发布日期：2023年 | 最后修订日期：2026年5月
HEK293细胞：现代细胞研究与生物技术领域的基石
人胚胎肾293（HEK293）细胞是一种人胚胎肾细胞系，因其多功能性及在广泛研究应用中的实用价值，在科学界广受青睐。 该细胞系建立于20世纪70年代初，此后一直被用于疫苗开发、癌症研究、药物测试和信号转导等领域。本文将全面探讨HEK293细胞系的各个方面，包括其起源、培养信息、优缺点、应用及相关资源。
- 培养基
在含2 mM L-谷氨酰胺和10%胎牛血清（FBS）的Eagle's最小必需培养基（EMEM）中培养。每周更换培养基两次。 - 倍增时间
HEK293细胞系的倍增时间在24至45小时之间，平均为30小时。 - 生长类型
贴壁 - 生物安全等级
BSL-2
HEK293细胞：概述与来源
什么是 HEK293 细胞？
HEK293细胞是一种人类胚胎肾细胞系，源自一名身份不明的、经选择性终止妊娠的人类胚胎的肾组织。 该细胞系由荷兰生物学家 Alex Van der Eb 于 20 世纪 70 年代初期建立。后来，研究人员 Frank Graham 通过截短型腺病毒 5 号的转化，使该细胞系实现了永生化。
起初，这些细胞似乎难以转染。然而，经过持续不断的努力，最终从一个孤立的单个转染克隆中成功获得了细胞增殖[1]。 通过腺病毒5型对细胞进行转染，使得E1A和E1B基因被整合到细胞基因组中，这既能防止细胞凋亡，又能促进蛋白质的丰度表达。在实现永生化之前，这些胎儿肾脏细胞尚未得到充分鉴定，因此其确切的细胞类型尚不明确。
胚胎肾脏由内皮细胞、上皮细胞和成纤维细胞组成，因此HEK 293细胞很可能属于这些细胞类型。然而，mRNA和基因产物表明它们是神经元细胞。Ad5的加入可能改变了细胞表型和基因表达。 趣闻：HEK293中的“293”指的是格雷厄姆（Graham）进行的第293次实验。
趣闻：HEK293中的“293”指的是格雷厄姆（Graham）进行的第293次实验。
HEK293细胞的特征
- 形态
- 细胞大小
- 基因组与倍性（染色体数）
HEK293细胞的形状类似于上皮细胞。胚胎肾脏主要由成纤维细胞、内皮细胞和上皮细胞组成。因此，293细胞的形状与其中一种细胞类型相似。
HEK 293 细胞的大小在 11 至 15 µm 之间，这可能受培养条件的影响。在培养过程中，当细胞附着在培养基表面时可能呈现扁平状，而在悬浮培养时则可能呈圆形。 HEK293细胞为次三倍体，约30%的HEK293细胞具有64条染色体的模态倍性，但部分细胞的染色体数甚至更多。 这些细胞还具有三份 X 染色体，以及整合在第 19 号染色体上的 4 千碱基对的腺病毒 5 片段。
HEK293 与 HEK293T 细胞系的比较
许多衍生物都源自亲本 HEK 293 细胞，例如常见的 293 细胞衍生物 HEK293T 和 HEK293F 细胞。 HEK293T细胞是最广泛使用的衍生物之一，是通过将一种温度敏感的SV40 T抗原突变体整合到原始HEK 293细胞基因组中而创建的。 T抗原的表达使得当质粒转染至293-T细胞时，含有SV40复制起始点的质粒能够进行复制，从而提高重组蛋白的产量[2]。有关HEK细胞系衍生物的更多信息，包括其开发与特性，请参阅这篇综述文章。
HEK293细胞培养基础：分步指南
培养条件
信息
细胞倍增时间
HEK293细胞系的倍增时间在24至45小时之间，平均为30小时。
贴壁或悬浮培养
HEK293 细胞既可以贴壁培养，也可以悬浮培养。贴壁细胞生长为单层，而悬浮培养则生长为球体。
接种密度
在生长阶段，当细胞汇合度达到80-90%时进行传代。使用Accutase消化细胞，并以1至4×10⁴个细胞/cm²的密度接种。若接种密度为1×10⁴个细胞/cm²，4天内将形成完全汇合的单层。
培养基
使用含2 mM L-谷氨酰胺和10%胎牛血清（FBS）的Eagle's最小必需培养基（EMEM）进行培养。每周更换培养基两次。
培养条件（温度、CO₂）
为获得最佳生长效果，请将培养箱置于37 °C、5% CO₂的加湿环境中。
