培养基补充剂：优缺点

Serum-Free Media Supplements: Pros and Cons

David Bell |

基于血清和无血清培养基各有优缺点。基于血清的培养基，通常使用胎牛血清（FBS），支持强大的细胞生长，但面临高变异性、污染风险和伦理问题等挑战。无血清培养基虽然前期成本较高，但提供一致的性能，更好的监管合规性，并符合伦理期望。

关键点：

  • 基于血清的培养基： 初始成本较低，但质量控制和纯化带来的隐藏费用。变异性和污染风险使得规模化和监管审批复杂化。
  • 无血清培养基： 前期成本较高，但由于失败较少和纯化更容易，长期节省成本。定义的成分确保一致性并简化合规性。

快速比较：

标准 含血清培养基 无血清培养基
成本 每升成本较低，隐藏成本较高 前期成本较高，长期节省
可扩展性 性能不稳定，供应链挑战 一致且更易于扩展
生物学结果 生长迅速但结果不一致 优化后结果可预测
监管 由于污染风险而复杂 成分明确，审批更容易
伦理 引发动物福利问题无动物成分，符合道德目标

对于早期项目，基于血清的培养基可以是一个实用的起点。然而，随着生产规模的扩大，无血清系统变得至关重要，提供了商业成功所需的一致性和合规性。

Serum-Based vs Serum-Free Media: Complete Comparison Chart

血清基础与无血清培养基：完整对比图表

1. 传统血清基础补充剂

成本和可扩展性

虽然像FBS（胎牛血清）这样的传统血清基础补充剂最初可能显得具有成本效益，但它们伴随着隐藏的财务负担。FBS价格昂贵且由于全球牛供应链的原因，其成本波动不定[3]。扩大生产会引入额外的费用，如严格的批次测试、污染检查和全面的供应商文件。供应短缺、依赖进口和需求增长加剧了这些挑战。对于病毒载体制造等行业，污染风险和纯化障碍甚至导致生产延误。对于希望扩大规模的培养肉生产商来说，这些问题使得传统的血清基础方法不太实用。除了成本之外，这些挑战还影响细胞性能和产品一致性。

性能和生物结果

FBS通常在早期研究中受到青睐，因为它促进细胞的快速分裂和生长。它含有天然生长因子、激素、维生素和细胞外基质蛋白的混合物，使其适用于广泛的细胞类型而无需定制[1]。然而，其不确定的成分可能导致意想不到的生物效应。例如，它可能改变细胞表面标记，降低细胞效力，甚至导致原代细胞的去分化。此外，不同批次之间杂质谱的变化会影响细胞扩增和产品特性，使得可重复性成为一个持续的挑战。

监管和伦理考量

血清的使用伴随着更高的污染风险，包括暴露于细菌、病毒、真菌和支原体。这需要严格的筛选过程。伦理问题是另一个主要缺点。FBS是在屠宰场操作期间从牛胎儿中收集的，这一做法引发了重大的动物福利问题。在英国，随着对伦理和可持续食品生产的日益重视，这已成为一个关键问题。这些监管和伦理挑战使得基于血清的系统不适合大规模市场的培养肉生产。

过程控制和一致性

血清基补充剂的最大限制之一是其不一致性。动物的年龄、饮食和加工等因素可能导致血清成分不可预测，影响细胞生长、扩展速度以及最终产品的整体质量[2]。这种变异性需要进行广泛的质量保证测试，使得在研究和制造中获得可靠结果的努力变得复杂。此外，血清中高水平的蛋白质和脂质需要额外的纯化步骤，进一步增加了成本和工艺复杂性。对于英国的培养肉生产商，像Cellbase这样的工具提供了替代生长介质的途径，提供了无血清系统的途径，减少批次变异性并简化生产。

2. 无血清培养基补充剂

成本和可扩展性

由于使用高纯度重组蛋白和定制配方，无血清培养基可能会有较高的前期成本。然而，随着时间的推移，它们可以显著减少开支，尤其是在大规模生产中。为什么？它们降低了污染风险并简化了纯化过程。例如，使用无血清培养基时，您无需在纯化过程中去除血清蛋白，从而节省时间和资源。虽然针对特定细胞类型的定制配方可能需要额外的开发成本，但长期节省——如更少的污染事件或批次失败——可以抵消这些初始投资。对于工业化培养肉生产商来说，这些节省有助于平衡培养基的较高价格。

