α-MEM 與最低必需培養基（MEM）

Harry Eagle 於 1959 年在《Science》期刊發表最低必需培養基（MEM）；在此之前，他花了數年時間有系統地釐清哺乳動物細胞在培養中真正需要哪些成分。MEM 刻意維持極簡：13 種必需胺基酸、8 種維生素、葡萄糖，以及 Earle 平衡鹽溶液的六種無機鹽（氯化鈣、氯化鉀、硫酸鎂、氯化鈉、磷酸鈉與碳酸氫鈉），此外再無其他。這種極簡正是設計本身的目的——它讓 MEM 成為一個定義清楚的基準，任何細胞類型的營養需求都可以拿它來測試。

α-MEM 就是所謂的「α 修飾型」，1971 年由 Stanners、Eliceiri 與 Green 在研究小鼠—倉鼠雜交細胞的核糖體時提出。他們需要一種更豐富的培養基，能支持雜交細胞與難養的細胞，又不必像 DMEM 那樣把胺基酸濃度拉得非常高。他們的修飾完全保留 MEM 的鹽類基礎與葡萄糖，只增加養分：

• 全部非必需胺基酸——丙胺酸、天門冬醯胺、天門冬胺酸、麩胺酸、甘胺酸、脯胺酸與絲胺酸，另加半胱胺酸
• 丙酮酸鈉 110 mg/L（1 mM）
• 抗壞血酸（維生素 C）50 mg/L、生物素 0.1 mg/L、維生素 B12 約 1.3 mg/L
• 硫辛酸 0.2 mg/L
• 可選配的核糖核苷與去氧核糖核苷

結果是一種營養上比 MEM 豐富許多、但離子組成與 CO2 需求完全相同的培養基——這也是為什麼即使 α-MEM 與 DMEM 同樣被稱為「強化型 MEM」，兩者在培養上的表現卻明顯不同。

這是搭配 Earle 平衡鹽的標準 MEM 配方——也就是沒有特別註明時，以「MEM」、「EMEM」或「MEM Eagle」名義販售的培養基。

無機鹽與其他成分

胺基酸（mg/L）——只有 13 種必需胺基酸

L-精胺酸·HCl 126；L-胱胺酸·2HCl 31；L-組胺酸·HCl·H2O 42；L-異白胺酸 52；L-白胺酸 52；L-離胺酸·HCl 73；L-甲硫胺酸 15；L-苯丙胺酸 32；L-蘇胺酸 48；L-色胺酸 10；L-酪胺酸（二鈉鹽二水合物）52；L-纈胺酸 46；另加 L-麩醯胺酸 292。

維生素（mg/L）——共 8 種

氯化膽鹼 1；D-泛酸鈣 1；葉酸 1；菸鹼醯胺 1；吡哆醛·HCl 1；硫胺·HCl 1；肌醇 2；核黃素 0.1。

整個培養基就只有這些。MEM 不含非必需胺基酸、不含核苷、不含丙酮酸、不含抗壞血酸、不含生物素、不含維生素 B12、不含硫辛酸，也不含微量元素。這種極簡是刻意的——Eagle 的目的是確立哺乳動物細胞最低限度需要什麼，其餘一切都預期由血清供應。這也是為什麼 MEM 到今天在病毒學、疫苗生產與營養需求研究上仍然好用：在這些場合，多加的成分反而會干擾結果。

另外還有一種搭配 Hanks 平衡鹽的 MEM，除了碳酸氫鈉降到約 350 mg/L、以供大氣 CO2 環境使用之外完全相同（見下方的鹽類一節）。另有兩種常見變體：已預先加入非必需胺基酸的 MEM，以及噬斑分析覆蓋層專用的 2x MEM。

標準 α-MEM 配方（含核苷版本；不含核苷的版本除了少掉 8 種核苷之外完全相同）：

無機鹽與其他成分

胺基酸（mg/L）

L-丙胺酸 25；L-精胺酸·HCl 126；L-天門冬醯胺·H2O 50；L-天門冬胺酸 30；L-半胱胺酸·HCl·H2O 100；L-胱胺酸·2HCl 31；L-麩胺酸 75；甘胺酸 50；L-組胺酸·HCl·H2O 42；L-異白胺酸 52；L-白胺酸 52；L-離胺酸·HCl 73；L-甲硫胺酸 15；L-苯丙胺酸 32；L-脯胺酸 40；L-絲胺酸 25；L-蘇胺酸 48；L-色胺酸 10；L-酪胺酸（二鈉鹽二水合物）52；L-纈胺酸 46。