保存
长期保存时，请置于液氮的蒸汽或液相中。避免存放在-80 °C冷冻箱中，以免影响细胞存活率。
冷冻过程与培养基
为获得最佳保存效果，请采用慢速冷冻法。使用CLS提供的CM-1或CM-ACF冷冻培养基进行冷冻。
解冻过程
将冷冻细胞置于37 °C水浴中解冻1-2分钟，直至仅剩一小块冰团。将细胞悬液转移至离心管中，加入预热的培养基并离心，以去除冷冻培养基成分。将细胞沉淀用新鲜培养基重悬，并在最佳条件下进行培养。
生物安全等级
HEK293细胞需在生物安全1级条件下操作。
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HEK293细胞系在科研与工业中的应用
HEK293细胞的应用广泛且意义重大。它们常被用作重组蛋白的表达和生产系统。由于其人类来源，这些细胞中产生的蛋白质在结构和功能上更可能与天然的人类同源蛋白相似，这对治疗应用至关重要。
此外，HEK293细胞常被用于基因功能与调控研究，因其能高效摄取外源DNA，使其成为基因操作的理想模型。这些细胞在腺病毒载体的生产中也发挥着关键作用，该载体广泛应用于基因治疗和疫苗开发，包括新冠疫苗的快速研制。
疫苗与蛋白质生产：HEK 293细胞适用于大规模蛋白质及治疗性疫苗的生产。该细胞系还被用于制备病毒载体，例如腺相关病毒和腺病毒载体。 近期，HEK293细胞已被用于生产一种关键的重组蛋白——促红细胞生成素（EPO）。
药物测试：HEK293细胞常用于测试药物和天然产物的毒性。
癌症研究：293细胞具有致瘤性，该细胞系中关键基因表达的变化会加剧肿瘤发生。因此，293细胞系常用于癌症研究，以阐明其潜在的分子机制并推动药物开发。
转染研究：转染是指将核酸导入细胞的过程，而HEK293细胞特别适合进行这一过程。关于此主题的更多内容将在下文阐述。
HEK293在疫苗和蛋白质生产中的作用
在疫苗生产中，HEK293细胞在腺病毒疫苗的开发中发挥了关键作用。其悬浮培养能力使得生产过程可实现规模化，这对满足全球疫苗需求至关重要。 此外，其人类来源的特性使其相较于其他细胞系更具优势，因为它们能够进行类似人类的翻译后修饰，从而确保所生产疫苗的生物效价。
HEK293细胞的多功能性还延伸至复杂蛋白质的生产，包括用于治疗癌症、自身免疫性疾病及其他病症的单克隆抗体和生物类似药。其精确折叠和修饰蛋白质的能力，使其成为重组蛋白生产行业中的首选。
为何选用 HEK293 细胞进行转染？
转染是将核酸导入细胞的过程，而HEK293细胞特别适合这一过程。HEK293细胞之所以被广泛用于转染，主要有以下几个原因：
- 高转染效率：HEK293细胞对外源DNA的摄取率很高，这归因于其能够表达某些病毒基因，从而促进DNA进入细胞。
- 生长旺盛：这些细胞生长迅速且相对易于维持，这对于需要快速且可靠结果的实验非常有利。
- 适应性强：HEK293细胞可在多种条件下培养，包括贴壁培养或悬浮培养，这使其适合大规模蛋白质生产。
- 人类细胞系：作为人类细胞系，它们为人类生物学提供了更具相关性的生物学背景，这在治疗研究中尤为重要，因为人类细胞的反应可预测体内结果。
- 多功能性：它们能够产生具有复杂翻译后修饰的蛋白质，这一特征对于许多蛋白质（尤其是治疗性抗体）的功能至关重要。
HEK293 传代培养方案
所需试剂
- 1X 磷酸盐缓冲盐水 (PBS)
- 10% 胰蛋白酶-PBS
- 杜尔贝科改良鹰氏培养基 (DMEM)
操作步骤
细胞制备
- 在显微镜下检查 HEK 细胞，确保其汇合度约为 90%。
- 使用无菌技术清洁工作台，并用紫外线对通风柜进行消毒。
- 用 70% 乙醇擦拭工作台。
- 将所有试剂置于 37°C 水浴中预热。
计算传代倍数和接种量
- 确定分装比例，通常在 1:5 至 1:20 之间。
- 使用以下公式计算移液体积：Vp = (S)(Vd)。
培养基体积与分装方案
