• 动物细胞大规模培养技术
  • 点击数:  发表日期:2008-1-2
  • 大规模培养技术应用简介

    通过大规模体外培养技术培养哺乳类动物细胞是生产生物制品的有效方法。20世界60-70年代,就已创立了可用于大规模培养动物细胞的微载体培养系统和中空纤维细胞培养技术。近十数年来,由于人类对生长激素、干扰素、单克隆抗体、疫苗及白细胞介素等生物制品的需求猛增,以传统的生物化学技术从动物组织获取生物制品已远远不能满足这一需求。随着细胞培养的原理与方法日臻完善,动物细胞大规模培养技术趋于成熟。

    所谓动物细胞大规模培养技术(large-scale culture technology)是指在人工条件下(设定ph、温度、溶氧等),在细胞生物反应器(bioreactor)中高密度大量培养动物细胞用于生产生物制品的技术。目前可大规模培养的动物细胞有鸡胚、猪肾、猴肾、地鼠肾等多种原代细胞及人二倍体细胞、cho(中华仓鼠卵巢)细胞、BHK-21(仓鼠肾细胞)、Vero细胞(非洲绿猴肾传代细胞,是贴壁依赖的成纤维细胞)等,并已成功生产了包括狂犬病疫苗、口蹄疫疫苗、甲型肝炎疫苗、乙型肝炎疫苗、红细胞生成素、单克隆抗体等产品。

    在过去几十年来,该技术经有了很大发展,从使用转瓶(roller bottle) 、CellCube等贴壁细胞培养,发展为生物反应器(Bioreactor)进行大规模细胞培养。第一代细胞培养技术核心问题是难以产业化或者说是规模化生产:一是在工艺生产时不能大规模制备产品;二是非批量生产容易导致产品质量的不均一性;三是难以对同批生产进行生产和质量控制。

    随着生物技术的发展,迫切需要大规模的细胞培养,特别是培养表达特异性蛋白的哺乳动物细胞,以便获得大量有用的细胞表达产物。采用玻璃瓶静置或旋转瓶的培养方法,已不能满足所需细胞数量及其分泌产物。因而必须为工业化生产开创一种新的技术方法。自70年代以来,细胞培养用生物反应器有很大的发展,种类越来越多,规模越来越大,较常见的细胞培养生物反应器有空气提升反应器,中空纤维管反应器,无泡搅拌反应器及篮式生物反应器等。八十年代以来,人们逐渐开始以生物反应器培养代替鼠腹水的方法获得单克隆抗体。

    动物细胞是一种无细胞壁的真核细胞,生长缓慢,对培养环境十分敏感。采用传统的生物化工技术进行动物细胞大量培养,除了要满足培养过程必需的营养要求外,有必要建立合理的控制模型,进行pH和溶氧(DO)的****控制。细胞生物反应器可通过微机有序地定量地控制加入动物细胞培养罐内的空气、氧气、氮气和二氧化碳四种气体的流量,使其保持****的比例来控制细胞培养液中的pH值和溶氧水平,使系统始终处于****状态,以满足动物细胞的生长对pH值和溶解氧的需要。如为提高或达到一定的溶氧水平可改变通入培养罐内气体中氧气和氮气的比例来实现控制DO值的目的。采用二氧化碳/碳酸氢钠(CO2/NaHCO3)缓冲液系统来控制培养液的pH值是一种较好的方法。

    现在,由于动物细胞培养技术在规模和可靠性方面都不断发展,且从中得到的蛋白质也被证明是安全有效的,因此人们对动物细胞培养的态度已经发生了改变。许多人用和兽用的重要蛋白质药物和疫苗,尤其是那些相对较大、较复杂或糖基化(glycosylated)的蛋白质来说,动物细胞培养是首选的生产方式。60年代初,英国AVRI研究所在贴壁细胞系BHK21中将口蹄疫病毒培养成功后,从最初的200ml和800ml玻璃容器开始,很快就放大到30L和100L不锈钢罐的培养规模。使用的是基于Eagle's配方的培养基,补充5%成年牛血清和蛋白胨。1967年以后,Wellcome(现为Cooper动物保健)集团分布于欧洲、非洲和南美洲8个国家的生产厂商,应用此项技术工业规模化生产口蹄疫疫苗和兽用狂犬疫苗,已掌握了5000L的细胞罐大规模培养技术。

    目前已实现商业化的产品有:口蹄疫疫苗、狂犬病疫苗、牛白血病病毒疫苗、脊髓灰质炎病毒疫苗、乙型肝炎疫苗、疱疮病毒疫苗、巨细胞病毒疫苗、α及β干扰素、血纤维蛋白溶酶原激活剂、凝血因子Ⅷ和Ⅸ、促红细胞素、松弛素、生长激素、蛋白C、免疫球蛋白、尿激酶、激肽释放酶及200种单克隆抗体等。其中,口蹄疫疫苗是动物细胞大规模培养方法生产的主要产品之一。1983年,英国Wellcome公司就已能够利用动物细胞进行大规模培养生产口蹄疫疫苗。美国Genentech公司应用SV40为载体,将乙型肝炎病毒表面抗原基因插入哺乳动物细胞内进行高效表达,已生产出乙型肝炎疫苗。英国Wellcome公司采用8000L Namalwa细胞生产α干扰素。英国Celltech公司用气升式生物反应器生α、β和γ干扰素;用无血清培养液在10000L气升式生物反应器中培养杂交瘤细胞生产单克隆抗体。美国Endotronic公司用中空纤维生物反应器大规模培养动物细胞生产出免疫球蛋白G、A、M和尿激酶、人生长激素等。

