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细胞培养秘籍：生长因子的核心功能与高效应用策略

在细胞培养的复杂体系中，生长因子（Growth Factors）扮演着“指挥官”的角色。它们作为细胞外的信号蛋白，通过与细胞膜上的特异性受体结合，精准调控细胞的增殖、分化、迁移及存活。对于追求高活性、高纯度及特定功能的细胞培养而言，生长因子的选择不再仅仅是“添加与否”的问题，而是关乎实验成败的关键变量。本文将从生长因子的核心功能、常用种类解析、选择策略及实操要点四个维度，为您提供一份详尽的决策依据。

01

生长因子的核心功能与分类
生长因子本质上是一类多肽或蛋白质，它们在极低浓度下即可发挥显著的生物学效应。在体外培养环境中，生长因子的主要使命可以归纳为三大类：
首先是促进增殖与存活。这是最基础的需求，特别是在无血清培养基体系中，必须添加外源性生长因子来替代血清中复杂的天然成分，以维持细胞的基础代谢和分裂能力。
其次是维持干性。对于胚胎干细胞或诱导多能干细胞，特定的生长因子组合（如bFGF）是防止其自发分化、保持未分化状态的必要条件。
最后是诱导定向分化。当实验目的是将干细胞诱导为神经元、成骨细胞或软骨细胞时，需要特定的生长因子（如BMPs、TGF-β）作为“扳机”，启动特定的基因表达程序。

02

常用生长因子的功能图谱
在浩如烟海的生长因子库中，以下几类是细胞培养中最为核心的“明星分子”：
EGF（表皮生长因子）

EGF激活EGFR后介导细胞周期由G1期向S期推进的信号传导通路 Wee, P., & Wang, Z. (2017). Epidermal Growth Factor Receptor Cell Proliferation Signaling Pathways. Cancers, 9(5), 52. https://doi.org/10.3390/cancers9050052 表皮生长因子（EGF）激活表皮生长因子受体（EGFR）后，介导细胞周期由G1期向S期推进的信号传导通路。EGF是促进细胞增殖的经典因子。它主要结合EGFR受体，激活MAPK等信号通路，强力刺激上皮细胞、成纤维细胞及多种干细胞的有丝分裂。在角质形成细胞或神经干细胞的培养中，EGF通常是不可或缺的基础成分。 FGF家族（成纤维细胞生长因子） Farooq, M., Khan, A. W., Kim, M. S., & Choi, S. (2021). The Role of Fibroblast Growth Factor (FGF) Signaling in Tissue Repair and Regeneration. Cells, 10(11), 3242. https://doi.org/10.3390/cells10113242 其中bFGF（或FGF-2）尤为重要。与EGF不同，bFGF不仅具有促增殖作用，更是维持多能干细胞（如人ESC和iPSC）干性的关键因子。在间充质干细胞（MSC）的培养中，bFGF不仅能加速扩增，还能延缓细胞衰老，保持其多向分化潜能。 TGF-β超家族（转化生长因子-β）

EGF激活EGFR后介导细胞周期由G1期向S期推进的信号传导通路
Wee, P., & Wang, Z. (2017). Epidermal Growth Factor Receptor Cell Proliferation Signaling Pathways. Cancers, 9(5), 52. https://doi.org/10.3390/cancers9050052
表皮生长因子（EGF）激活表皮生长因子受体（EGFR）后，介导细胞周期由G1期向S期推进的信号传导通路。EGF是促进细胞增殖的经典因子。它主要结合EGFR受体，激活MAPK等信号通路，强力刺激上皮细胞、成纤维细胞及多种干细胞的有丝分裂。在角质形成细胞或神经干细胞的培养中，EGF通常是不可或缺的基础成分。

FGF家族（成纤维细胞生长因子）

Farooq, M., Khan, A. W., Kim, M. S., & Choi, S. (2021). The Role of Fibroblast Growth Factor (FGF) Signaling in Tissue Repair and Regeneration. Cells, 10(11), 3242. https://doi.org/10.3390/cells10113242
其中bFGF（或FGF-2）尤为重要。与EGF不同，bFGF不仅具有促增殖作用，更是维持多能干细胞（如人ESC和iPSC）干性的关键因子。在间充质干细胞（MSC）的培养中，bFGF不仅能加速扩增，还能延缓细胞衰老，保持其多向分化潜能。

