培养体系与培养条件

细胞培养也叫细胞克隆技术，在整个生物工程技术领域，细胞培养都是一个必不可少的过程。目前主要有两种基本的细胞培养体系，一种是细胞在人工基质上单层生长（贴壁培养），另一种是细胞在培养基中自由漂浮生长（悬浮培养）。贴壁培养和悬浮培养的细胞无论在细胞形态和培养条件上有诸多不同。第一来源和形态不同： 悬浮细胞的生长不依赖支持物表面，在培养液中呈悬浮状态生长，细胞大体呈球形或椭球型（见下图）。这类细胞一般为淋巴细胞等血液系统来源的细胞。悬浮细胞 贴壁细胞生长必须有可以贴附的支持物表面，依靠自身分泌的或培养基中提供的黏附因子才能爱表面生长和繁殖。细胞在未贴附于底物之前一般似球体样，当与底物贴附后，细胞将逐渐延伸展形成一定的形态（见下图）。贴壁培养细胞主要包括正常细胞和肿瘤细胞，比如成纤维细胞，骨骼组织（骨及软骨），心肌与平滑肌、肝、肺、肾、乳腺皮肤神经胶质细胞，内分泌细胞，黑色素细胞及各种肿瘤细胞等。 上皮细胞型 成纤维细胞型 贴壁细胞与悬浮细胞在显微镜下的区别贴壁细胞分为两种，上皮细胞型和成纤维细胞型，在显微镜下观察时，贴壁细胞在瓶底伸展并延伸成梭型或不规则的三角形或扇形，而且晃动培养液时，细胞不动。悬浮细胞漂在培养液中，呈圆形，晃动培养液时细胞也随着漂动。 第二培养条件和方式不同： 贴壁细胞一般使用滚屏或T瓶进行培养。如果使用微载体，也可以用微载体培养瓶或生物反应器进行培养。 培养过程中的温度/湿度/CO2的环境条件控制，可由培养箱提供。 滚瓶机 微载体培养瓶 T瓶 悬浮细胞培养，可以使用小型细胞工厂、飞旋瓶、生物反应器进行培养。 细胞工厂和飞旋瓶培养中需要的温度/湿度/CO2的环境条件控制，可由培养箱提供。生物反应器自带条件控制功能。 小型细胞工厂Celline 飞旋瓶生物反应器 WIGGNS培养箱在设计之初就考虑了培养箱内部兼容用电设备。在具有传统培养箱的所有功能之外，WIGGENS CO2培养箱系列，采用了高效的循环系统保证了温度、CO2、湿度的均匀性。内置电源插孔设计，箱体内可以直接使用磁力搅拌器，摇床等用电设备。箱体右侧中部开孔，带硅胶塞，方便培养过程监控及对设备进行验证。箱体底部的导轨设计，可用于大型滚平机的推进和推出操作。加固隔板设计，实现了一机多能，灵活使用的特点。WIGGENS 二氧化碳培养箱

党的二十大报告指出：“实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。”当前，在推进这场系统性变革的过程中，如何充分发挥高校基础研究深厚和学科交叉融合的优势，加快构建“双碳”科技创新体系和人才培养体系，对于如期实现“双碳”目标至关重要。高校发展现状与“双碳”目标存在一定错位人才培养。当前，培养具备科学素养、创新意识、跨界能力的“双碳”人才，将给高校人才培养工作带来一定挑战。一是认知不足。尽管相关部门已经对“双碳”进行了一定普及和宣传，但不少教师、管理者对“双碳”所关注的核心要义仍然没有形成清晰的认识，无法深刻理解其在人才培养活动中的价值。二是融合困难。基于“双碳”目标的实现，一些高校对人才培养目标、课程体系及学科设计的调整速度相对较慢，针对创新型人才的培养重视程度不足，对于如何将“双碳”有机融入相关人才培养活动，也没有形成可操作的方案。师资力量。当前，“双碳”相关专业逐渐增多，对高校教师队伍建设的挑战会越来越明显。一是基础性专业师资不足。推动“双碳”是一项复杂的系统工程，要求基础师资量大而面广。然而，各高校中涉及“双碳”的教师数量较少，且没有接受过系统培训，很多教师自身不具备“双碳”教育的经验和经历。二是高水平创新人才缺乏。局限于以往的学科、专业设置，我国尚未设置专门的“双碳”学科领域，与之相关的高水平创新型专业人才相对缺乏。专业和课程建设。专业方向定位是否科学、合理、准确，直接关系到“双碳”人才培养目标的达成度及培养质量。