維生素（mg/L）

抗壞血酸 50；肌醇 2；氯化膽鹼 1；D-泛酸鈣 1；葉酸 1；菸鹼醯胺 1；吡哆醛·HCl 1；硫胺·HCl 1；核黃素 0.1；生物素 0.1；維生素 B12 約 1.3。

核苷（mg/L，含核苷版本）

腺苷 10；胞苷 10；鳥苷 10；尿苷 10；胸苷 10；2'-去氧腺苷 10；2'-去氧鳥苷 10；2'-去氧胞苷·HCl 11。

與 DMEM 相比有兩點值得記住。α-MEM 的葡萄糖只有四分之一（1,000 對 4,500 mg/L），碳酸氫鈉也明顯較少（2,200 對 3,700 mg/L，因此對應 5% CO2 而非 10%）。但它的養分種類更廣——抗壞血酸、生物素、維生素 B12、硫辛酸與完整的非必需胺基酸組合，這些 DMEM 都沒有。α-MEM 不是稀釋版的 DMEM，而是另一套設計。

這是訂購 α-MEM 時最關鍵的一項選擇，而且選錯了會在無聲無息之間毀掉篩選實驗。

細胞合成核苷酸有兩條路徑：從頭合成（de novo）途徑從零開始建構嘌呤與嘧啶，依賴二氫葉酸還原酶（DHFR）與胸苷酸合成酶；補救途徑則利用 HGPRT、胸苷激酶等酵素回收現成的核苷。培養基中的核苷餵養的正是補救途徑。

下列情況要用不含核苷的 α-MEM——補救途徑必須被阻斷，或從頭合成本身就是你的篩選標記：

• CHO-DXB11 與 CHO-DG44 的 DHFR 篩選。 這兩株細胞缺乏 DHFR，無法從頭合成核苷酸，只有在培養基提供核苷時才能存活——因此不含核苷的 α-MEM 正好構成篩選壓力，只有成功接受帶有 DHFR 表現載體的細胞才活得下來。一旦補上核苷，篩選就完全失效。這是最經典的用途，也是不含核苷 α-MEM 成為生物製程標準試劑的原因。
• 甲胺蝶呤基因增幅。 邏輯相同：甲胺蝶呤抑制 DHFR，而培養基裡的核苷會把你正想淘汰的細胞救回來。
• 融合瘤實驗中的 HAT 與 HT 篩選，其用意就是控制細胞只能走哪一條路徑。

下列情況用含核苷的 α-MEM，也就是你只是想要一種營養豐富的培養基： 常規間質基質細胞擴增、骨髓培養、初代細胞生長，以及 DHFR 缺陷細胞株在開始篩選之前的維持培養。核苷可以減輕細胞自行合成核苷酸的代謝負擔，通常也能改善難養初代細胞的生長。

如果你的實驗流程完全沒提到核苷，而且你也不是在做篩選，含核苷的版本是比較安全的預設值。如果流程裡出現 DHFR、甲胺蝶呤、HAT 或 HT，請仔細讀清楚——答案通常是「不含」，而這兩種產品的型錄名稱往往只差一個字，非常容易拿錯。

MEM 有兩種鹽類基礎，差別完全取決於你打算把培養物放在哪裡。

Earle 平衡鹽版本的 MEM 含 2,200 mg/L 碳酸氫鈉，設計給 5% CO2 培養箱使用。這是標準的實驗室型式，沒有特別註明時所說的「MEM」就是指這一種。α-MEM 用的也是這個基礎。

Hanks 平衡鹽版本的 MEM 只含約 350 mg/L 碳酸氫鈉，設計給密封容器或大氣 CO2 濃度下使用——早年用於組織運送、密閉培養瓶培養，以及在開放實驗檯上進行的操作。把 Hanks 鹽基礎的 MEM 裝在通氣式培養瓶裡放進 5% CO2 培養箱，pH 會跌破緩衝能力。

這個規則不只適用於 MEM：碳酸氫鹽濃度與培養箱 CO2 濃度是一組必須配對的參數，因為這類培養基的 pH 由碳酸氫鹽與溶解 CO2 的比值決定。任何時候在規格書上看到偏低的碳酸氫鹽數值，先確認這項產品是不是 Hanks 鹽或密封容器用配方，再決定要不要放進培養箱。