    第二节 大规模培养常用方法

    根据动物细胞的类型,可采用贴壁培养、悬浮培养和固定化培养等三种培养方法进行大规模培养。

    一、动物细胞生长特性及培养温度

    1.细胞生长缓慢,易污染,培养需用抗生素
    2.细胞大,无细胞壁,机械强度低,环境适应性差
    3.需氧少,不耐受强力通风与搅拌
    4.群体生长效应,贴壁生长(锚地依赖性)
    5.培养过程产品分布细胞内外,成本高
    6.原代培养细胞一般繁殖50代即退化死亡

    依据在体外培养时对生长基质依赖性差异,动物细胞可分为两类:

    ●贴壁依赖型细胞:需要附着于带适量电荷的固体或半固体表面才能生长,大多数动物细胞,包括非淋巴组织细胞和许多异倍体细胞均属于这一类。

    ●非贴壁依赖型细胞:无需附着于固相表面即可生长,包括血液、淋巴组织细胞、许多肿瘤细胞及某些转化细胞。
    培养细胞的最适温度相当于各种细胞或组织取材机体的正常温度。人和哺乳动物细胞培养的最适温度为35~37℃。偏离这一温度,细胞正常的代谢和生长将会受到影响,甚至死亡。总的来说,培养细胞对低温的耐力比高温高。温度不超过39℃时,细胞代谢强度与温度成正比;细胞培养置于39~40℃环境中1h,即受到一定损伤,但仍能恢复;当温度达43℃以上时,许多细胞将死亡。当温度下降到30~20℃时,细胞代谢降低,因而与培养基之间物质交换减少。首先看到的是细胞形态学的改变以及细胞从基质上脱落下来。当培养物恢复到初始的培养温度时,它们原有的形态和代谢也随之恢复到原有水平。

    二、贴壁培养(attachment culture)是指细胞贴附在一定的固相表面进行的培养。

    1.生长特性:贴壁依赖型细胞在培养时要贴附于培养(瓶)器皿壁上,细胞一经贴壁就迅速铺展,然后开始有丝分裂,并很快进入对数生长期。一般数天后就铺满培养表面,并形成致密的细胞单层。

    2.贴壁培养的优点:
    ●容易更换培养液;细胞紧密黏附于固相表面,可直接倾去旧培养液,清洗后直接加入新培养液。
    ●容易采用灌注培养,从而达到提高细胞密度的目的;因细胞固定表面,不需过滤系统。
    ●当细胞贴壁于生长基质时,很多细胞将更有效的表达一种产品。
    ●同一设备可采用不同的培养液/细胞的比例。
    ●适用于所有类型细胞。

    3.贴壁培养的缺点:与悬浮培养法相比
    ●扩大培养比较困难,投资大;
    ●占地面积大;
    ●不能有效监测细胞的生长;

    4.细胞贴壁的表面:要求具有净阳电荷和高度表面活性。对微载体而言还要求具一定电荷密度;若为有机物表面,必须具有亲水性,并带阳电荷。

    5.贴壁培养系统:主要有转瓶、中空纤维(后面专题介绍)、玻璃珠、微载体系统(后面介绍)等。

    ●转瓶培养系统:培养贴壁依赖型细胞最初采用转瓶系统培养。转瓶培养一般用于小量培养到大规模培养的过渡阶段,或作为生物反应器接种细胞准备的一条途径。细胞接种在旋转的圆筒形培养器-转瓶中,培养过程中转瓶不断旋转,使细胞交替接触培养液和空气,从而提供较好的传质和传热条件。

    转瓶培养具有结构简单,投资少,技术成熟,重复性好,放大只需简单的增加转瓶数量等优点。

    但也有其缺点:劳动强度大,占地空间大,单位体积提供细胞生长的表面积小,细胞生长密度低,培养时监测和控制环境条件受到限制等。

    现在使用的转瓶培养系统包括二氧化碳培养箱和转瓶机两类。

    ●反应器贴壁培养 此种培养方式中,细胞贴附于固定的表面生长,不因为搅拌而跟随培养液一起流动,因此比较容易更换培养液,不需要特殊的分离细胞和培养液的设备,可以采用灌流培养获得高细胞密度,能有效地获得一种产品;但扩大规模较难,不能直接监控细胞的生长情况,故多用于制备用量较小、价值高的生物药品。

    CelliGen、CelliGen PlusTM和Bioflo3000反应器是常用的贴壁培养式生物反应器,用于细胞贴壁培养时可用篮式搅拌系统和圆盘状载体。此载体是直径6毫米无纺聚酯纤维圆片,具很高表面积与体积比(1200cm2/g),利于获得高细胞密度。篮式搅拌系统和载体培养是目前贴壁细胞培养使用最多方式,用于杂交瘤细胞、Hela细胞、293细胞、CHO细胞及其它细胞培养。此种方式培养细胞,细胞接种后贴壁快。

    三、悬浮培养(suspension culture):是指细胞在反应器中自由悬浮生长的过程。主要用于非贴壁依赖型细胞培养,如杂交瘤细胞等;是在微生物发酵的基础上发通起来的。