TGF-β超家族（转化生长因子-β）

TGFβ家族信号通路在人类多能干细胞中的作用

TGFβ家族信号通路在人类多能干细胞中的作用
Liu, S., Ren, J., Hu, Y., Zhou, F., & Zhang, L. (2024). TGFβ family signaling in human stem cell self-renewal and differentiation. Cell regeneration (London, England), 13(1), 26. https://doi.org/10.1186/s13619-024-00207-9
这是一个功能极其复杂的家族。TGF-β具有“双面性”：在某些上皮细胞中，它抑制增殖并诱导细胞周期停滞；而在间充质干细胞中，它则是诱导软骨分化的核心因子。此外，其成员BMPs（骨形态发生蛋白）则是诱导成骨分化的金标准。
IGF与PDGF（胰岛素样生长因子与血小板衍生生长因子）

胰岛素样生长因子1受体信号传导在干细胞干性及治疗效能中的作用

胰岛素样生长因子1受体信号传导在干细胞干性及治疗效能中的作用
Teng, C. F., Jeng, L. B., & Shyu, W. C. (2018). Role of Insulin-like Growth Factor 1 Receptor Signaling in Stem Cell Stemness and Therapeutic Efficacy. Cell transplantation, 27(9), 1313–1319. https://doi.org/10.1177/0963689718779777
IGF-1主要通过PI3K/Akt通路促进细胞存活和代谢，常与EGF或bFGF协同作用，提高细胞的生长效率。
PDGF则在血管生成、伤口愈合模型及间充质干细胞的迁移与增殖中扮演重要角色。


Lv, D., Gimple, R. C., Zhong, C., Wu, Q., Yang, K., Prager, B. C., Godugu, B., Qiu, Z., Zhao, L., Zhang, G., Dixit, D., Lee, D., Shen, J. Z., Li, X., Xie, Q., Wang, X., Agnihotri, S., & Rich, J. N. (2022). PDGF signaling inhibits mitophagy in glioblastoma stem cells through N6-methyladenosine. Developmental cell, 57(12), 1466–1481.e6. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2022.05.007

03

基于细胞类型的选择策略
选择合适的生长因子，首要原则是“看菜吃饭”，即根据细胞来源和培养目的进行精准匹配。
间充质干细胞的扩增与分化
调控间充质干细胞（MSC）分化的信号分子及转录因子概览图
调控间充质干细胞（MSC）分化的信号分子及转录因子概览图
Karantalis, V., & Hare, J. M. (2015). Use of mesenchymal stem cells for therapy of cardiac disease. Circulation research, 116(8), 1413–1430. https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.116.303614
对于骨髓或脂肪来源的MSC，如果目标是大量扩增，bFGF是首选，它能有效维持细胞的干性并防止老化，EGF可作为辅助因子提升增殖速率。若目标是诱导分化，则需切换策略：向成骨方向诱导时，应添加BMP-2或BMP-7；向软骨方向诱导时，TGF-β1或TGF-β3则是必选项。
神经干细胞的培养
神经干细胞（NSC）的激活与分化过程受多种信号分子的调控

