轉化細胞深層培養(yǎng)可分為:分批式、流加式、半連續(xù)式、連續(xù)式、連續(xù)式和灌注式五種。
一、分批式培養(yǎng)(batch culture) 是細胞規(guī)模培養(yǎng)發(fā)展進程中較早期采用的方式,也是其它操作方式的基礎。該方式采用機械攪拌式生物反應器,將細胞擴大培養(yǎng)后,一次性轉入生物反應器內進行培 養(yǎng),在培養(yǎng)過程中其體積不變,不添加其它成分,待細胞增長和產物形成積累到適當的時間,一次性收獲細胞、產物、培養(yǎng)基的操作方式。
該方式的特點:
操作簡單。培養(yǎng)周期短,染菌和細胞突變的風險小。反應器系統(tǒng)屬于封閉式,培養(yǎng)過程中與外部環(huán)境沒有物料交換,除了控制溫度、pH值和通氣外,不進行其他任何控制,因此操作簡單,容易掌握;
直觀反映細胞生長代謝的過程。因培養(yǎng)期間細胞生長代謝是在一個相對固定的營養(yǎng)環(huán)境,不添加任何營養(yǎng)成分,因此可直觀的反映細胞生長代謝的過程,是動物細胞工藝基礎條件或"小試"研究常用的手段;
可直接放大。由于培養(yǎng)過程工藝簡單,對設備和控制的要求較低,設備的通用性強,反應器參數的放大原理和過程控制,比較其它培養(yǎng)系統(tǒng)較易理解和掌握,在工業(yè)化中分批式培養(yǎng)操作是傳統(tǒng)的、常用的方法,其工業(yè)反應器(Genetech)規(guī)??蛇_12000L。
分批培養(yǎng)過程中,細胞的生長分為五個階段:延滯期、對數生長期、減速期、平穩(wěn)期和衰退期,見圖1。分批培養(yǎng)的周期時間多在3-5天,細胞生長動力學 表現(xiàn)為細胞先經歷對數生長期(48-72h)細胞密度達到zui高值后,由于營養(yǎng)物質耗劫或代謝毒副產物的累積細胞生長進入衰退期進而死亡,表現(xiàn)出典型的生長 周期。收獲產物通常是在細胞快要死亡前或已經死亡后進行。
二、流加式培養(yǎng)(feeding culture)
1、流加式培養(yǎng)是在批式培養(yǎng)的基礎上,采用機械攪拌式生物反應器系統(tǒng),懸浮培養(yǎng)細胞或以懸浮微載體培養(yǎng)貼壁細胞,細胞初始接種的培養(yǎng)基體積一般為終 體積的1/2~1/3,在培養(yǎng)過程中根據細胞對營養(yǎng)物質的不斷消耗和需求,流加濃縮的營養(yǎng)物或培養(yǎng)基,從而使細胞持續(xù)生長至較高的密度,目標產品達到較高 的水平,整個培養(yǎng)過程沒有流出或回收,通常在細胞進入衰亡期或衰亡期后進行終止回收整個反應體系,分離細胞和細胞碎片,濃縮、純化目標蛋白。
2、流加培養(yǎng)特點:
流加培養(yǎng)細胞生長速率、營養(yǎng)物消耗和代謝產物抑制情況,流加濃縮的營養(yǎng)培養(yǎng)基。流加的速率與消耗的速率相同,按底物濃度控制相應的流加過程,保證合理的培養(yǎng)環(huán)境與較低的代謝產物抑制水平。
培養(yǎng)過程以低稀釋率流加,細胞在培養(yǎng)系統(tǒng)中停留時間較長,總細胞密度較高,產物濃度較高。
流加培養(yǎng)過程須掌握細胞生長動力學,能量代謝動力學,研究細胞環(huán)境變化時的瞬間行為。流加培養(yǎng)細胞培養(yǎng)基的設計和培養(yǎng)條件與環(huán)境優(yōu)化,是整個培養(yǎng)工藝中的主要內容。
在工業(yè)化,懸浮流加培養(yǎng)工藝參數的放大原理和過程控制,比較其它培養(yǎng)系統(tǒng)較易理解和掌握,可采用工藝參數的直接放大。
流加培養(yǎng)是當前動物細胞培養(yǎng)中占有主流優(yōu)勢的培養(yǎng)工藝,也是近年來動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)研究的熱點。流加培養(yǎng)中的關鍵技術是基礎培養(yǎng)基和流加濃縮的營 養(yǎng)培養(yǎng)基。通常進行流加的時間多在指數生長后期,細胞在進入衰退期之前,添加高濃度的營養(yǎng)物質??梢蕴砑右淮?,也可添加多次,為了追求更高的細胞密度往往 需要添加一次以上,直至轉化細胞密度不再提高;可進行脈沖式添加,也可以降低的速率緩慢進行添加,但為了盡可能的維持相對穩(wěn)定的營養(yǎng)物質環(huán)境,后者采用較多; 添加的成分比較多,凡是促細胞生長的物質均可以進行添加。流加的總體原則是維持細胞生長相對穩(wěn)定的培養(yǎng)環(huán)境,營養(yǎng)成分即不過剩而產生大量的代謝副產物造成 營養(yǎng)利用效率下降而成為無效的利用;也不缺乏導致細胞生長抑制或死亡。
