化學成分明確培養基

當一個培養基中每一種成分的化學身分與濃度都明確已知時，它才稱得上是化學成分明確培養基。

依照這個標準，下列成分依定義自動被排除：

• 血清（胎牛血清、新生牛血清、人類血清）：其中含有數千種蛋白質、脂質、荷爾蒙與代謝物，濃度會隨批次與供體動物而變動
• 蛋白質水解物與蛋白腖——大豆、小麥、酵母、酪蛋白來源——這些是酵素消化產物，內含序列未知的胜肽混合物
• 組織與植物萃取物、條件培養液、血小板裂解液，以及任何組成未經完整鑑定的生物製備物

但這個定義並不排除蛋白質。化學成分明確培養基可以含有重組人類胰島素、重組轉鐵蛋白、重組白蛋白或重組生長因子，因為每一種都是序列明確、以已知濃度加入的單一分子。這是最常被誤解的一點，也正是「化學成分明確」與「無蛋白質」是兩個彼此重疊、卻並不相同的標示的原因。

也要注意這個定義沒有承諾什麼。化學成分明確並不代表無動物來源——由胰臟純化的牛胰島素是一個成分明確的分子，卻是動物來源。它也不代表效能更好。化學成分明確培養基指的是你完全掌握它的組成，那是製程控制與再現性的前提，而不是產量更高的保證。

這四個名詞在型錄裡被寬鬆使用，在法規文件裡卻定義嚴謹。它們不是同一條刻度上的四個點，理解它們如何交集，可以避免昂貴的採購錯誤。

含血清培養基。 傳統作法：以 DMEM 或 RPMI 1640 這類基礎培養基，加上 5–20% 胎牛血清。血清補足了基礎培養基缺少的一切——脂質與膽固醇、轉鐵蛋白與鐵、作為載體與解毒劑的白蛋白、生長因子、荷爾蒙、貼附因子與蛋白酶抑制劑。它方便，而且對各種細胞都寬容；它同時也是細胞培養中最大的單一變異來源。

無血清培養基（SFM）。 不含血清。血清的功能改由特定添加物取代，可能包括純化或重組蛋白質、水解物、脂質補充劑，以及 ITS（胰島素、轉鐵蛋白、硒）之類成分明確的荷爾蒙組合。無血清不等於成分明確：含大豆水解物的無血清培養基，組成仍然是不明確的。

無動物來源（AOF）／無動物成分（ACF）／無動物衍生成分（ADCF）。 配方本身及其製造過程中的任何環節都不含動物來源物質，連原料的原料也包括在內。植物水解物，以及在非動物宿主中表現的重組蛋白質，都是允許的。這是關於生物安全與外源感染因子風險的來源聲明，不是組成聲明——含大豆水解物的 AOF 培養基是無動物來源，但成分並不明確。無異種成分（xeno-free）是人類細胞治療領域使用的相關名詞，指不含非人類動物成分；無異種成分培養基仍可能含有人類來源材料，例如人類血清白蛋白或人類血小板裂解液。

無蛋白質培養基。 不含任何蛋白質，重組蛋白質也不行。胜肽與水解物仍可能存在，所以無蛋白質同樣不會自動等於成分明確。

化學成分明確（CD）。 每一種成分的身分與濃度都已知。依其建構方式，必然無血清，也必然不含水解物。可以含有重組蛋白質。無蛋白質化學成分明確培養基（PFCD）是常見分類中最嚴格的一級：成分明確而且完全不含蛋白質，原本由蛋白質承擔的功能改由小分子、合成胜肽、脂質乳劑與螯合金屬離子提供。

這幾者的關係值得明確寫出來，因為多數混淆都源自於此：每一種化學成分明確培養基都是無血清培養基，但多數無血清培養基並非化學成分明確。無蛋白質培養基不必然成分明確。無動物來源培養基不必然成分明確。而化學成分明確培養基，也不必然無動物來源。

既然化學成分明確培養基主要是靠「它移除了什麼」來定義，那就有必要先把血清究竟是什麼講清楚。

血清是血液凝固之後的液體部分，其中的細胞與凝血因子都已去除。用量最大的胎牛血清（FBS）採自懷孕母牛屠宰時的胎牛；新生牛血清、成牛血清、馬血清與人類血清也都有人使用。它是一種生物體液，不是一份配方，沒有人握有它成分的完整清單。

