[科普中国]-悬浮培养

定义

suspension culture

非贴壁依赖性细胞的一种培养方式。

原理利用固体琼脂培养基对植物的离体组织进行培养的方法在植物遗传实验中已经得到广泛的应用。但这种方法在某些方面还存在一些缺点，比如在培养过程中，植物的愈伤组织在生长过程中的营养成分、植物组织产生的代谢物质呈现一个梯度分布，而且琼脂本身也有一些不明的物质成分可能对培养物产生影响，从而导致植物组织生长发育过程中代谢的改变而利用液体培养基则可以克服这一缺点，当植物的组织在液体培养基中生长时，我们可以通过薄层震荡培养或向培养基中通气用以改善培养基中氧气的供应。植物细胞的悬浮培养是指将植物细胞或较小的细胞团悬浮在液体培养基中进行培养，在培养过程中能够保持良好的分散状态。这些小的细胞聚合体通常来自植物的愈伤组织。

关键技术生物制品生产过程研发的两个主要目的是提高产率、保证产物的质量和过程工艺设计的一致性、前者直接关系到商业化生产的可行性，后者则关系到药物的安伞和有效性。对应悬浮培养技术主要包括高表达细胞株的获得、个性化培养基的研发、动物细胞反应器及配套设施的完善及生产工艺的优化等四个方面。

细胞与毒株的驯化与保藏

为提高生物制品的产率和安伞有效性，在生物反应器中繁殖的病毒与细胞需要进行相互适应选择，针对不同的毒株及其表达量筛选适合的宿主细胞对于细胞大规模生产具有重要意义。

细胞的筛选驯化和保藏

实现悬浮培养首先需要选择合适的宿主细胞，细胞系的特征直接影响放大的可能性以及放大技术的选择。同一种细胞在悬浮培养和贴罐培养时对同一病毒的敏感性不同；同一株细胞不同的克隆对营养条件有不同的需求，对病毒敏感性亦可能不同。 常根据毒株特性，综合考虑所用毒株能在何种细胞上增殖、表达，悬浮或贴壁细胞属性足否适合大规模培养，规模和技术是否影响表达的稳定性，能否进行驯化，驯化后毒株的敏感性和表达量是否有变化等因素选择合适的宿主细胞。

细胞筛选驯化的实质是应用现代细胞生物学技术，在降低细胞凋亡率、提高细胞活力、延长细胞生命周期、提高产物浓度等方面进行研究，结合特定细胞的营养需求进行培养基优化，筛选适用于生产的细胞株。

为实现驯化的稳定，通常由高密度细胞培养转向低密度细胞培养，由高浓度血清培养逐渐降低血清浓度进行培养。因细胞损伤后难以修复，所以驯化时细胞活力应保持在90%以上。细胞的增殖能力直接影响产能，驯化时应保持对其增殖能力的测定。细胞驯化时还应对其表达分泌能力进行测定，避免驯化后的细胞表达特性发生变化。驯化后细胞的增殖能力、活力及生产能力要能够满足工业大规模生产的需要。由于特定细胞的营养需求不同，实现其驯化的难易程度也不同，在驯化时需要选用合适的细胞培养基，有针对性地补充某些营养成分以满足细胞的特定需求，使驯化好的细胞可以保持其悬浮或是无血清生长的特性。与20世纪80年代相比，由于细胞培养基技术的发展，细胞驯化变得相对容易。

在筛选驯化过程中应注意及时对细胞进行保藏，以避免在培养过程中出现异常情况导致筛选驯化工作量的重复和时间浪费。保藏时，应选用在该驯化条件下细胞状态良好的细胞。

病毒对细胞的敏感性关系

培养动物细胞的目的是通过细胞制备足够量的病毒，因此，毒株对细胞的敏感性非常重要。但在实际应用中，毒株对细胞的敏感性、差异性较大。不同细胞对同一病毒敏感性不同，同一细胞对不同病毒株敏感性不同；悬浮细胞和贴壁细胞的敏感性不同；同一病毒株可在多种宿主细胞上生长，一种细胞系平台也可能生产多种病毒；同一细胞不同培养方式的病毒量、抗原结构、免疫原性、毒力等也可能不同。

当病毒对一些细胞基质不够敏感时，可以通过传代驯化的方式，使病毒逐步适应该细胞基质，最终满足生产疫苗的需求。在优化培养工艺的基础上，作为种源的毒株及相应细胞株的筛选优化，提高细胞培养的质量和病毒表达量已是当前提高产率的一个技术要点，也是降低成本、提高生产竞争力的关键之一。

细胞培养基的个性化和优化

在大规模培养技术中，维持细胞高密度甚至无血清生长，细胞培养基的营养含量对细胞的增殖、维持至关重要。在悬浮培养技术中，不同细胞营养代谢的特异性不同，细胞和病毒培养工艺不同，需要抗剪切力、满足放大功能，还需要提高目标生物制品的稳定性、表达量，这些均需要个性化培养基的支持。