    无血清悬浮培养是用已知人源或动物来源的蛋白或激素代替动物血清的一种细胞培养方式,它能减少后期纯化工作,提高产品质量,正逐渐成为动物细胞大规模培养的研究新方向。

    四、固定化培养(immobilization culture):是将动物细胞与水不溶性载体结合起来,再进行培养。上述两大类细胞都适用,具有细胞生长密度高,抗剪切力和抗污染能力强等优点,细胞易于产物分开,有利于产物分离纯化。制备方法很多,包括吸附法、共价贴附法、离子/共价交联法、包埋法、微囊法等。

    1.吸附法:用固体吸附剂将细胞吸附在其表面而使细胞固定化的方法称为吸附法(adhesion)。操作操简便、条件温和、是动物细胞固定化中最早研究使用的方法。缺点是:载体的负荷能力低,细胞易脱落。微载体培养和中空纤维培养是该方法的代表,稍后专门介绍。

    2.共价贴附法:利用共价键将动物细胞与固相载体结合的固定化方法称为共价贴附法(attachment by covalent bonding)。此法可减少细胞的泄漏,但须引入化学试剂,对细胞活性有影响,且因贴附而导致扩散限制小,细胞得不到保护。

    3. 离子/共价交联法:双功能试剂处理细胞悬浮液,会在细胞间形成桥而絮结产生交交联作用,此固定化细胞方法称为离子/共价交联法(cross-linking by covalent bonding)。交联试剂会使一些细胞死亡,也会产生扩散限制。

    4.包埋法:将细胞包埋在多孔载体内部制成固定化细胞的方法称为包埋法(entrapment)。优点是:步骤简便、条件温和、负荷量大、细胞泄漏少,抗机械剪切。缺点是:扩散限制,并非所有细胞都处于****基质浓度,且大分子基质不能渗透到高聚物网络内部。一般适用于非贴壁依赖型细胞的固定化,常用载体为多孔凝胶,如琼脂糖凝胶、海藻酸钙凝胶和血纤维蛋白。

    5.微囊法(microencapsulation):是用一层亲水的半透膜将细胞包围在珠状的微囊里,细胞不能逸出,但小分子物质及营养物质可自由出入半透膜;囊内是种微小培养环境,与液体培养相似,能保护细胞少受损伤,故细胞生长好、密度高。微囊直径控制在200-400μm为宜。制备中应注意:

    ●温和、快速、不损伤细胞,尽量在液体和生理条件下操作;
    ●所用试剂和膜材料对细胞无毒害;
    ●膜的孔径可控制,必须使营养物和代谢物自由通过;
    ●膜应有足够机械强度抵抗培养中搅拌。

    五、抗凋亡策略在细胞大规模培养中的应用

    生物反应器动物细胞大规模生产过程中,细胞凋亡在细胞死亡中占主要部分。最近研究显示在大规模培养生物反应器中细胞的死亡中80%是凋亡所导致,而不是以前所认为的坏死。而在大规模细胞培养中,细胞死亡是维持细胞高活性和高密度的最大障碍。理论上讲,防止或延长细胞死亡,可以极大提高生物反应器生产重组蛋白的产量。

    细胞凋亡由一系列基因精确地调控,是多细胞生物发育和维持稳态所必需的生理现象。已知凋亡的最终执行者是Caspase家族,它们均为半胱氨酸蛋白酶,各识别一个4氨基酸序列,并在识别序列C端天冬氨酸残基处将底物切断。Caspase含有可被自身识别的序列,可以切割活化自身而导致信号放大,并作用于下游Caspase成员,从而形成Caspase家族的级联放大,最终作用于效应蛋白,引起细胞凋亡。

    所以在大规模培养时干扰细胞在培养中凋亡的发生,提高细胞特异性抵制遇到压力而引起凋亡的能力,有利于提高细胞的培养密度、延长细胞的培养周期,从而提高目标产品的产量2-3倍。

    1.营养物质抗凋亡
    在常规生物反应器构造中,营养耗竭或缺乏培养基中特殊的生长因子则引起凋亡,例如血清,糖或特殊氨基酸的耗尽。培养基中添加氨基酸或其它关键营养可抑制凋亡、延长培养时间从而提高产品的生产。大规模培养中细胞凋亡主要由于营养物质的耗竭或代谢产物的堆积引起,如谷氨酰胺的耗竭是最常见的凋亡原因,而且凋亡一旦发生,补加谷氨酰胺已不能逆转凋亡。另外,动物细胞在无血清、无蛋白培养基中进行培养时,细胞变得更为脆弱,更容易发生凋亡。

    2.基因抗凋亡
    与凋亡相关的一系列基因产物可对其进行正、负向的调控,因此可通过导入相应基因来调节细胞凋亡的机制。Bcl-2基因是目前最为有效的抗凋亡基因,在多种细胞系中均表现出很强的抗凋亡活性。

    3.化学方法抗凋亡
    凋亡发生时细胞许多部位发生生化物质的改变,有些变化如改变细胞氧化还原条件产生活性氧在凋亡信号阶段发生,其它的如破坏线粒体膜电位、激活caspase则发生在凋亡效应阶段,这在绝大多数细胞死亡中是相同的。因此,阻止这些生化物质的改变可能阻止或至少延迟细胞凋亡的发生,运用化学物质可抑制信号效应阶段的发生,被认为是抗调亡策略之一。
    大规模培养技术的操作方式

    深层培养可分为:分批式、流加式、半连续式、连续式、连续式和灌注式五种。

    一、分批式培养(batch culture) 是细胞规模培养发展进程中较早期采用的方式,也是其它操作方式的基础。该方式采用机械搅拌式生物反应器,将细胞扩大培养后,一次性转入生物反应器内进行培养,在培养过程中其体积不变,不添加其它成分,待细胞增长和产物形成积累到适当的时间,一次性收获细胞、产物、培养基的操作方式。