尽管我国已提前布局，不少高校与“双碳”相关的专业和课程建设也取得了一定成效，但专业和课程的内涵建设仍有待加强。一是专业建设质量。目前，国家主要通过修订本科专业类教学质量国家标准、实施一流专业建设计划、推进“保合格、上水平、追卓越”三级专业认证体系等方式，开展专业内涵建设。接下来，如何在专业内涵建设中适度体现“双碳”目标，将成为一个亟待解决的问题。二是课程建设水平。高校课程内涵建设主要包括内容体系设计、课程思政等诸多方面，如何有机地将“双碳”目标嵌入高校课程内涵建设的各个方面，进一步提升课程建设水平，提高创新策源能力，必将成为另一个亟待解决的问题。协同治理落实。“双碳”目标的实现，需要气象、能源、环境、材料、建筑、经济、管理及法律等相关专业学科协同参与、共同推进，这给我国高校落实学科协同治理带来了一定挑战。一是顶层设计问题。“双碳”具有鲜明的交叉融合特点，需要各学院、各部门之间落实协同工作，而当前我国的大多数高校在顶层设计、协同治理方面还存在很大的提升空间。二是协同创新问题。推动实现“双碳”目标，既要探索科学认知，探究最前沿的科学问题，也要推动科学传播，凝聚全社会共识。这就需要优化协同治理体系，强化交叉学科建设，目前不少高校在这方面也存在较大的提升空间。加快构建“双碳”科技创新体系和人才培养体系加强专业人才培养。当前，相关高校须将“双碳”目标融入人才培养活动，强化国家目标、市场需求与人才培养之间的内在联系，加快培养低碳行业专业人才。一是提高教师思想认识水平。通过各种形式的学习、交流及培训等活动，促使教师在思想上认可“双碳”目标的重要性，将其内化为教书育人的动力。二是加强通识教育。鼓励开设与“双碳”相关的通识课程，引导学生学习负碳、零碳、低碳和脱碳知识，树立绿色低碳理念，加深对“双碳”的了解，真正让“双碳”融入课堂和生活。三是强化实践教学。通过德育、思政及专业课程实践环节，引导学生从身边做起，传播绿色低碳育人文化，践行绿色低碳发展理念。强化师资队伍建设。专业化和高水平的师资队伍建设是实现“双碳”目标的关键。为此，高校须加强“双碳”领域所需人才的培养、引进等工作。一是提升基础师资水平。可以通过举办各种类型的高级研讨班、进修班等形式，培养“双碳”领域的基础性师资人才；还可以集中选择部分教师，开展以知识普及、业务传授等为主要内容的培训活动，以补充基础性师资。二是加强人才引进和交流。高校需要提前布局，对我国“双碳”领域所需的高层次人才，加大引进力度。尤其要借鉴相对成熟的欧盟碳交易人才培养经验，加大对海外碳金融、碳管理领域优秀人才的引进力度，支持碳金融、碳管理师资队伍建设。三是实施人才特区政策，推进师资队伍高端化。在“双碳”领域排筛出一批世界级名家和杰出领军人物，从而有针对性地寻求合作。有条件的高校，还可以布局、建立一批“双碳”科学家工作室，为高端人才量身定制发展平台，促进我国“双碳”科学研究尽快跻身“世界舞台”。深化专业和课程内涵建设。锚定“双碳”目标，高校需要继续深化专业和课程的内涵建设。一是构建专业内涵建设评价体系。参考一流专业建设方案，高校要构建“双碳”相关专业内涵建设的评价体系，如专业目标、师资队伍、支撑条件、教学改革、培养质量、专业特色等，并设计出量化指标。二是推动专业优化与调整。高校需要深化人才培养供给侧结构性改革，通过关、停、并、转等形式，进行专业优化与调整，培育建设新能源、储能、智慧能源等新兴专业学科，并开设与“双碳”有关的专业方向。三是注重开展专业交叉融合。相关高校可以依托既有资源和优势，设立碳金融、碳管理等方向的人才培养和培训基地，增设碳金融、碳管理专业和研究生培养二级学科或交叉学科，推进碳金融、碳管理专业建设，加快培养碳金融、碳管理等领域紧缺人才；以能源、环境、经济、管理及法律等专业为基础，突破专业壁垒，开展交叉融合创新，支持多专业协同，培养复合型低碳人才。推进协同治理活动。为实现学校发展与治理体系、治理能力现代化的要求相匹配，高校要努力构建协同治理体系。一是倡导多方协同培养，进一步完善高校产教融合与校企协同育人机制，如推广政产学研用融合发展制度，推动校企在创新驱动等领域开展合作，并通过专业共办等多种形式与手段，构建协同发展模式，打造协同治理体系。二是打造多元协同治理体系。从顶层设计、部门协同现实出发，打造出各方主体深度参与的多元协同治理体系，从而推进“双碳”领域教育教学活动的顺利有效开展，形成我国高等教育领域人才培养“多主体、强合作、共发展”的多元协同运行系统。（作者姚山季系南京工业大学经管学院教授、教务处副处长，韩雪媛系南京工业大学经管学院硕士研究生）