它為培養提供的是這些東西：

• 白蛋白：在原液中約 20–40 g/L，作為脂肪酸、荷爾蒙與微量金屬的載體，作為對抗剪應力的緩衝，也作為毒性物質的收納槽
• 轉鐵蛋白：以細胞能夠攝取的形式運送鐵
• 生長因子與荷爾蒙——胰島素、IGF-1 與 IGF-2、EGF、PDGF、FGF、氫化可體松、甲狀腺荷爾蒙——濃度會隨批次與供體動物而變動
• 脂質——膽固醇、磷脂質、游離脂肪酸——多數培養細胞無法自行合成足夠的量
• 貼附因子，包括纖維連接蛋白與玻連蛋白
• 蛋白酶抑制劑，這也是含血清培養基能夠中和胰蛋白酶的原因
• 微量元素、維生素與代謝物，含量未經完整鑑定

以 10% 的比例加入培養時，血清等於帶進每公升好幾公克的蛋白質。這既是它為什麼這麼好用的原因，也是它為什麼是個問題的原因：它是一種寬容、廣效的補充品，而你既不知道、也無法控制它的組成。同一家供應商的兩個批次，在促生長活性上可能出現可量測的差異，這就是實驗室要先做批次試用、再一次買下好幾年可用批號的原因。

血清同時帶有外源感染因子風險——病毒、黴漿菌，以及歷史上曾引起關注的傳染性海綿狀腦病變——這正是法規壓力推動「凡供人體使用者，製程都要走向成分明確且無動物來源」的原因。

建立一個成分明確的配方，等於把血清原本負責的每一項功能逐一補回來。實務上，各種添加物就是為了這些功能而存在。

鐵的供應。 細胞需要鐵，卻無法有效攝取游離的三價鐵離子；血清提供的是轉鐵蛋白。成分明確培養基改用重組人類轉鐵蛋白，或在無蛋白質配方中改用合成螯合劑，例如檸檬酸鐵銨、檸檬酸鐵或羥基吡啶酮類鐵螯合物。

胰島素訊息傳遞。 重組人類胰島素約 5–10 mg/L，或在生產用培養基中改用較穩定的類似物 LONG-R3 IGF-1。這通常是成分明確配方中促進生長最主要的單一因素。

硒。 亞硒酸鈉，濃度落在低奈莫耳到微莫耳之間，是麩胱甘肽過氧化酶與硫氧化還原蛋白還原酶的必要輔因子。缺少硒，無血清培養中的細胞會累積氧化傷害。

脂質。 血清提供膽固醇、脂肪酸與磷脂質。成分明確培養基改用化學成分明確的脂質濃縮液——典型組成為膽固醇，以及花生四烯酸、亞麻油酸、次亞麻油酸、肉豆蔻酸、油酸、棕櫚酸與硬脂酸，並以 Pluronic F-68 之類的合成界面活性劑溶解，在配方允許時再加上環糊精載體。懸浮培養的 CHO 與 NS0 細胞株對膽固醇特別依賴。

抗氧化與載體能力。 白蛋白在血清中的角色，有一部分是結合並解除游離脂肪酸與活性物種的毒性。在允許蛋白質的成分明確培養基中，這由重組白蛋白承擔；無蛋白質配方則改以小分子抗氧化劑、額外的硒，以及嚴格控制微量金屬來達成。

微量元素。 銅、鋅、錳、鉬、釩、鎳等，濃度落在奈莫耳等級。血清會不著痕跡地提供這些元素；成分明確培養基則必須逐一指定，而微量元素配套沒有調好，正是成分明確配方表現不如預期的常見原因。

剪應力保護。 懸浮與生物反應器培養使用 Pluronic F-68，濃度 0.1–1 g/L，在缺少血清蛋白質的情況下，保護細胞免於通氣與攪拌造成的損傷。

貼附因子。 貼壁細胞需要重組纖維連接蛋白、玻連蛋白或層黏連蛋白，或使用成分明確的合成表面塗層。

支撐這一切的基礎培養基，通常不是傳統配方。多數成分明確配方採用營養豐富、滲透壓較高的專有基礎液——常見是以 DMEM/F-12 為骨架——因為 DMEM、RPMI 這類傳統培養基當初就是假設血清會補足其缺口而設計的。