    该方式的特点:
    ●操作简单。培养周期短,染菌和细胞突变的风险小。反应器系统属于封闭式,培养过程中与外部环境没有物料交换,除了控制温度、pH值和通气外,不进行其他任何控制,因此操作简单,容易掌握;
    ●直观反映细胞生长代谢的过程。因培养期间细胞生长代谢是在一个相对固定的营养环境,不添加任何营养成分,因此可直观的反映细胞生长代谢的过程,是动物细胞工艺基础条件或"小试"研究常用的手段;
    ●可直接放大。由于培养过程工艺简单,对设备和控制的要求较低,设备的通用性强,反应器参数的放大原理和过程控制,比较其它培养系统较易理解和掌握,在工业化生产中分批式培养操作是传统的、常用的方法,其工业反应器(Genetech)规模可达12000L。

    分批培养过程中,细胞的生长分为五个阶段:延滞期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期,见图1。分批培养的周期时间多在3-5天,细胞生长动力学表现为细胞先经历对数生长期(48-72h)细胞密度达到最高值后,由于营养物质耗劫或代谢毒副产物的累积细胞生长进入衰退期进而死亡,表现出典型的生长周期。收获产物通常是在细胞快要死亡前或已经死亡后进行。

    二、流加式培养(feeding culture)

    1.流加式培养是在批式培养的基础上,采用机械搅拌式生物反应器系统,悬浮培养细胞或以悬浮微载体培养贴壁细胞,细胞初始接种的培养基体积一般为终体积的1/2~1/3,在培养过程中根据细胞对营养物质的不断消耗和需求,流加浓缩的营养物或培养基,从而使细胞持续生长至较高的密度,目标产品达到较高的水平,整个培养过程没有流出或回收,通常在细胞进入衰亡期或衰亡期后进行终止回收整个反应体系,分离细胞和细胞碎片,浓缩、纯化目标蛋白。

    2.流加培养特点:
    ●流加培养根据细胞生长速率、营养物消耗和代谢产物抑制情况,流加浓缩的营养培养基。流加的速率与消耗的速率相同,按底物浓度控制相应的流加过程,保证合理的培养环境与较低的代谢产物抑制水平。
    ●培养过程以低稀释率流加,细胞在培养系统中停留时间较长,总细胞密度较高,产物浓度较高。
    ●流加培养过程须掌握细胞生长动力学,能量代谢动力学,研究细胞环境变化时的瞬间行为。流加培养细胞培养基的设计和培养条件与环境优化,是整个培养工艺中的主要内容。
    ●在工业化生产,悬浮流加培养工艺参数的放大原理和过程控制,比较其它培养系统较易理解和掌握,可采用工艺参数的直接放大。

    流加培养是当前动物细胞培养中占有主流优势的培养工艺,也是近年来动物细胞大规模培养研究的热点。流加培养中的关键技术是基础培养基和流加浓缩的营养培养基。通常进行流加的时间多在指数生长后期,细胞在进入衰退期之前,添加高浓度的营养物质。可以添加一次,也可添加多次,为了追求更高的细胞密度往往需要添加一次以上,直至细胞密度不再提高;可进行脉冲式添加,也可以降低的速率缓慢进行添加,但为了尽可能的维持相对稳定的营养物质环境,后者采用较多;添加的成分比较多,凡是促细胞生长的物质均可以进行添加。流加的总体原则是维持细胞生长相对稳定的培养环境,营养成分即不过剩而产生大量的代谢副产物造成营养利用效率下降而成为无效的利用;也不缺乏导致细胞生长抑制或死亡。

    3.流加工艺中的营养成分主要分为三大类:

    ●葡萄糖:葡萄糖是细胞的供能物质和主要的碳源物质,然而当其浓度较高是会产生大量的代谢产物乳酸,因而需要进行其浓度控制,以足够维持细胞生长而不至于产生大量的副产物的浓度为佳。
    ●谷氨酰胺:谷氨酰胺是细胞的供能物质和主要的氮源物质,然而当其浓度较高是会产生大量的代谢产物氨,因而也需要进行其浓度控制,以足够维持细胞生长而不至于产生大量的副产物的浓度为佳;
    大规模培养中细胞凋亡主要由于营养物质的耗竭或代谢产物的堆积引起,如谷氨酰胺的耗竭是最常见的凋亡原因,而且凋亡一旦发生,补加谷氨酰胺已不能逆转凋亡。另外,动物细胞在无血清、无蛋白培养基中进行培养时,细胞变得更为脆弱,更容易发生凋亡。
    ●氨基酸、维生素及其他:主要包括营养必需氨基酸、营养非必需氨基酸、一些特殊的氨基酸如羟脯氨酸、羧基谷氨酸和磷酸丝氨酸;此外还包括其他营养成分如胆碱、生长刺激因子。添加的氨基酸形式多为左旋氨基酸,因而多以盐或前体的形式替代单分子氨基酸,或者添加四肽或短肽的形式。在进行添加时,不溶性氨基酸如胱氨酸、酪氨酸和色氨酸只在中性pH值部分溶解,可采用泥浆的形式进行脉冲式添加;其他的可溶性氨基酸以溶液的形式用蠕动泵进行缓慢连续流加。
    4.流加式培养分为两种类型:单一补料分批式培养和反复补料分批式培养。
    ●单一补料分批式培养是在培养开始时投入一定量的基础培养液,培养到一定时期,开始连续补加浓缩营养物质,直到培养液体积达到生物反应器的最大操作容积,停止补加,最后将细胞培养液一次全部放出。该操作方式受到反应器操作容积的限制,培养周期只能控制在较短的时间内。
    ●反复补料分批式培养是在单一补料分批式操作的基础上,每个一定时间按一定比例放出一部分培养液,是培养液体积始终不超过反应器的最大操作容积,从而在理论上可以延长培养周期,直至培养效率下降,才将培养液全部放出。