神经干细胞（NSC）的激活与分化过程受多种信号分子的调控

神经干细胞（NSC）的激活与分化过程受多种信号分子的调控
Kaminska, A., Radoszkiewicz, K., Rybkowska, P., Wedzinska, A., & Sarnowska, A. (2022). Interaction of Neural Stem Cells (NSCs) and Mesenchymal Stem Cells (MSCs) as a Promising Approach in Brain Study and Nerve Regeneration. Cells, 11(9), 1464. https://doi.org/10.3390/cells11091464
神经干细胞（NSC）的培养通常采用“无粘附悬浮培养”形成神经球。此时，EGF和bFGF是维持神经球生长和未分化状态的经典组合。若需诱导其分化为神经元，则需撤去生长因子或添加BDNF（脑源性神经营养因子）。
免疫细胞的激活
在CAR-T或NK细胞培养中，细胞因子（Cytokines，与生长因子有重叠）的选择更为关键。IL-2是T细胞扩增的基础，但高浓度可能导致细胞耗竭；IL-7和IL-15则有助于维持T细胞的干性和记忆性，提高治疗效果。
体外NK细胞激活与扩增方案的主要组分概览图
体外NK细胞激活与扩增方案的主要组分概览图
Granzin, M., Wagner, J., Köhl, U., Cerwenka, A., Huppert, V., & Ullrich, E. (2017). Shaping of Natural Killer Cell Antitumor Activity by Ex Vivo Cultivation. Frontiers in immunology, 8, 458. https://doi.org/10.3389/fimmu.2017.00458
表1：细胞因子对T细胞表型及功能的调节作用（部分)
Conditions
Control group
Experimental group
Phenotypic changes (experimental vs. control group)
Functions in vivo and in vitro (experiment vs. control)
Reference
NO.1
OKT3 (1 ng/mL)
plate bound OKT3 (1 ng/mL)
CD8+CD45RA+CCR7+ T (∼31% vs. ∼14%)
reduction of residual tumor cells in vitro (8% vs. 25%)
Xu et al.
anti-CD28 (1 ng/mL)
anti-CD28 (1 ng/mL)
increased proportion of IFN-γ+ cells (∼30% vs. ∼20%)
IL2 (100 U/mL)
IL-2 (100 U/mL)
increased proportion of CD107+ cells (∼50% vs. ∼35%)
–
IL-7 (10 ng/mL)
significantly prolongs mouse survival
–
IL-15 (5 ng/mL)
–
NO.2
CD3/CD28 beads 1:1
CD3/CD28 beads 1:1
CD8+ T cells (∼80% vs. ∼70%, Day 11)
considerable in vitro cytotoxicity
Zhou et al.
IL2 (200 U/mL)
IL-7 (10 ng/mL)
CD8+CD45RA+CD62L+ naive T cells (∼55% vs. ∼40%, Day 5)
similar IFN-γ, IL2 and TNF-α secretion levels
–
IL-15 (10 ng/mL)
CD8+CD45RA−CD62L+ central memory T cells (∼70% vs. ∼50%, Day 11)
considerable in vivo lysis capacity
–
–
CD45RA−CD62L− effector memory T cells (∼25% vs. ∼45%, Day 11)
higher long-term survival rates in vivo xenograft tumor model
Wang, X., Liao, Y., Liu, D., Zheng, J., & Shi, M. (2025). Presetting CAR-T cells during ex vivo biomanufacturing. Molecular therapy : the journal of the American Society of Gene Therapy, 33(4), 1380–1406. https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2025.02.031

04

实操要点：浓度与稳定性管理
确定了生长因子的种类后，浓度的把控是实验成功的另一大关键。
浓度梯度的设定
生长因子的活性具有剂量依赖性。通常，生长因子的有效工作浓度范围在0.1 ng/mL至100 ng/mL之间。例如，bFGF在维持hESC干性时常用浓度为4-100 ng/mL，而在MSC扩增中可能仅需1-10 ng/mL。对于新的细胞系，务必进行浓度梯度预实验（如设置0、1、5、10、20 ng/mL五个梯度），以找到性价比最高且效果最佳的浓度点。
稳定性与添加方式
生长因子大多对热和pH值敏感。bFGF在37℃下极易降解，半衰期较短。因此，在长期培养中，建议采用“定时补料”策略，或者选择经过热稳定性改造的重组蛋白。此外，复溶时应使用含载体蛋白（如0.1% HSA）的缓冲液，以防止生长因子吸附在管壁上造成损失。
批次间的一致性
不同厂家甚至同一厂家不同批次的重组蛋白，其比活性可能存在差异。在进行关键实验或工艺放大时，应尽量选择经过严格质控、提供比活性数据（Units/mg）的高质量重组蛋白，并尽量一次性采购足量同批次产品，以减少实验误差。
综上所述，细胞培养中生长因子的选择是一门平衡的艺术。它要求研究者既要理解细胞的本源特性，又要明确实验的终极目标，同时在成本与效果之间找到最佳平衡点。通过科学地组合EGF、bFGF、TGF-β等关键因子，并严格控制浓度与操作细节，我们才能在体外构建出最接近体内环境的微生态系统，获得高质量的实验结果。