对于细胞培养，不同的培养容器需要特定的培养基体积，且具有独特的生长面积。 例如，6孔板的每个孔的生长面积为4.67 cm²，需要约2.5 mL培养基，而100 mm培养皿的生长面积为55 cm²，需要10 mL培养基。 细胞传代的过程包括：去除旧培养基、用PBS洗涤、用Accutase孵育、用DMEM中和、离心、用新培养基重悬，然后接种到新培养板中。 关于100 cm²培养瓶和150 mm培养皿等其他容器的详细步骤及比例，请参阅原始文献。
HEK293细胞系的优点与局限性
HEK293细胞具有独特的特性，使其在研究和蛋白质生产中备受青睐。
优势
- 高产量重组蛋白：HEK293细胞能够大量生产具有复杂翻译后修饰的重组蛋白。
- 转染灵活性：这些细胞在转染研究中效率极高，可通过各种物理和化学方法进行高效转染。
- 基因表达分析：由于其高效转染的能力，HEK293 细胞可用于瞬时和稳定基因表达分析。
- 结果的可重复性：HEK293 细胞可提供一致、可靠且可重复的结果，因此成为研究实验室的热门选择。
HEK293细胞系的缺点
- 细菌污染：细菌污染的风险是培养细胞系（包括 HEK293 细胞）时面临的常见挑战。细菌感染会改变培养基的 pH 值，导致浑浊，并影响细胞形态、培养周期和基因表达。为防止污染，必须严格维持无菌细胞培养条件。
- 病毒感染：与其他人类细胞系一样，HEK293细胞易受人类病毒性疾病感染。此类感染仅能通过PCR检测发现，且肉眼难以察觉。
- 培养周期：尽管HEK293细胞系已实现永生化，但过长的培养周期会逐渐损害细胞健康，并影响基因表达、实验重复性和细胞增殖。为维持健康的培养体系，建议传代次数控制在20次以内。
HEK293资源概览：实验方案、视频及其他
HEK293细胞是一种应用广泛且研究深入的细胞系，因此其维护和培养的相关资源十分丰富。在此，我们重点介绍一些用于学习HEK293细胞培养方案的资源：
- HEK细胞传代与维护：一个提供大量HEK293细胞信息的教育网站。该网站详细介绍了该细胞系的传代和接种操作规程。
- HEK293细胞：该网站链接汇集了所有已发表的关于细胞培养条件、生长培养基及传代操作规程的信息。
与 HEK293 细胞系相关的视频
关于 HEK293 细胞的传代、细胞接种及转染方案，已有大量教学视频可供参考。
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关于 HEK293 细胞的常见问题
HEK293 细胞是科学研究中广泛使用的一种细胞，自然会引起许多有关其性质、起源和特征的问题。下面，我们将探讨其中一些常见问题。
参考文献
- Lin, Y.-C. 等，人类胚胎肾293细胞系在细胞生物学操作下的基因组动态。《自然通讯》，2014年，第5卷第1期：第4767页。
- Tan, E. 等，HEK293细胞系作为生产重组蛋白和病毒载体的平台。《生物工程与生物技术前沿》，2021：第1288页。
- 普利克斯（M. Pulix）等，作为新兴多功能细胞工厂的HEK293细胞分子特征分析。《生物技术最新观点》，2021年，第71卷：第18-24页。
- Alvim, R.G., I. Itabaiana Jr, 和 L.R. Castilho，寨卡病毒样颗粒（VLPs）：稳定细胞系和连续灌流工艺作为一种新的潜在疫苗生产平台。 《疫苗》，2019年，第37卷第47期：第6970-6977页。
- Schwarz, H. 等，小型生物反应器支持高密度 HEK293 细胞灌流培养，用于生产重组促红细胞生成素。《生物技术杂志》，2020. 309: 44-52 页。
- Liu, X. 等，银纳米颗粒对正常HEK-293细胞与癌性HeLa细胞系的纳米毒性效应比较。《国际纳米医学杂志》，2021. 16: 第753页。
- 帕特拉（Patra, B.）等，槟榔（Piper betle）：金纳米颗粒合成增强及其对HeLa和HEK293细胞的体外细胞毒性评估。《簇科学杂志》，2020年，第31卷，第133-145页。
- Stepanenko, A. 和 V. Dmitrenko，细胞生物学与癌症研究中的HEK293细胞：表型、核型、致瘤性及应激诱导的基因组-表型演化。《基因》，2015年，569(2): 182-190页。