    三、半连续式培养(semi-continuous culture)

    1.半连续式培养又称为重复分批式培养或换液培养。采用机械搅拌式生物反应器系统,悬浮培养形式。在细胞增长和产物形成过程中,每间隔一段时间,从中取出部分培养物,再用新的培养液补足到原有体积,使反应器内的总体积不变。

    这种类型的操作是将细胞接种一定体积的培养基,让其生长至一定的密度,在细胞生长至最大密度之前,用新鲜的培养基稀释培养物,每次稀释反应器培养体积的1/2~3/4,以维持细胞的指数生长状态,随着稀释率的增加培养体积逐步增加。或者在细胞增长和产物形成过程中,每隔一定时间,定期取出部分培养物,或是条件培养基,或是连同细胞、载体一起取出,然后补加细胞或载体,或是新鲜的培养基继续进行培养的一种操作模式。剩余的培养物可作为种子,继续培养,从而可维持反复培养,而无需反应器的清洗、消毒等一系列复杂的操作。在半连续式操作中由于细胞适应了生物反应器的培养环境和相当高的接种量,经过几次的稀释、换液培养过程,细胞密度常常会提高。

    2.半连续式特点:
    ●培养物的体积逐步增加;
    ●可进行多次收获;
    ●细胞可持续指数生长,并可保持产物和细胞在一较高的浓度水平,培养过程可延续到很长时间。
    该操作方式的优点是操作简便,生产效率高,可长时期进行生产,反复收获产品,可使细胞密度和产品产量一直保持在较高的水平。在动物细胞培养和药品生产中被广泛应用。

    四、连续式培养(continuous culture)

    1.连续式培养是一种常见的悬浮培养模式,采用机械搅拌式生物反应器系统。该模式是将细胞接种与一定体积的培养基后,为了防止衰退期的出现,在细胞达最大密度之前,以一定速度向生物反应器连续添加新鲜培养基;同时,含有细胞的培养物以相同的速度连续从反应器流出,以保持培养体积的恒定。理论上讲,该过程可无限延续下去。

    2.连续培养的优点是反应器的培养状态可以达到恒定,细胞在稳定状态下生长。稳定状态可有效的延长分批培养中的对数生长期。在稳定状态下细胞所处的环境条件如营养物质浓度、产物浓度、pH值可保持恒定,细胞浓度以及细胞比生长速率可维持不变。细胞很少受到培养环境变化带来的生理影响,特别是生物反应器的主要营养物质葡萄糖和谷氨酰胺,维持在一个较低的水平,从而使他们的利用效率提高,有害产物积累有所减少。然而在高的稀释率下,虽然死细胞和细胞碎片及时清除,细胞活性高最终细胞密度得到提高;可是产物却不断在稀释,因而产物浓度并为提高;尤其是细胞和产物不断的稀释,营养物质利用率、细胞增长速率和产物生产速率低下。

    3.连续式培养不足:
    ●由于是开放式操作,加上培养周期较长,容易造成污染;
    ●在长周期的连续培养中,细胞的生长特性以及分泌产物容易变异;
    ●对设备、仪器的控制技术要求较高。
    连续式培养操作使用的反应器多数是搅拌式生物反应器,也可以是管式反应器。

    4.连续式培养的特点:
    ●细胞维持持续指数增长;
    ●产物体积不断增长;
    ●可控制衰退期与下降期。

    五、灌流式培养(perfusion culture)

    1.灌流式培养是把细胞和培养基一起加入反应器后,在细胞增长和产物形成过程中,不断地将部分条件培养基取出,同时又连续不断地灌注新的培养基。它与半连续式操作的不同之处在于取出部分条件培养基时,绝大部分细胞均保留在反应器内,而半连续培养在取培养物时同时也取出了部分细胞。

    灌流式培养常使用的生物反应器主要有两种形式。一种是用搅拌式生物反应器悬浮培养细胞,这种反应器必须具有细胞截流装置,细胞截留系统开始多采用微孔膜过滤或旋转膜系统,最近开发的有各种形式的沉降系统或透析系统。

    中空纤维生物反应器是连续灌流操作常用的一种。它采用的中空纤维半透膜,透过小分子量的产物和底物,截流细胞和分子量较大的产物,在连续灌流过程中将绝大部分细胞截留在反应器内;近年来中空纤维生物反应器被广泛应用于产物分泌性动物细胞的生产,主要用于培养杂交瘤细胞生产单克隆抗体。

    另外一种形式是固定床或流化床生物反应器,固定床是在反应器中装配固定的篮筐,中间装填聚脂纤维载体,细胞可附着在载体上生长,也可固定在载体纤维之间,靠上搅拌中产生的负压,迫使培养基不断流经填料,有利于营养成分和氧的传递,这种形式的灌流速度较大,细胞在载体中高密度生长。流化床生物反应器是通过流体的上升运动使固体颗粒维持在悬浮状态进行反应,适合于固定化细胞的培养。