在可扩展性方面，无血清培养基具有明显优势。其定义的成分确保了从小瓶到大型生物反应器（如搅拌罐或灌流系统）生产转移时的一致性能。没有血清，起泡等问题减少，氧气传递管理变得更容易。此外，下游澄清过程也得到了简化。 Cellbase 通过帮助英国培养肉生产商采购和比较已在试验或工业规模验证的无血清补充剂，支持可扩展性工作。这减少了技术和采购风险，为大规模生产提供了可靠的基础。

性能和生物学结果

无血清培养基的好处不仅限于成本和物流——它们还影响细胞性能。如果配方未优化，转向这些培养基可能会初期减缓细胞生长，因为血清自然提供了生长因子和附着蛋白的混合物。然而，通过仔细调整——如微调细胞因子和生长因子组合、平衡营养素、优化播种密度和喂养时间表——无血清配方可以匹配甚至超越基于血清的系统的性能。

另一个优势在于它们对细胞行为的控制。无血清培养基，由于完全定义，消除了血清引入的变异性，这可能导致去分化、表面标记改变和批次结果不一致。通过用特定的细胞因子、小分子或细胞外基质补充剂定制这些培养基，生产者可以维持所需的细胞状态，甚至可以针对特定的亚群。对于培养肉，这意味着更可预测的组织发育和一致的产品组成。

监管和伦理考量

无血清培养基还简化了监管合规性并解决了伦理挑战。监管机构通常更倾向于无血清或无动物成分的配方，因为它们可以最大限度地减少来自病毒或支原体等污染物的风险。含血清的培养基通常需要进行广泛的批次测试，增加了监管提交的复杂性。相比之下，无血清培养基的明确性质使杂质风险评估更加简单，从而简化了监管过程。这对于英国和欧盟的培育肉制造商尤为重要，因为严格的食品安全法规要求明确的原材料可追溯性和强有力的风险管理实践。

从伦理角度来看，无血清培养基解决了与胎牛血清（FBS）相关的担忧，胎牛血清来源于被屠宰的怀孕母牛，并因其对动物福利的影响而受到批评。通过用重组或植物成分替代FBS，生产商与培育肉的伦理原则保持一致，展示了减少动物使用的承诺，超越了初始细胞来源。此外，血清生产资源密集且面临供应挑战，而无血清系统通常依赖于更具可扩展性且对牲畜依赖性较小的成分。这种转变支持更具弹性和道德对齐的生产过程。

过程控制和一致性

无血清培养基的一个突出好处是它们提供的控制水平。由于每种成分及其浓度都明确定义，消除了不同血清批次中看到的变异性。这种精确性增强了批次间的一致性，降低了污染风险，并使统计过程控制和数字建模更加可靠。去除血清还减少了细菌、病毒或真菌污染的风险，从而减少了批次调查并增强了GMP操作的稳健性。这种可靠性在扩大生产规模或在设施之间转移过程时尤为重要。

切换到无血清系统需要一个渐进和战略性的方法。分阶段适应 - 细胞逐渐暴露于新培养基 - 有助于维持活力、生长速率和所需表型。最佳实践包括并行测试多个候选培养基，选择经过验证的类似细胞类型的配方，并微调播种密度、搅拌、溶解氧和喂养时间表等工艺参数，以适应新的营养动态。这种谨慎的过渡确保了向无血清生产的平稳过渡。

去除培养基中血清的原因和方法

优点和缺点

下表重点介绍了血清培养基和无血清培养基的主要优缺点，重点关注成本、可扩展性、生物性能及其与监管要求的契合度。

标准 含血清培养基 无血清培养基
成本 试剂每升成本较低，但批次测试、污染控制和血清蛋白纯化的隐藏费用较高[1][3][6] 由于成分明确和定制化，前期成本较高，但由于污染较少和纯化更简单，长期节省成本[1][3][6][8]
可扩展性批次之间的变异来自动物来源；供应有限；新批次的复杂认证，增加了规模化的难度 [2][3][4] 化学定义且一致；更适合大规模生物反应器，标准化和自动化更容易 [1][2][3][9]
生物性能 支持快速细胞生长，并且适用于多种细胞系，但会引入可能影响表型和一致性的变异 [1][2][3][4] 可能最初需要针对较慢的增长进行优化，但一旦定制后，确保一致的结果、受控的差异化和可靠的组织发育 [1][2][3][5][8]
监管准备 需要对病毒和支原体等污染物进行严格筛查；不明确的成分使可追溯性和监管提交变得复杂 [2][6][7][9] 定义的组件简化了监管备案和质量控制，降低了污染风险；越来越受到无动物过程的青睐 [2][5][6][7][9]