再現性。 血清的批次變異是多數細胞培養中最大的失控變數。兩批 FBS 在促生長活性、荷爾蒙含量與脂質組成上可能差異顯著，這也是實驗室要先做批次試用、再一次買下好幾年用量的原因。成分明確培養基把這個變數整個移除——同一份配方在 2026 年的表現，與 2020 年時完全一樣。

法規與生物安全的立場。 血清帶有外源感染因子風險：病毒、黴漿菌，以及歷史上曾引起關注的傳染性海綿狀腦病變。對任何用於人體的產品，主管機關都要求對動物來源原料進行風險控管並留下文件佐證。化學成分明確、無動物來源的製程，直接消除了這一整段負擔。特別是在細胞與基因治療領域，成分明確且無異種成分的培養基實際上已是預設要求，而不是選項。

下游純化。 血清會帶進每公升數公克的蛋白質，這些蛋白質必須與重組產物分離。成分明確培養基——尤其是無蛋白質的配方——能大幅簡化捕捉與精製步驟，並提高產物純度。

實驗結果的可解讀性。 在訊息傳遞、代謝、內分泌與藥物反應研究中，血清會引入荷爾蒙、生長因子、結合蛋白與脂質，干擾量測結果。血清白蛋白會結合疏水性化合物，改變藥物的有效濃度。成分明確培養基讓劑量—反應數據真正代表你以為它代表的意義。

規模化的供應與成本。 血清供應有限、價格波動，在倫理上也有爭議。到了生產規模，成分明確培養基不但更可預測，用量大時通常也更便宜。

血清仍然合理的場合： 探索性的初代細胞培養、尚未驗證成分明確替代方案的既有標準流程，以及任何「適應成本高於移除該變數所得價值」的情況。成分明確培養基不是全面更好；它是在需要控制的時候更好。

多能幹細胞培養是化學成分明確培養基變成必要條件的領域，因為成分不明的餵養層與血清替代物，會讓分化實驗完全無法重現。它同時也是「一份成分明確的配方實際長什麼樣子」最清楚的公開範例。

Essential 8（E8）配方由 Chen 等人在 Thomson 實驗室於 2011 年發表，僅以八種成分就能支持人類 iPSC 的建立與培養——這是刻意的示範，說明早期幹細胞培養基裡大部分的東西其實並不需要。下表的濃度取自原始論文：

有三點值得注意。基礎培養基用的是 DMEM/F-12，不是 DMEM 也不是 RPMI，因為血清一旦移除，就需要 F-12 提供的微量元素與脂質前驅物。抗壞血酸是以 2-磷酸酯鹽的形式加入，而不是游離的抗壞血酸，因為游離型在溶液中幾天內就會氧化。而這份配方含有重組蛋白質——胰島素、轉鐵蛋白、FGF2、TGF-β1——這正是它屬於化學成分明確、而不是無蛋白質的原因。

間質基質細胞培養基走的是同樣的邏輯，只是基礎不同：通常以 α-MEM 或 DMEM/F-12 為底，加入胰島素、轉鐵蛋白、硒、FGF2 與 PDGF，取代傳統間質基質細胞流程中的 10–20% FBS。用於臨床級的工作時，這類配方通常還會同時指定為無異種成分。

當型錄上的產品都不合用時，培養基可以依需求量身配製。這比看起來更常見——生物製劑生產有很大一部分跑在客製配方上；在提出需求之前，值得先了解這個流程包含哪些環節。

什麼情況下客製配方是合理的：

• 現有培養基表現良好，但需要一兩處改動：換一個葡萄糖濃度、拿掉麩醯胺酸、拿掉酚紅、換一種緩衝系統，或為了代謝示蹤實驗而移除某個成分
• 製程已在實驗室規模以「基礎培養基加上數種補充劑」最佳化完成，把它們整併成單一配方可以省去操作步驟並降低變異
• 需要一份已公開發表的配方，但沒有供應商有現貨
• 放大生產需要把目前以液態採購的產品改成粉末或濃縮形式
• 法規要求把目前含水解物的培養基，改成無動物來源或完全成分明確的版本