结直肠癌是最多发的癌症之一，病死率高居全球第二。目前，利用患者肿瘤组织构建的类器官模型已成为研究肿瘤发生分子机制的常用研究手段。多种肿瘤类器官已被成功构建，包括结直肠癌、乳腺癌、膀胱癌、前列腺癌、胃癌等。然而，这些研究大部分仅在大量细胞系综平均的水平评估了患者组织衍生的类器官的各种分子特征，如基因突变、基因组拷贝数变异以及基因表达等变化，并未在单细胞水平进行评估，从而无法系统地评估构建的类器官个体内部的肿瘤细胞异质性情况，特别是由于构建类器官的成功率常常不是很高，同时得到同一个患者的体内肿瘤单细胞组学数据以及在体外建成类器官后的配对单细胞组学数据非常困难。为了系统地评估结直肠癌类器官培养系统，解析类器官与对应的体内肿瘤上皮细胞之间的异同以及不同培养体系对类器官基因表达特征的影响，北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）汤富酬教授团队与北京大学第三医院普通外科付卫教授团队合作，对来自6名结直肠癌患者的体内肿瘤组织和癌旁正常组织，以及对它们进行体外培养建立的相应的类器官进行了高精度单细胞转录组测序，并结合全基因组甲基化测序、全基因组测序、全外显子组测序以及靶位点Sanger测序等，对两种常见结直肠类器官培养体系从转录组、基因组和DNA甲基化组三个层面进行了系统的比较和评估（图1）。该研究成果于2022年4月28日以“Systematic evaluation of colorectal cancer organoid system by single-cell RNA-Seq analysis”为题在线发表在 Genome Biology 上。图1 实验设计方案示意图该研究有以下3个主要发现：1、肿瘤组织来源的类器官能准确反映对应体内肿瘤上皮细胞（癌细胞）在基因表达、基因突变以及DNA甲基化等方面的关键特征。通过探索体内肿瘤特异性基因表达模式，该研究发现肿瘤来源的类器官高表达体内肿瘤上皮细胞（癌细胞）特异性表达的基因。并且，肿瘤组织来源的类器官也维持了体内肿瘤上皮细胞特异性的基因调控网络特征。另外，通过对全基因组（WGS）、全外显子组（WES）以及DNA甲基化组（PBAT）数据进行分析，该研究发现肿瘤类器官能非常好地维持体内肿瘤上皮细胞（癌细胞）在基因突变和DNA甲基化等方面的关键特征（图2）。这表明现有培养体系中的结直肠癌肿瘤类器官非常好地维持了对应患者体内癌细胞的关键生物学特征，因而使用肿瘤类器官筛选的癌症治疗候选药物应该对对应患者体内的癌细胞也会有类似的杀伤效果。现有的肿瘤类器官是肿瘤杀伤药物筛选的优秀平台。图2 体内外肿瘤细胞和正常肠上皮细胞的基因组拷贝数变异、DNA甲基化以及基因突变的比较2、癌旁正常组织来源的类器官在转录组水平上表现出部分肿瘤样特征，但保持正常的基因组和全局DNA甲基化组特征。首先该研究鉴定了体内肿瘤上皮细胞和癌旁正常肠上皮细胞的差异表达基因，并研究了这些差异基因在体外肿瘤类器官和正常肠上皮类器官的表达情况。结果显示，体外正常肠上皮类器官和肿瘤类器官均高表达体内肿瘤上皮细胞特异性表达的基因。为了进一步验证此结果，该研究对体内组织和体外类器官进行了肿瘤特异性表达基因CEACAM6的免疫荧光染色。与单细胞转录组数据一致，CEACAM6仅在体内肿瘤上皮细胞中高表达，而在体内癌旁正常肠上皮细胞中则不表达。