细胞培养基经过天然培养基、合成培养基，发展到无血清培养基、无蛋白培养基、限定化学成分培养基，近百年的发展，已发生质的飞跃。无血清培养基杜绝了血清的外源性污染和对细胞毒性作用，使产品易于纯化、回收率高；其成分明确，有利于研究细胞的生理调节机制；还可根据不同细胞株设计和优化适合其高密度生长或高水平表达的培养基。从对人类和动物安全性的长远考虑，生物制品生产越来越倾向采用无血清无动物组分培养基，国际上生物制药生产中，已经有50%以上采用无血清细胞培养基。

细胞培养工艺的研发

悬浮培养过程技术的开发和应用主要是生产工艺的开发和工艺过程优化，维持细胞生长和病毒繁殖的最优化环境控制，在悬浮培养技术中的作用同样至关重要。

悬浮培养和微栽体培养工艺

悬浮培养技术按细胞贴壁性分为悬浮细胞培养工艺和贴壁细胞微载体悬浮培养工艺。悬浮细胞(CHO细胞、BHK21l细胞等)可以在反应器中直接生产增殖，细胞自由生长、培养环境均一、取样简单、培养操作简单可控、放大方便、污染率和成本低；而贴罐细胞在反应器中悬浮培养需要借助微载体，细胞和球体接触部位营养环境较差，培养、取样观察及放大工艺复杂，成本高。虽然相对于悬浮培养，微载体培养工艺复杂，但与转瓶培养相比仍有很大优势．能提高生产规模、产品质量和劳动效率，因此是贴壁细胞悬浮培养的主要手段。

悬浮培养工艺及选择

细胞悬浮培养工艺按照培养方式分为批培养、流加培养及灌注培养。批培养能直观反映细胞在生物反应器中的生长、代谢变化，操作简单，但初期代谢废产物较多，抑制细胞生长，细胞生长密度不高；流加培养操作简单、产率高、容易放大，应用广泛，但需要进行流加培养基的设计；灌注培养的培养体积小，回收体积大，产品在罐内停留时间短，可及时回收到低温下保存，利于保持产品的活性，但操作比较繁杂、细胞培养基利用效率低、旋转过滤器容易堵塞等。不同的病毒采用的培养方式不同，如对于分泌型且产品活性降低较快的生物制品，宜采用灌注培养，且灌注培养也更适宜于微载体培养。同一生物制品由于其营养环境的不同，其生产工艺也可能发生变化，如BHK21细胞生产口蹄疫病毒，低血清培养时采用批培养，接毒前需要更换无血清的维持液；而无血清培养过程中无需换液，配合流加培养可能效果更好。选择反应器悬浮培养工艺需要考虑细胞和病毒的关系、产物稳定性、细胞培养基或添加物的选择、细胞培养规模等几个因素。

悬浮培养过程参数控制 选定合适的生产工艺后，过程控制成为关键。为确保细胞牛长在最优环境中，需要利用反应器的在线监控功能控制各种运行参数。细胞对温度较敏感，需要采用合适的加热或冷却方式控制培养温度在35℃～37℃，避免细胞受到损伤。动物细胞生长适宜的pH范围一般在6.8～7.3之间，低于6.8或高于7.3都可能会对细胞生长产生不利的影响。

生物反应器的选择

反应器规模能否放大是选择反应器的一个霞要前提，悬浮培养规模的放大主要通过增加反应器体积或者增加反应器数量，增大反应器体积可以节省大量的配套工程及人员成本，而多台小的反应器虽然操作灵活，但成本相对高。在国外生物制品生产中采用的多是较大规模的、能够逐级放大的生物反应器。选择和配置生物反应器还需考虑和满足生产工艺和产能需求。反应器接口的标准化、配件提供速度及售后服务质量等，均应作为工业化选用生物反应器考虑的因素，以免造成生产的延误。1

作用一般的操作过程是把未分化的愈伤组织转移到液体培养基中进行培养。在培养过程中不断进行旋转震荡，一般可用100～120 r/min 的速度进行。由于液体培养基的旋转和震荡，使得愈伤组织上分裂的细胞不断游离下来。在液体培养基中的培养物是混杂的，既有游离的单个细胞，也有较大的细胞团块，还有接种物的死细胞残渣。

用例在液体悬浮培养过程中应注意及时进行细胞继代培养，因为当培养物生长到一定时期将进入分裂的静止期。对于多数悬浮培养物来说，细胞在培养到第18～25d 时达到最大的密度，此时应进行第一次继代培养。在继代培养时，应将较大的细胞团块和接种物残渣除去。若从植物器官或组织开始建立细胞悬浮培养体系，就包括愈伤组织的诱导、继代培养、单细胞分离和悬浮培养。目前这项技术已经广泛应用于细胞的形态、生理、遗传、凋亡等研究工作，特别是为基因工程在植物细胞水平上的操作提供了理想的材料和途径。经过转化的植物细胞再经过诱导分化形成植株，即可获得携带有目标基因的个体。2