    2.灌流式培养的优点:
    ●细胞截流系统可使细胞或酶保留在反应器内,维持较高的细胞密度,一般可达107-109/ml,从而较大的提高了产品的产量;
    ●连续灌流系统,使细胞稳定的处在较好的的营养环境中,有害代谢废物浓度积累较低;
    ●反应速率容易控制,培养周期较长,可提高生产率,目标产品回收率高;
    ●产品在罐内停留时间短,可及时回收到低温下保存,有利于保持产品的活性。

    连续灌注培养是近年用于动物细胞培养生产分泌型重组治疗性药物和嵌合抗体及人源化抗体等基因工程抗体较为推崇的一种方式。应用连续灌流工艺的公司有Genzyme, Genetic Institute, Bayer公司等。这种方法最大困难是污染机率较高,长期培养中细胞分泌产品的稳定性,规模放大过程中工程问题。

    六、细胞工厂培养 细胞工厂(cell factory)是一种设计精巧的细胞培养装置。它在有限的空间内利用了最大限度的培养表面,从而节省了大量的厂房空间,并可节省贵重的培养液。更重要的是,它可有效地保证操作的无菌性,从而避免因污染而带来的原料、劳务和时间损失。它是对传统转瓶培养的革命。

    丹麦NUNC公司生产的NUNC细胞工厂是目前应用较多的细胞工厂系统。可用于如疫苗、单克隆抗体或生物制药等工业规模生产,特别适合于贴壁细胞,也可用于悬浮培养,在从实验室规模进行放大时不会改变细胞生长的动力学条件,可提供1,2,10和40盘的规格使放大变得简单易行,低污染风险,节省空间,培养表面经测试保证最有利于细胞贴附和生长。同时,与NUNC的细胞工厂操作仪结合使用,可全面实现细胞培养的自动化,从而大大地减低劳动强度和密集度。

    这套系统使用很方便,可产生类似塑料培养瓶的效果。由组织培养级聚笨乙烯制成,使用后可随意处理。其最大缺点是:经胰酶消化后,很难将细胞完全洗出。

    第四节 动物细胞大规模培养用生物反应器简介

    动物细胞培养技术能否大规模工业化、商业化,关键在于能否设计出合适的生物反应器(bioreactor)。由于动物细胞与微生物细胞有很大差异,传统的微生物反应器显然不适用于动物细胞的大规模培养。首先必须满足在低剪切力及良好的混合状态下,能够提供充足的氧以供细胞生长及细胞进行产物的合成。

    一、生物反应器分类

    目前,动物细胞培养用生物反应器主要包括:转瓶培养器、塑料袋增殖器、填充床反应器、多层板反应器、螺旋膜反应器、管式螺旋反应器、陶质矩形通道蜂窝状反应器、流化床反应器、中空纤维及其它膜式反应器、搅拌反应器、气升式反应器等。

    按其培养细胞的方式不同,这些反应可分为以下三类:

    1.悬浮培养用反应器:如搅拌反应器、中空纤维反应器、陶质矩形通道蜂窝状反应器、气升式反应器;

    2.贴壁培养用反应器:如搅拌反应器(微载体培养)、玻璃珠床反应器、中空纤维反应器、陶质矩形通道蜂窝状反应器;

    3.包埋培养用反应器:如流化床反应器、固化床反应器。

    二、搅拌罐生长反应器 这是最经典、最早被采用的一种生物反应器。此类反应器与传统的微生物生物反应器类似,真对动物细胞培养的特点,采用了不同的搅拌器及通气方式。通过搅拌器的作用使细胞和养分在培养液中均匀分布,使养分充分被细胞利用,并增大气液接触面,有利于氧的传递。现已开发的有:笼式通气搅拌器、双层笼式通气搅拌器、桨式搅拌器、海般式搅拌器等。

    三、气升式生物反应器

    1979年首次应用气升式生物反应器成功的进行了动物细胞的悬浮培养。气升式生物反应器的话优点:
    ●罐内液体流动温和均匀,产生剪切力小,对细胞损伤较小;
    ●可直接喷射空气供氧,因而氧传递率较高;
    ●液体循环量大,细胞和养分都能均匀分布于培养液中;
    ●结构简单,利于密封并降低了造价。

    常用的气升式反应器有三种:内循环式气升式、外循环式气升式、内外循环式气升式生物反应器。

    四、鼓泡式生物反应器

    与气升式反应器相类似,是利用气体鼓泡来进行供氧及混合,其设计原理与气升式生物反应器也相同。

    五、中空纤维生物反应器 用途较广,既可用于悬浮细胞的培养,又可用于贴壁细胞的培养。其原理是:模拟细胞在体内生长的三维状态,利用反应器内数千根中空纤维的纵向布置,提供细胞近似生理条件的体外生长微环境,使细胞不断生长。中空纤维是一种细微的管状结构,管壁为极薄的半透膜,富含毛细管,培养时纤维管内灌流充以氧气的无血清培养液,管外壁则供细胞黏附生长,营养物质通过半透膜从管内渗透出来供细胞生长;对于血清等大分子营养物,划必须从管外灌入,否则会被半透膜阻隔不能被细胞利用;细胞的代谢废物也可通过半透膜渗入管内,避免了过量代谢物对细胞的毒害作用。