这种比较揭示了从血清系统转向无血清系统所涉及的权衡。平台如 Cellbase 通过允许生产商比较供应商价格和规格，帮助简化采购过程，使采购更加透明并降低风险。

对于早期初创公司，基于血清的培养基通常作为快速且具有成本效益的起点。然而，随着公司向试点和商业规模发展，它们通常会转向无血清配方。这一转变有助于满足监管和投资者对安全性、一致性和无动物过程的要求。

虽然基于血清的培养基提供了较低的进入门槛，但无血清系统提供了长期商业成功所需的一致性、可扩展性和监管对齐。

结论

在基于血清和无血清培养基之间的选择很大程度上取决于项目的阶段。早期阶段的英国初创公司 通常选择基于血清的培养基，以快速建立细胞系并保持初始成本低。然而，明智的做法是尽早启动无血清优化实验，以避免日后昂贵的系统大修。[1][2][4]

随着项目进展到试点和商业规模，无血清配方成为首选。它们提供更高的一致性、更好的污染控制以及大型生物反应器所需的监管可追溯性。[1][2][6][9] 虽然每升成本可能看起来更高，但从长远来看，较少的批次失败、更容易的纯化和减少的测试使得投资是值得的。[1][3][6]

在决策时，请考虑项目的阶段、监管要求以及对过程变异性的容忍度。[1][2][6][7][9] 对于不确定性较高的早期发现工作，有限的血清使用可能是可以接受的。对于试点演示或满足投资者期望，血清无系统更适合，因为它们符合安全性和可重复性标准。在商业规划方面，重点强烈转向定义明确的无血清方法。这些考虑因素不仅影响内部策略，还影响关于外部供应商的决策。

为了协助这一过渡，英国开发者可以利用 Cellbase来比较无血清培养基成分并验证供应商，确保供应链符合监管要求。[2][3][6][9]

常见问题解答

长期使用无血清培养基的成本优势是什么？

转向无血清培养基可以通过减少对昂贵血清的依赖和降低生产过程中的不一致性，从而在长期内实现显著的成本节约。虽然前期成本可能较高——由于需要定制配方和专业的生长因子——但这些通常会被更好的可扩展性和更一致的结果所平衡。

从长远来看，无血清培养基能够实现更简化和可靠的制造流程，使其成为生产培养肉的经济选择。这种方法不仅符合监管标准，还提高了整体运营效率。

为什么无血清培养基比含血清选项更适合满足监管要求？

无血清培养基在满足监管标准方面具有明显优势。通过消除动物来源的血清，它们降低了与污染和质量不一致相关的风险。这为生产创造了一个更可控和可预测的环境，与监管机构设定的严格安全和质量要求无缝对接。

此外，无血清配方促进了伦理和可持续实践——这是监管机构和培养肉行业日益重视的领域。这使它们成为在扩大生产的同时符合不断变化的监管期望的明智选择。

为什么在项目初期优化无血清培养基是有益的？

在项目开始时优化无血清培养基是一个明智的举措，可以控制成本，确保可扩展性，并满足监管标准。提前解决这些要素有助于避免生产挫折，减少资源浪费，并为成功扩大生产奠定坚实的基础。

通过及早开始这一过程，您还为更顺畅的发展历程铺平了道路。这确保了您的方法符合培养肉生产的技术要求和合规要求。这种前瞻性的策略最终可以在项目进展中为您节省时间和金钱。

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Author David Bell

About the Author

David Bell is the founder of Cultigen Group (parent of Cellbase) and contributing author on all the latest news. With over 25 years in business, founding & exiting several technology startups, he started Cultigen Group in anticipation of the coming regulatory approvals needed for this industry to blossom.

