细胞培养中的氧化应激

氧化应激在无血清真核生物（包括杂交瘤和中国仓鼠卵巢（CHO）细胞）培养中的重要性

生物制造中的氧气；组织工程与特殊培养基：

二分子氧是细胞培养系统的基本成分。然而，氧气也是细胞培养中毒性的强效介质。直接和间接归因于氧的毒性通常统称为氧化应激。氧化应激是氧的强氧化特性和自由基化学的结果。细胞培养系统的其他成分可以增加或减少氧化应激。

所有细胞培养基中均会发生氧化应激。在无血清和无蛋白培养基中尤其重要，因为血清缺失许多抗氧化特性。许多用于开发无血清和无蛋白培养基的制剂策略实际上促进了氧化应激。

氧化应激可以修饰细胞和细胞产物。可导致细胞凋亡，和/或蛋白修饰、交联、沉淀。当进行治疗性蛋白质（如单克隆抗体）的生物制造和组织工程时，这是一个特别重要的问题。培养基专家详细讨论了氧化应激问题，并提供了有关如何在确保最小程度氧化应激的情况下管理向培养系统中的细胞输送特定组分的见解。

细胞培养系统中氧气的主要功能：

有氧细胞利用氧气作为细胞呼吸的终极电子受体。在此过程中，氧气被还原成水，能量以ATP的形式储存。

氧气的化学属性使其成为一种有用但也具有潜在破坏性的无血清培养基：

关于体外细胞活力和功能的许多问题都可以追溯到氧及其自由基。自由基被定义为含有一个或多个不成对电子的原子或分子。它们通常具有很高的反应活性，参与各种各样的化学反应。通过重新排列电子轨道态或一次接受一个电子，氧在细胞培养中作为多种离子和自由基物质存在。其中许多氧物种具有直接或间接的破坏性。

双分子基态氧

双分子基态氧，是一种自由基，因为它的外p轨道有两个平行的自旋不成对电子。根据泡利排斥原理，这种电子构型不是很活泼。然而，基态氧很容易与羰基自由基反应形成有机过氧自由基。烯丙基羰基，由强氧化剂如羟自由基在多不饱和脂肪酸中形成，是体外和体内最重要的羰基自由基之一。

单态氧

单态氧存在于两种状态。单态氧，O₂¹δg，没有不成对的电子，不属于自由基。它是由足以逆转一个电子自旋并将其推入共用π 反键轨道的能量输入形成的。它消除了Pauli描述的双电子键合自旋限制。反应性更强的单态氧形式，O₂¹σg，是一种自由基，在单独的π反键轨道中含有两个相反自旋的不成对电子。它可迅速衰减到¹δg状态。在这个过程中，它以光的形式失去能量。在适当的条件下，单态氧可以通过在光照下与卟啉或黄素反应而产生。单态氧可与有机共轭双键反应生成内过氧化物、二氧杂环丁烷和氢过氧化物及过氧化物，并可与有机硫化物反应生成亚砜。

超氧化物

超氧化物含有一个额外的不成对电子，是一种自由基。超氧自由基在体外形成的途径很多。其中一种方法是通过氧与细胞电子传递链成分的相互作用形成。超氧化物可与铁和铜等过渡金属反应并使其还原。这些还原金属可催化一系列导致羟自由基形成的反应。

过氧化物

过氧化物含有两个额外的配对电子，不是自由基。当两个超氧自由基在溶液中发生反应时，它们会发生被称为歧化的反应。该反应将导致一个电子的转移以及过氧化氢和基态氧的形成。过氧化物离子在生理pH下质子化，以过氧化氢形式存在。过氧化氢在生理溶液中可以形成许多其他方式。

羟自由基

羟自由基 通过芬顿反应在体外 和体内形成。该反应主要通过铁催化的过氧化氢均裂形成氢氧根离子和羟自由基。铜也能催化这一反应。羟自由基是一种极其活泼的氧化物质。虽然它会对所有类别的生物分子造成损害，但可以认为，其最具破坏性的即时效应之一是引发脂质过氧化。脂质过氧化是由有机过氧自由基介导的自我繁殖事件。

有机过氧自由基

烯丙基羰基自由基与基态氧结合时形成有机过氧自由基。这是体外和体内一个极其重要的反应，因为进行这种化学反应的主要分子是多不饱和脂肪酸（PUFA）。烯丙基羰基自由基是羟自由基从烯丙基碳中提取氢原子时产生的。这样会产生有机过氧自由基，其参与脂质氧化的连锁反应，导致细胞膜损伤和细胞死亡。

过氧亚硝酸盐：

某些细胞可产生细胞外一氧化氮作为细胞信号分子。超氧化物与一氧化氮反应生成过氧亚硝酸盐。过氧亚硝酸盐与二氧化碳反应非常迅速，可形成一氧化碳和一氧化氮自由基。

氧的化学反应性在体内受到严格控制，细胞进化出了广泛的机制来抵御破坏性的氧物种。成功开发稳定无毒的细胞培养系统需要了解氧自由基物种的原因和影响