    优点是:
    ●占地空间少;
    ●细胞产量高,细胞密度可达109数量级;
    ●生产成本低,且细胞培养维持时间长,适用于长期分泌的细胞。

    六、生物反应器的设计和放大 设计的总体考虑是:
    ①结构严密,能耐受蒸汽灭菌,采用对生物催化剂无害和耐蚀材料制作,内壁光滑无死角,内部附件尽量减少,以维持纯种培养需要;
    ②有良好的气-液接触和液-固混和性能和热量交换性能,使质量与热量传递有效地进行;
    ③保证产物质量和产量前提下,尽量节省能源消耗;
    ④减少泡沫产生,或附有消沫装置以提高装料系数,并有必要可靠的参数检测和控制仪表并能与计算机联机。

    生物反应器的放大一种新的生物技术产品从实验室到工业生产的开发过程中,会遇到生物反应器的逐级放大问题,每一级约放大10~100倍。生物反应器的放大,表面看来仅是一个体积或尺度放大问题,实际上并不是那么简单。

    反应器放大研究虽已提出了不少方法,但还没有一种是普遍都能适用的。目前还只能是半理论半经验的,即抓住反应过程中的少量关键性参数或现象进行放大。

    有关氧传递问题在生物反应器中,氧的传递速率要满足细胞对氧的摄取速率,并使反应器中溶解氧的浓度CL要维持在一定水平上。这就是说,在稳态情况下,供氧与需氧间存在下列关系:KLa(C*-CL)=r

    此处, KLa为氧的传递系数;C*为相当气相氧分压的溶氧浓度,CL为培养液中溶氧浓度,r为摄氧率。

    影响供氧的因素从上式可知r=KLa(C*-CL);因此影响供氧的因素总体上讲是KLa和C*-CL值。

    要增大C*-CL,无非是增大C*值或降低CL值。增大C*的措施,有适当增加反应器中操作压力和增大气相中的氧分压两个方法。在实际操作中,反应器保持一定正压,以防止大气中的杂菌从轴封、阀门等处侵入,但在增加罐压的同时,发酵代谢所产生的CO2也会更多地溶解于培养液而对发酵不利。至于CL值,一般不允许过分减小,因为细胞在生长中有一个临界氧浓度,低于此临界值,细胞的呼吸将受到抑制。

    影响KLa的因素大致可分为三个方面:一是反应器的结构,包括相对几何尺寸的比例;二是操作条件,如搅拌功率或循环泵功率的输入量,通气量等;三是培养或发酵液的物理化学性质,如流变特性,特别是其粘度或显示粘度、表面张力、扩散系数、细胞形态、泡沫程度等。

    生物反应器中的传热在细胞培养和发酵过程中,热量的释放是普遍存在的。这是因为在培养或发酵过程中细胞与周围环境的物质产生新陈代谢,即发生异化(分解)作用和同化(合成)作用,而异化作用一般释放能量,同化作用则是吸收能量。同化作用包括细胞生长、繁殖、产物形成所需能量来自细胞对培养基中的基质及营养成分的异化。从热力学角度讲,异化所产生能量必然应多于同化所需要能量,而多余的能量则转化为热能释放到周围环境中去。无论是涉及细胞或酶的反应中,释放出的热量都应及时移去,以免影响过程的正常进行,为此在生物反应器中一般都附有冷却装置。

    第五节 微载体培养技术(microcarrier culture technique)

    一、微载体培养应用 此技术于1967年被用于动物细胞大规模培养。经过三十余年的发展,该技术目前已渐日趋完善和成熟,并广泛应用于生产疫苗、基因工程产品等。微载体培养是目前公认的最有发展前途的一种动物细胞大规模培养技术,其兼具悬浮培养和贴壁培养的优点,放大容易。目前微载体培养广泛用于培养各种类型细胞,生产疫苗、蛋白质产品,如293细胞、成肌细胞、Vero细胞、CHO细胞。

    使用较多的反应器有两种:贝朗公司的BIOSTAT?B反应器,使用双桨叶无气泡通气搅拌系统;NBS公司的CelliGen、CelliGen PlusTM和Bioflo3000反应器,使用Cell-lift双筛网搅拌系统。两种系统都能实现培养细胞和收获产物的有效分离。

    二、微载体 是指直径在60-250μm,能适用于贴壁细胞生长的微珠。一般是由天然葡聚糖或者各种合成的聚合物组成。自Van Wezel用DEAE-Sephadex A 50 研制的第一种微载体问世以来,国际市场上出售的微载体商品的类型已经达十几种以上,包括液体微载体、大孔明胶微载体、聚苯乙烯微载体、PHEMA微载体、甲壳质微载体、聚氨酯泡沫微载体、藻酸盐凝胶微载体以及磁性微载体等。常用商品化微载体有三种:Cytodex1、2、3,Cytopore和Cytoline。

    ●微载体的大小:增大单位体积内表面积(S/F)对细胞的生长非常有利。使微载体直径尽可能小,最好控制在100-200μm之间。
    ●微载体的密度:一般为1.03-1.05g/cm2,随着细胞的贴附及生长,密度可逐渐增大。
    ●微载体的表面电荷:据研究,控制细胞贴壁的基本因素是电荷密度而不是电荷性质。若电荷密度太低,细胞贴附不充分,但电荷密度过大,反而会产生“毒性”效应。

    三、微载体培养原理与操作

    1.原理:其原理是将对细胞无害的颗粒-微载体加入到培养容器的培养液中,作为载体,使细胞在微载体表面附着生长,同时通过持续搅动使微载体始终保持悬浮状态。

    贴壁依赖性细胞在微载体表面上的增殖,要经历黏附贴壁、生长和扩展成单层三个阶段。细胞只有贴附在固体基质表面才能增殖,故细胞在微载体表面的贴附是进一步铺展和生长的关键。黏附主要是靠静电引力和范德华力。细胞能否在微载体表面黏附,主要取决于细胞与微载体的接触概率和相融性。

