動物細胞培養(yǎng)技術(shù)（大規(guī)模培養(yǎng)、灌注培養(yǎng)、無血清培養(yǎng)）

細胞培養(yǎng) （Cell Culture）專題：
1 .固定化動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)
2. 動物細胞的灌注養(yǎng)方法
3. 動物細胞無血清培養(yǎng)技術(shù)
4. 動物細胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器

前言
動物細胞培養(yǎng)開始于本世紀初 1962 年, 其規(guī)模開始擴大, 發(fā)展至今已成為生物、醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用中廣泛采用的技術(shù)方法, 利用動物細胞培養(yǎng)生產(chǎn)具有重要醫(yī)用價值的酶、生長因子、疫苗和單抗等, 已成為醫(yī)藥生物高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要部分。利用動物細胞培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)的生物制品已占世界生物高技術(shù)產(chǎn)品市場份額的50% 。 動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)是生物技術(shù)制藥中非常重要的環(huán)節(jié)。目前, 動物細胞有懸浮培養(yǎng)和貼壁培養(yǎng).技術(shù)水平的提高主要集中在培養(yǎng)規(guī)模的進一步擴大、優(yōu)化細胞培養(yǎng)環(huán)境、改變細胞特性、提高產(chǎn)品的產(chǎn)率與保證其質(zhì)量上。

動物細胞的特點及生長特性:
動物細胞雖可像微生物 細胞一樣, 在人工控制條件的生物反應(yīng)器中進行大規(guī)模培養(yǎng), 但其細胞結(jié)構(gòu)和培養(yǎng)特性與微生物細胞相比, 有顯著差別 :①動物細胞比微生物細胞大得多, 無細胞壁, 機械強度低, 對剪切力敏感, 適應(yīng)環(huán)境能力差; ②倍增時間長, 生長緩慢, 易受微生物污染, 培養(yǎng)時須用抗生素; ③培養(yǎng)過程需氧量少(氧傳質(zhì)系數(shù)kLa 大于10 h - 1即可滿足每毫升107 個細胞的生長) ; ④培養(yǎng)過程中細胞相互粘連以集群形式存在; ⑤原代培養(yǎng)細胞一般繁殖50 代即退化死亡; ⑥代謝產(chǎn)物具有生物活性, 生產(chǎn)成.本高, 但附加值也高。

一. 固定化動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)
1.　固定化培養(yǎng)方法
在動物細胞培養(yǎng)中, 培養(yǎng)細胞的目的不僅僅要求催化活細胞培養(yǎng)中, 培養(yǎng)細胞的目的不僅僅要求催化活力, 更重要的是利用細胞來合成和分泌蛋白, 因此如何保持細胞的活性顯得尤為重要。由于動物細胞的極度敏感性, 上述這些固定化方法會對動物細胞產(chǎn)生毒性, 另外多糖(如卡拉膠等) 由于具有很高的離子強度也會對細胞產(chǎn)生毒害。故在動物細胞培養(yǎng)中要考慮使用較溫和的固定化方法, 如吸附、包埋、中空纖維或膠囊化。

1. 1 　吸附
1. 1. 1 　多孔陶瓷
美國某公司開發(fā)了一種完全自動化的細胞培養(yǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心是陶質(zhì)矩形蜂窩狀生物反應(yīng)器。反應(yīng)器構(gòu)型是一圓筒內(nèi)裝置有許多陶質(zhì)矩形通道的蜂窩狀圓柱體，可提供4. 25 m2 的生長表面積。既可用于培養(yǎng)懸浮生長的細胞,又可用于培養(yǎng)貼壁依賴性細胞。該系統(tǒng)可以連續(xù)化生產(chǎn)蛋白質(zhì)。由于產(chǎn)物直接分泌到培養(yǎng)基中, 給分離純化帶來方便。而且細胞不用從培養(yǎng)基中分離, 所以不必考慮梯度問題; 當培養(yǎng)基高速循環(huán)時, 可以保持相對恒定的營養(yǎng)物和氧濃度。增加套數(shù)即可實現(xiàn)放大.