David has been a vegan since 2012 and so finds the space fascinating and fitting to be involved in... "It's exciting to envisage a future in which anyone can eat meat, whilst maintaining the morals around animal cruelty which first shifted my focus all those years ago"

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  • Cost Analysis: Scaling Cell Lines for Bioreactor Cultivation

    成本分析：细胞系扩增用于生物反应器培养

    培养肉生产的细胞系扩展依赖于选择合适的生物反应器系统。由于资本投资、运营费用和可扩展性的差异，搅拌罐、波浪和固定床生物反应器的成本差异显著。以下是您需要了解的信息： 搅拌罐生物反应器：适合大规模生产悬浮细胞系。前期成本高（£20,000到数十万英镑），但可扩展性已被证明（高达25,000升）。连续灌流方法可将每克成本降低45%。 波浪生物反应器：经济实惠的起点（初始成本比搅拌罐系统低50-66%）。适合小到中等规模，但超过1,000升时有限制。消耗品成本（e.g., 一次性袋子每个£500-£5,000）增加了长期费用。 固定床生物反应器：适用于贴壁细胞，在大规模生产中提供最低的每剂成本（800升时每剂£6,800）。初始投资高，但在降低下游处理成本方面效率高。 快速比较 生物反应器类型 资本成本 单位成本 可扩展性 最佳用途 限制因素 搅拌罐 £20,000+ £122/g 最多25,000升 大规模悬浮细胞 高初始和运营成本 波浪式 £13,000–£330,000 £67–£153/g 最多1,000升 试点规模，灵活设置 高耗材成本，规模有限 固定床 更高的前期成本 £6,800/剂 较小的单元，高密度 贴壁细胞，成本效益长时间的工艺流程，高昂的初始费用 关键要点：搅拌罐系统在大规模生产中占主导地位，而波动式生物反应器则是早期阶段工作的理想选择。固定床系统在贴壁细胞系的成本效率方面表现出色。选择取决于生产规模、细胞系特性和预算限制。...

  • Scaffold Biocompatibility: Testing Protocols

    支架生物相容性：测试方案

    支架生物相容性 对于培养肉生产至关重要。支架必须支持细胞粘附、生长和分化，同时安全可食用。它们应降解为无害的副产品，不留不可食用的残留物。监管标准要求符合 ISO 10993 医疗器械协议 和 英国/欧盟食品安全法。以下是您需要了解的内容： 关键测试领域： 细胞毒性：材料必须显示超过 70% 的细胞活力（ISO 10993-5）。 降解性：支架必须安全降解为可食用成分。 机械性能：刚度、孔隙率和耐久性对于细胞生长至关重要。 材料类别： 天然聚合物（e.g，海藻酸盐、大豆蛋白）：由于已在食品中使用，较易获得监管批准。 合成聚合物：根据新型食品法规需要详细的安全数据。 去细胞化ECM：动物来源的支架需要彻底测试过敏原和病原体。 监管重点： 支架必须符合ISO 10993标准，符合新型食品评估，并确保对人类食用的安全性。测试包括细胞毒性、过敏性和降解产物分析。 实际应用： 开发者应将生物相容性数据与机械和结构指标结合，以优化支架性能。像Cellbase这样的平台有助于将经过验证的支架与生产需求相匹配。 本文提供了关于培养肉生产中支架的测试协议、监管要求和材料选择的详细指南。支架生物相容性的监管标准 适用的测试标准 监管标准已建立明确的测试协议，以确保用于培养肉生产的支架的安全性和生物相容性。这些支架必须符合 ISO 10993 医疗器械标准和食品安全法规的要求[6][3][4]。这种双重要求的产生是因为支架不仅作为生物材料支持细胞生长，还需要作为最终产品的一部分安全食用。 最初为医疗器械设计的...