    2. 搅拌转速:由于动物细胞无细胞壁,对剪切力敏感,因而无法靠提高搅拌转速来增加接触概率。通常的操作方式是:在贴壁期采用低搅拌转速,时搅时停;数小时后,待细胞附着于微载体表面时,维持设定的低转速,进入培养阶段。微载体培养的搅拌非常慢,最大速度75r/min。

    3.细胞与微载体的相融性,是与微载体表面理化性质有关。一般细胞在进入生理PH值时,表面带负电荷。若微载体带正电荷,则利用静电引力可加快细胞贴壁速度。若微载体带负电荷,因静电斥力使细胞难于黏附贴壁,但培养液中溶有或微载体表面吸附着二价阳离子作为媒介时,则带负电荷的细胞也能贴附。

    4. 细胞在微载体表面的生长 影响细胞在微载体表面生长的因素很多,主要有三个方面。

    ●在细胞方面,如细胞群体、状态和类型。
    ●在微载体方面,如微载体表面状态、吸附的大分子和离子;微载体表面光滑时细胞扩展快,表面多孔则扩展慢。
    ●在培养环境中,如培养基组成、温度、pH、DC以及代谢废物等均明显影响细胞在微载体上的生长。如果所处条件最优,则细胞生长快;反之生长速度慢。

    5. 微载体培养操作要点

    ●培养初期:保证培养基与微球体处于稳定的PH与温度水平,接种细胞(对数生长期,而非稳定期)至终体积1/3的培养液中,以增加细胞与微载体接触的机会。不同的微载体所用浓度及接种细胞密度是不同的。常使用2-3g/L的微载体含量,更高的微载体浓度需要控制环境或经常换液。
    ●贴壁阶段(3-8d)后,缓慢加入培养液至工作体积,并且增加搅拌速度保证完全均质混合。
    ●培养维持期:进行细胞计数(胞核计数)、葡萄糖测定及细胞形态镜检。随意细胞增殖,微球变得越来越重,需增加搅拌速率。经过3d左右,培养液开始呈酸性,需换液:停止搅拌,让微珠沉淀5min,弃掉适宜体积的培养液,缓慢加入新鲜培养液(37℃),重新开始搅拌。
    ●收获细胞:首先排干培养液,至少用缓冲液漂洗1遍,然后加入相应的酶,快速搅拌(75-125r/min)20-30min。然后解离收集细胞及其产品。
    ●微载体培养的放大:可以通过增加微载体的含量或培养体积进行放大。使用异倍体或原代细胞培养生产疫苗、干扰素,已被放大至4000L以上。

    四、微载体大规模细胞培养的生物反应器系统 此技术大规模培养,细胞扩增的效率受到诸多因素的影响和限制,其中主要的限制性因素包括:细胞对剪切力的敏感性、氧的传递以及传代和扩大培养等。而研制的各种类型生物反应器系统则可针对上述限制性因素,为微载体细胞培养与扩增提供低剪切力、高氧传递效率、易于细胞传代等适宜的外部环境。已较多使用的微载体培养系统生物反应器,可以实行计算机控制操作,培养搅拌速度及悬浮均匀程度、温度变化、PH稳定及溶氧供应(O2、N2、CO2、空气四种纯化气体按比例调节)、罐压、培养体积和通气量等参数全部由电脑自动控制。因此,应用生物反应器系统进行微载体细胞大规模扩增具有明显优势,目前国外相继研制了数种适合进行微载体大规模细胞培养的生物反应器系统,如搅拌式生物反应器系统、旋转式生物反应器系统以及灌注式生物反应器系统等。

    1、搅拌式生物反应器系统 搅拌式生物反应器系统在微载体细胞大规模扩增研究领域已有较长的研究历史,但因该细胞培养系统容易产生过大的剪切力,从而限制了其应用范围。尽管如此,由于该系统具有简单、实用及价格低廉等特点,国内外仍有不少应用该系统成功进行细胞大规模扩增的研究报道。例如,Werner A(2000年)成功地在该系统内进行了肝细胞大规模扩增的研究。

    2、灌注式生物反应器系统 灌流培养是目前研究热点之一。它的特点是不断地加入新鲜培养基以及不断地抽走含细胞代谢废物的消耗培养基,使细胞得以在一个相对稳定的生长环境内增殖,即省时省力,又减少了细胞发生污染的机会,且可以提高细胞密度10倍以上。

    3、旋转生物反应器 近年来,旋转生物反应器系统(RCCS)已经成为应用微载体技术进行细胞大规模扩增的一种较常用细胞培养系统。该系统是基于美国航空航天局为模拟空间微重力效应而设计的一种生物反应器。RCCS既可以用于微载体大规模细胞培养,又能在其内培育细胞与支架形成的三维空间复合体。至今,近百种组织细胞均在该系统内成功进行了大规模扩增。

    五、微载体培养优点

    ●表面积/体积(S/V)大,因此单位体积培养液的细胞产率高;
    ●把悬浮培养和贴壁培养融合在一起,兼有两者的优点;
    ●可用简单的显微镜观察细胞在微珠表面的生长情况;
    ●简化了细胞生长各种环境因素的检测和控制,重现性好;
    ●培养基利用率较高;
    ●放大容易;
    ●细胞收获过程不复杂;
    ●劳动强度小;
    ●培养系统占地面积和空间小。