然而，体外培养的肿瘤类器官和正常肠上皮类器官均高表达CEACAM6蛋白，此结果与单细胞转录组测序结果一致（图3）。该研究的癌旁正常组织都取自距离肿瘤组织边缘至少10厘米以外的区域，其正常组织内部混杂大量肿瘤细胞的可能性非常低，但为了进一步排除正常组织类器官有可能是混杂在癌旁正常组织中的肿瘤细胞体外扩增而导致这一现象，该研究进一步探究了体外肿瘤类器官和正常肠上皮类器官的基因突变和基因组拷贝数变异情况。结果显示只有肿瘤类器官呈现与对应患者体内肿瘤细胞相似的基因组拷贝数变异和基因突变，而正常肠上皮类器官的基因组与体内正常肠上皮细胞一致，没有肿瘤细胞特异性的基因突变和基因组拷贝数变异，从而排除了正常组织类器官起源于癌旁正常组织中混杂部分肿瘤上皮细胞的可能性。这些数据显示，在转录组和蛋白水平上，肿瘤上皮类器官和正常肠上皮类器官都表现出肿瘤样特征。这表明现有的培养体系使得正常肠上皮类器官也具有部分肿瘤细胞特征，因而用同一个患者得到的肿瘤类器官和癌旁正常肠上皮类器官进行配对药物筛选以筛选出特异性对肿瘤细胞有选择性杀伤效果（杀伤肿瘤类器官，但是不杀伤正常肠上皮类器官）的候选药物目前是无法实现的。图3 CEACAM6免疫染色荧光结果3、条件培养基在肿瘤类器官的长期培养方面优于化学成分确定培养基（分子培养基）。首先，该研究通过MKI67的表达情况对不同培养基中的细胞增殖情况进行了评估（图4）。在化学成分确定培养基（分子培养基）中，正常组织来源的类器官相比肿瘤来源的类器官具有更快的细胞增殖速度。而在条件培养基中，正常组织来源的类器官和肿瘤来源的类器官的细胞增殖速度相当。这说明化学成分确定培养基（分子培养基）更有利于正常肠上皮细胞的生长，而条件培养基对正常肠上皮细胞和肿瘤上皮细胞（癌细胞）的生长没有明显偏好性。而这一特点通过线粒体突变在不同培养基中培养的癌细胞的谱系追踪得到了进一步验证。图4 体内组织以及体外两种培养基中的类器官细胞表达MKI67的比例此外，该研究结果表明，条件培养基比化学成分确定培养基（分子培养基）更能真实地反映对应体内肿瘤上皮细胞（癌细胞）与正常肠上皮细胞的差异。与体内相应的癌细胞相似，在条件培养基中培养的肿瘤类器官呈现肠上皮干祖细胞标志基因OLFM4高表达和肠上皮分化成熟标志基因CA2低表达的特征，正常组织类器官呈现相反的OLFM4低表达和CA2高表达的模式（图5）。然而，在化学成分确定培养基（分子培养基）中，无论是正常组织类器官还是肿瘤类器官都具有相似的OLFM4高表达和CA2低表达的模式，无法准确模拟对应体内不同类型上皮细胞基因表达的不同特征。这表明现有的两种培养体系对维持对应体内肿瘤细胞关键生物学特征都有效，但是条件培养基要优于化学成分确定培养基（分子培养基），因而条件培养基是基于类器官的肿瘤发生分子机制研究和药物筛选的首选培养体系。图5 不同条件下的肿瘤细胞和正常上皮细胞的CA2和OLFM4的表达综上所述，该项研究对结直肠癌体内肿瘤组织、体内癌旁正常组织，以及配对的在两种不同培养体系中建立的肿瘤类器官、癌旁正常组织类器官进行了高精度单细胞转录组分析，并结合全基因组测序、全外显子组测序、DNA甲基化组测序以及靶位点Sanger测序的结果，系统地评估了类器官模型在研究结直肠癌肿瘤发生分子机制上的可靠性和局限性。该研究发现，现有的培养体系中的肿瘤类器官非常好地维持了对应结直肠癌患者体内癌细胞的关键生物学特征，现有的肿瘤类器官是肿瘤发生分子机制研究以及肿瘤杀伤药物筛选的优越平台。现有的培养体系使得正常肠上皮类器官也具有部分肿瘤细胞特征，因而无法用同一个患者得到的肿瘤类器官和正常肠上皮类器官进行配对筛选，以便得到对肿瘤细胞有选择性杀伤效果的候选药物。现有的两种培养体系对维持结直肠癌肿瘤细胞关键生物学特征都有效，但是条件培养基要优于化学成分确定培养基（分子培养基），因而条件培养基是结直肠癌肿瘤发生分子机制研究和药物筛选的首选培养体系。