3、流加工藝中的營養(yǎng)成分主要分為三大類:
葡萄糖:葡萄糖是細胞的供能物質和主要的碳源物質,然而當其濃度較高是會產生大量的代謝產物乳酸,因而需要進行其濃度控制,以足夠維持細胞生長而不至于產生大量的副產物的濃度為佳。
谷氨酰胺:谷氨酰胺是細胞的供能物質和主要的氮源物質,然而當其濃度較高是會產生大量的代謝產物氨,因而也需要進行其濃度控制,以足夠維持細胞生長而不至于產生大量的副產物的濃度為佳;
大規(guī)模培養(yǎng)中細胞凋亡主要由于營養(yǎng)物質的耗竭或代謝產物的堆積引起,如谷氨酰胺的耗竭是zui常見的凋亡原因,而且凋亡一旦發(fā)生,補加谷氨酰胺已不能逆轉凋亡。另外,動物細胞在無血清、無蛋白培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)時,細胞變得更為脆弱,更容易發(fā)生凋亡。
氨基酸、維生素及其他:主要包括營養(yǎng)必需氨基酸、營養(yǎng)非必需氨基酸、一些特殊的氨基酸如羥脯氨酸、羧基谷氨酸和磷酸絲氨酸;此外還包括其他營養(yǎng)成分 如膽堿。添加的氨基酸形式多為左旋氨基酸,因而多以鹽或前體的形式替代單分子氨基酸,或者添加四肽或短肽的形式。在進行添加時,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,可采用泥漿的形式進行脈沖式添加;其他的可溶性氨基酸以溶液的形式用蠕動泵進行緩慢連續(xù)流加。
4、流加式培養(yǎng)分為兩種類型:單一補料分批式培養(yǎng)和反復補料分批式培養(yǎng)。
單一補料分批式培養(yǎng)是在培養(yǎng)開始時投入一定量的基礎培養(yǎng)液,培養(yǎng)到一定時期,開始連續(xù)補加濃縮營養(yǎng)物質,直到培養(yǎng)液體積達到生物反應器的zui大操作容積,停止補加,zui后將細胞培養(yǎng)液一次全部放出。該操作方式受到反應器操作容積的限制,培養(yǎng)周期只能控制在較短的時間內。
反復補料分批式培養(yǎng)是在單一補料分批式操作的基礎上,每個一定時間按一定比例放出一部分培養(yǎng)液,是培養(yǎng)液體積始終不超過反應器的zui大操作容積,從而在理論上可以延長培養(yǎng)周期,直至培養(yǎng)效率下降,才將培養(yǎng)液全部放出。
三、半連續(xù)式培養(yǎng)(semi-continuous culture)
1、半連續(xù)式培養(yǎng)又稱為重復分批式培養(yǎng)或換液培養(yǎng)。采用機械攪拌式生物反應器系統(tǒng),懸浮培養(yǎng)形式。在細胞增長和產物形成過程中,每間隔一段時間,從中取出部分培養(yǎng)物,再用新的培養(yǎng)液補足到原有體積,使反應器內的總體積不變。
這種類型的操作是將細胞接種一定體積的培養(yǎng)基,讓其生長至一定的密度,在細胞生長至zui大密度之前,用新鮮的培養(yǎng)基稀釋培養(yǎng)物,每次稀釋反應器培養(yǎng)體 積的1/2~3/4,以維持細胞的指數生長狀態(tài),隨著稀釋率的增加培養(yǎng)體積逐步增加。或者在細胞增長和產物形成過程中,每隔一定時間,定期取出部分培養(yǎng) 物,或是條件培養(yǎng)基,或是連同細胞、載體一起取出,然后補加細胞或載體,或是新鮮的培養(yǎng)基繼續(xù)進行培養(yǎng)的一種操作模式。剩余的培養(yǎng)物可作為種子,繼續(xù)培 養(yǎng),從而可維持反復培養(yǎng),而無需反應器的清洗、消毒等一系列復雜的操作。在半連續(xù)式操作中由于細胞適應了生物反應器的培養(yǎng)環(huán)境和相當高的接種量,經過幾次 的稀釋、換液培養(yǎng)過程,轉化細胞密度常常會提高。
2、半連續(xù)式特點:
培養(yǎng)物的體積逐步增加;
可進行多次收獲;
細胞可持續(xù)指數生長,并可保持產物和細胞在一較高的濃度水平,培養(yǎng)過程可延續(xù)到很長時間。
該操作方式的優(yōu)點是操作簡便,效率高,可長時期進行,反復收獲產品,可使細胞密度和產品產量一直保持在較高的水平。在動物細胞培養(yǎng)和藥品中被廣泛應用。
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