間質基質細胞（MSC）。 α-MEM 是人類與動物骨髓來源、脂肪來源 MSC 擴增的標準基礎培養基，通常搭配 10–20% FBS 或一種定義明確的添加物。低葡萄糖在這裡是優點——高葡萄糖對 MSC 增殖與分化潛能的影響已有明確文獻紀錄。

骨與造血系統培養。 成骨細胞、蝕骨細胞分化試驗、骨髓基質培養與長期骨髓培養，慣例上都使用 α-MEM。它含有抗壞血酸這一點對成骨細胞研究直接相關，因為膠原蛋白羥化與基質沉積都需要抗壞血酸。

CHO-DXB11 與 CHO-DG44。 如前所述，含核苷與不含核苷的 α-MEM 是這些生產用細胞株進行 DHFR 篩選與甲胺蝶呤增幅時的標準搭配。

廣義的初代細胞。 軟骨細胞、牙髓細胞、角質細胞飼養層、初代纖維母細胞以及許多其他初代培養，在 α-MEM 中的表現都比在普通 MEM 中好，原因就是非必需胺基酸、丙酮酸、抗壞血酸與核苷。

普通 MEM 在需要一個最小化、成分明確的基礎時仍然通用——Vero 與 MRC-5 上的病毒學與疫苗生產、噬斑分析，以及任何額外成分都會干擾結果的營養需求研究。

注意鈣：α-MEM 含 1.8 mM 鈣，與 DMEM 相同。這適合貼壁與分化培養，但對指定低鈣的角質細胞流程來說是不合適的基礎。

CO2。 α-MEM 的 2,200 mg/L（26 mM）碳酸氫鹽對應 5% CO2。這正是培養箱的標準設定，所以 α-MEM 開瓶即用時的 pH 穩定度比 DMEM 更容易預測。

麩醯胺酸。 含麩醯胺酸的配方為 2 mM（292 mg/L）。它在溶液中會分解為氨，因此改用不含麩醯胺酸的培養基另行新鮮添加，或使用穩定的雙胜肽 L-丙胺醯-L-麩醯胺酸，長期培養的一致性會更好——這對動輒培養數週的 MSC 擴增特別重要。

血清。 一般為 10% FBS；MSC 流程常指定 15–20%，臨床級應用則愈來愈多改用定義明確的添加物或人類血小板裂解液。

抗壞血酸的穩定性。 α-MEM 的 50 mg/L 抗壞血酸確實有用，但也確實不穩定——它在溶液中會於數天到數週內氧化。做成骨分化時，抗壞血酸負責推動膠原蛋白沉積，請新鮮添加抗壞血酸-2-磷酸酯，而不要依賴一瓶已經開了一個月的培養基裡還剩下多少。抗壞血酸-2-磷酸酯正是分化流程採用的穩定型式，理由就在這裡。

保存。 2–8 °C 避光保存，未開封通常可放 12–24 個月。加入麩醯胺酸之後約為四週。α-MEM 比普通 MEM 更怕光，因為抗壞血酸、核黃素與葉酸都會光解。請放在關好的冷藏櫃裡。

粉末型 α-MEM 出貨時不含碳酸氫鈉；復溶時須加入 2.2 g/L，並把 pH 調到比目標值低約 0.2 個單位，以預留過濾過程中的回升，最後以 0.22 µm 過濾除菌。

訂錯核苷版本。 兩種產品的型錄名稱只差一個字，但在 DHFR 或甲胺蝶呤篩選下的行為完全不同。請看規格書，不要只看架上標籤。

把 α-MEM 當成低糖版的 DMEM。 它不是。碳酸氫鹽不同（2,200 對 3,700 mg/L）、CO2 需求不同、維生素組合不同，而且它含有 DMEM 沒有的核苷、抗壞血酸、硫辛酸與丙酮酸。

做分化實驗時依賴瓶中原有的抗壞血酸。 抗壞血酸在溶液中會降解。成骨相關實驗請改用抗壞血酸-2-磷酸酯作為新鮮添加物。

把 Hanks 鹽的 MEM 放進 CO2 培養箱。 它的 350 mg/L 碳酸氫鹽在 5% CO2 下無法緩衝，培養物會酸化。

在研究進行到一半時把 MSC 培養從 α-MEM 換成 DMEM。 葡萄糖、鈣與微量營養素含量全都會改變，增殖速率與分化潛能也會跟著移動。