流程通常包含什麼。 雙方先議定一份規格書，內容涵蓋成分清單與各自濃度、pH 與滲透壓目標值、產品形式（液態、粉末或濃縮液）、分裝體積，以及無菌、內毒素與效能測試的要求。接著製造一個試作批次，除了對照目標規格檢驗之外，更重要的是拿你自己的細胞去驗——一份符合化學規格的配方，仍然可能表現不佳。試作批次通過之後，配方即鎖定，後續批次都依此製造，並逐批附上分析證明書。

該指定、卻最常被遺漏的項目。 麩醯胺酸是含在配方裡，還是另外供應。碳酸氫鈉是含在粉末中，還是在配製時才加入，以及這份配方是針對哪一種 CO2 濃度設計的。滲透壓目標值——不只是成分清單，鹽類或葡萄糖的小幅改動都會讓它移動。酚紅要不要。是否要求無動物來源，因為這會往上游限制原料的採購來源。還有保存形式，因為粉末與液態的效期與運費差異非常大。

對多數實驗室而言，合理的順序是：從最接近的型錄產品出發，先在實驗室規模用補充劑證明這個改動有效，之後再整併成一個客製批次——而不是憑理論直接委託一份全新配方。

選擇取決於細胞株。 世界上沒有通用型的化學成分明確培養基。CD 培養基是針對特定宿主開發與最佳化的——CHO、HEK293、BHK-21、NS0、融合瘤、Vero、iPSC——為 CHO 表現良好的配方，往往完全無法支持 HEK293 生長。先從你的宿主細胞出發，再看應用：擴增、暫時性轉染、穩定表現生產、病毒生產或分化，各自偏好不同的配方。

適應是一個過程，不是換一瓶而已。 長期在血清中繼代的細胞，已經把用不到的路徑調降表現。標準作法有兩種：

階段式適應。 逐步降低血清——10%、5%、2.5%、1%、0.5%、0%——每個階段維持兩到三代，等生長速率與存活率恢復之後再往下降。速度較慢，但成功率較高，遺傳漂變也較少。

直接適應。 以較高的接種密度直接種入成分明確培養基，並持續繼代度過恢復期。可行時速度較快；對強健的懸浮細胞株，比對貼壁細胞或初代細胞更常成功。

兩種作法都要用比平常更高的接種密度——在成分明確培養基中，細胞對自己分泌的條件因子敏感得多——並且要預期培養狀況會連續數代看起來很差，之後才會恢復。每個階段都要保留一批以血清培養的細胞凍存備份。適應通常需要四到八週。

事後要驗證的不只是生長速率。 適應後的細胞可能在倍增時間、代謝輪廓、分泌蛋白的醣基化、表面標記表現與轉染效率上，與親代細胞不同。請重新建立對你而言重要的分析基準，並在成分明確培養基中建立新的主細胞庫。

實務提醒。 成分明確培養基常以不含 L-麩醯胺酸的形式供應，讓使用者臨用前新鮮添加，或改用穩定的二胜肽 L-丙胺醯-L-麩醯胺酸。許多產品以粉末形式供應，供大規模配製使用。由於沒有血清蛋白質可以緩衝 pH、滲透壓與剪應力的波動，成分明確培養基的培養對製程失誤的容忍度較低——請比使用血清時更嚴格地控制流加、CO2 與攪拌條件。

「化學成分明確就等於無蛋白質。」 並非如此。CD 培養基可以含有重組胰島素、轉鐵蛋白或白蛋白。無蛋白質化學成分明確（PFCD）是另一個、也更嚴格的分類。

「無血清就等於成分明確。」 並非如此。多數無血清培養基含有植物或酵母水解物，那是組成不明的胜肽混合物。

「無動物來源就等於成分明確。」 並非如此。大豆水解物既無動物來源，也徹底不明確。

「化學成分明確就等於無動物來源。」 不一定。牛胰島素或動物來源的膽固醇都是成分明確的分子，卻是動物來源。如果兩種特性都需要，請找同時標示化學成分明確且無動物來源或 ADCF 的產品。

「成分明確培養基什麼細胞都養得活。」 成分明確培養基具有宿主專一性，通常也比含血清培養基更不寬容。這是移除血清那種廣泛而不明確的支持之後，必須直接付出的代價。

「適應一週就搞定。」 四到八週才是常態，而且適應後的細胞株應視為一株新的細胞株，需要重新鑑定。