  • Selecting Sensors for Cultivated Meat Bioreactors

    为培育肉生物反应器选择传感器

    在生产培养肉时，维持精确的生物反应器条件至关重要。传感器监测关键参数，如温度（37°C）、pH值（6.8–7.4）、溶解氧（30–60%）、CO₂（<10%）、葡萄糖、生物量和代谢物，以确保细胞健康和产品质量。传感器性能不佳可能导致批次浪费、质地不一致和产量降低。 您需要了解以下内容： 温度和pH传感器：电阻温度检测器（RTD）和玻璃或ISFET pH传感器在维持严格公差方面可靠。 溶解气体：光学传感器适用于一次性系统中的氧气和CO₂，而电化学传感器耐用但需要维护。 营养物和生物量：酶生物传感器或光谱方法可跟踪葡萄糖、乳酸和氨。电容传感器实时测量活细胞密度。 生物反应器兼容性：搅拌罐、波动系统和灌流设置需要根据规模、无菌性和监测需求量身定制的传感器解决方案。 关键要点：根据精确度、灭菌兼容性和生物反应器类型选择传感器。像Cellbase这样的平台通过为培养肉行业提供精选选项来简化采购。 传感器能否降低与培养肉相关的成本？ 培养肉生物反应器中需要监测的关键参数 在培养肉生产中，七个关键变量在生物工艺中起着关键作用：温度、氧气、二氧化碳、pH值、葡萄糖、生物量和代谢物 [4]。这些因素中的每一个都直接影响细胞健康、生长和最终产品的质量。自动化系统旨在响应任何偏差，实时调整条件以维持细胞培养的理想环境。让我们深入了解细节，从温度和pH值开始。 温度和pH值 温度和pH值是细胞培养的基石，因为它们直接影响酶活性、膜稳定性和细胞周期进程。对于大多数用于培养肉类的哺乳动物细胞——如牛、猪和禽类细胞系——温度通常维持在约37°C，公差范围为±0.1–0.3°C [4][5]。即使是超出此范围的微小波动也会严重影响细胞的存活率和生长速度。 pH值是另一个关键因素，通常控制在6.8到7.4 [4][5]。在制药级工艺中，pH容差更窄 - ±0.05–0.1单位 - 以确保在较长时间内细胞的最佳存活率和生产率[2][4][5]。在高密度培养中，保持如此精确的控制尤为重要。 pH不是一个孤立的参数；它与其他变量相互作用。例如，溶解的CO₂形成碳酸，从而降低pH，而乳酸盐的积累也会使pH下降。相反，氨的积累会使pH上升[4][5]。为了管理这些波动，策略通常结合通过优化曝气去除CO₂、添加碱如碳酸氢钠，以及定制的饲喂方案以最小化乳酸和氨的形成[4][5]。温度进一步使问题复杂化，因为它影响气体溶解度。例如，较高的温度会降低氧气溶解度，使得在37°C下控制溶解氧更加具有挑战性。这强调了精确传感器放置的重要性[4]. 溶解氧和二氧化碳 溶解氧（DO）对于细胞代谢和有氧呼吸至关重要。大多数动物细胞培养将DO维持在空气饱和度的30–60%，尽管确切范围取决于细胞系，并在工艺开发过程中进行微调[4][5]。低于20%的水平可能导致缺氧并停止生长，而接近100%的水平可能导致氧化应激[4][5]。溶解CO₂（dCO₂）水平通常保持在气相中的5–10%以下，以防止细胞内酸化[4]。生物反应器的设计在管理DO和dCO₂方面起着重要作用。例如，搅拌罐反应器比波动系统提供更好的氧气传递和气体混合，允许在更大规模上进行更严格的控制。另一方面，波动生物反应器在高填充体积时经常面临CO₂积累的挑战[3][6]。灌流生物反应器在高细胞密度下运行，由于其高氧气消耗和CO₂产生，要求精细控制。通常使用的技术包括多气体入口、微泡曝气或膜曝气[3][4][5]。DO通常使用以下三种传感器类型之一进行监测：电化学、光学或顺磁性 [5]。电化学传感器成本效益高，但会消耗氧气并可能随时间漂移。光学传感器依赖于氧敏染料，不消耗氧气，非常适合一次性生物反应器，长期稳定性更好[2][5]。 对于CO₂，监测选项包括Severinghaus型电化学传感器、光学dCO₂传感器或间接方法，如废气分析和pH相关性[4][5]。光学dCO₂传感器与一次性生物反应器兼容，允许在线操作，但通常更昂贵且操作范围较窄[4][5]。营养水平和生物量 葡萄糖、乳酸和氨等营养物质的剖面提供了关于细胞生长和压力水平的宝贵见解。监测这些指标有助于确定细胞是否处于生长阶段、经历营养限制或处于压力下，从而能够及时进行调整，如喂养或培养基更换[4][5]。这些分析物可以通过在线、旁线或离线方法进行跟踪，先进的系统采用红外光谱同时监测多个变量[4]。 葡萄糖的常见策略是将水平维持在目标范围内，例如1–4 g L⁻¹，通过在水平下降时启动或调整进料速率[4][5]。乳酸水平通过减少葡萄糖浓度或在检测到积累时改变喂养模式来控制。对于氨水，特别是在较高pH值下毒性较大，当超过阈值时，实施部分培养基交换或增加灌流速率[4][5]。...