1. 1. 2 　微載體
微載體細胞培養(yǎng)法是一種用于培養(yǎng)錨地依賴性細胞的大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)。這種培養(yǎng)技術(shù)是在生物反應(yīng)器內(nèi)加入培養(yǎng)液和一種對細胞無毒害作用的材料支撐的顆粒(微載體) , 使細胞在微載體表面附著和生長, 并通過不斷攪拌使微載體保持懸浮狀態(tài)。培養(yǎng)液中大量的微載體為細胞提供了極大的附著表面, 1 g 微載體其比表面積可達6 000 cm2 , 從而可實現(xiàn)細胞的高密度培養(yǎng)。

微載體的直徑在60～250μm , 由天然葡聚糖、凝膠或各種合成的聚合物組成, 如聚苯乙烯、聚丙烯酰胺等。由這些材料及其改良型制成的微載體主要參考了細胞的粘附特性, 在其表面帶有大量電荷及其他生長基質(zhì)物質(zhì), 因而有利于細胞的粘附、鋪展和增殖。采用微載體培養(yǎng)具有以下優(yōu)點: ①比表面積大, 單位體積培養(yǎng)液的細胞產(chǎn)率高; ②采用均勻懸浮養(yǎng), 無營養(yǎng)物或產(chǎn)物梯度; ③可用簡單顯微鏡觀察微載體表面的生長情況; ④細胞收獲過程相對簡單, 勞動強度小; ⑤培養(yǎng)基利用率高, 占地面積小; ⑥放大容易, 國外已有公司以1 000 L 規(guī)模培養(yǎng)人的二倍體細胞來生產(chǎn)β- 干擾素。但其缺點是攪拌槳及微珠間的碰撞易損傷細胞; 接種密度高; 微載體吸附力弱, 不適合培養(yǎng)懸浮型細胞。

1. 1. 3 　大孔微載體
人們?yōu)榱私鉀Q微載體培養(yǎng)系統(tǒng)中細胞易受機械損傷的缺陷以及能最大限度地擴大比表面積, 開發(fā)了具有完全連通溝回的大孔微載體。
大孔微載體將細胞固定在孔內(nèi)生長, 因而與其他方法相比具有一系列優(yōu)點: ①比表面積大,是實心微載體的幾倍甚至幾十倍; ②細胞在孔內(nèi)生長, 受到保護, 剪切損傷小; ③與包埋法相比, 傳質(zhì)尤其是傳氧效果好 ; ④兩種類型細胞都適用;⑤細胞三維生長, 細胞密度是實心微載體的10 倍以上, 有的可達108 個/ mL; ⑥適用于長期維持培養(yǎng),細胞生長情況依然良好; ⑦微載體濃度高, 實心載體在培養(yǎng)液中濃度增大到一定時, 細胞密度反而下降; 而大孔微載體在濃度較高時, 表面碰撞增加, 能促使細胞在孔內(nèi)生長; ⑧最適合于蛋白質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)物分泌。因此有人預(yù)言, 大孔微載體質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)物分泌。因此有人預(yù)言, 大孔微載體技術(shù)將成為動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)的一種常用方式。

1. 2 　包埋
將動物細胞包埋在各種多聚物多孔載體中而制成固定化動物細胞的方法稱為包埋法。此法步驟簡便, 條件溫和, 負荷量大, 細胞泄露少。因細胞嵌入在高聚物網(wǎng)格中而受到保護, 細胞能抗機械剪切。但該法也有一定缺點, 如擴散限制, 并非所有細胞都處于最佳營養(yǎng)物濃度。包埋法一般適用于非錨地依賴型細胞的固定化。多孔凝膠是最常用的載體, 用于動物細胞固定化的凝膠主要有海藻酸鈣、瓊脂糖、血纖維蛋白等。

1. 2. 1 　海藻酸鈣凝膠
海藻酸鈣凝膠包埋法是將動物細胞與一定量的海藻酸鈉溶液混合均勻, 然后滴到一定濃度的氯化鈣溶液中形成直徑約1 mm 內(nèi)含動物細胞的海藻酸鈣膠珠, 分離洗滌后即可用于培養(yǎng)。此法操作時條件溫和, 對活細胞損傷小。但固定后機械強度不高。為了大量制備海藻酸鈣凝膠包埋的固定化細胞, 國外已有專門的振動噴嘴設(shè)備可供使用。