动植物细胞的大规模培养

动植物细胞的大规模培养

动物细胞培养简介

所谓动物细胞培养是指离散的动物活细胞在体外人工条件下的生长、增值过程。在此过程中，细胞不再形成组织。动物细胞培养是生产许多临床和医学上重要生物制品的一种必不可少的方法，这些生物制品包括疫苗、干扰素、激素、生长因子和单克隆抗体等，既推动了生物学和医学的发展，又带来了巨大的社会效益和经济效益。目前, 动物细胞大规模培养技术水平的提高主要集中在培养规模的进一步扩大、细胞培养环境的优化、生物反应器的改良、改变细胞特性、提高产品的产出率与保证其质量上。

动物细胞培养的环境

影响动物细胞培养的主要因素有温度、pH值、CO2 、DO、葡萄糖、乳酸、氨、甲基乙二醛、培养基成分等。一般情况下，人和哺乳动物细胞的最适温度为37℃，pH值在7.2-7.4之间，CO2 水平为4-10%, DO维持在20-50%，葡萄糖是细胞培养过程中的能量的主要来源，需要维持在一定水平。乳酸、氨、甲基乙二醛等是动物细胞培养中的主要限制因素。在实际应用中，降低甲基乙二醛的浓度是通过降低葡萄糖用量来实现的。

培养基

用于动物细胞的培养基可以分为天然培养基和合成培养基两大类。

天然培养基的优点是营养成分丰富、培养效果良好；缺点是成分复杂、个体差异大、来源有限。天然培养基的种类很多，包括血清、血浆、组织浸出液、水解乳蛋白等。其中血清是最常用的天然培养基。

合成培养基的优点是既能给细胞提供一个近似于体内的生存环境，又便于控制和提供标准化体外生存环境。然而合成培养基中还是需要加入一定量的天然培养基予以补充。

培养方法

动物细胞的体外培养有两种类型：贴壁依赖性细胞和非贴壁依赖性细胞。

悬浮培养：

悬浮培养主要用于非贴壁依赖性细胞，是指细胞在培养器中自由悬浮生长的过程。对于小规模培养可采用转瓶和滚瓶培养，大规模培养则可采用发酵罐式的细胞培养反应器。悬浮培养对设备的要求也比较简单。

贴壁培养：

贴壁培养是动物培养的一种重要方法，是指必须贴附在固体介质表面上生长的细胞培养，主要用于非淋巴组织和许多异倍体等贴壁依赖性细胞的培养。

优点：

1.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，容易更换培养液；

2.因细胞固定载体表面，不需过滤系统，容易采用灌注方式培养，从而达到提高细胞密度的目的；

3.当细胞壁贴于生长基质时，细胞将更有效的表达一种产品；

4.同一设备可培养多种细胞，并根据需要采用不同的培养液和细胞的比例；

缺点：

1.细胞繁殖贴壁后不易消化下来，培养的扩大比较困难；

2.培养设施占地面积大，设备投资大；

3.采用细胞反应器培养，细胞无法进行显微镜观察，不能有效监测细胞的生长状态；

4.在测定和控制细胞所处环境的完全均匀化方面比较困难。

固定化培养：

固定化培养是既适用于贴壁依赖性细胞，又适用于非贴壁依赖性细胞的包埋培养方式，具有细胞生长密度高、抗剪切力和抗污染能力强等优点。一般对于贴壁依赖性细胞通常采用胶原包埋，而对于非贴壁依赖性细胞则通常采用海藻酸钙包埋。

反应器

气升式生物反应器：

气升式生物反应器的原理是让气体混合物从底部经喷射管喷入反应器的中央导流管，使得中央导流管侧的液体密度低于外部区域从而形成循环。

中空纤维管生物反应器：

中空纤维管生物反应器的原理是泵动细胞培养液通过成束的合成空心纤维管(毛细管)，提供了大量的细胞生长表面积，使细胞附着在毛细管内壁上生长，是一类开发较早且一直在改进的生物反应器。

机械搅拌式生物反应器：

机械搅拌式生物反应器是一类研制较早、应用广泛的生物反应器，主要包括培养罐、泵、马达、管、阀及仪表等几部分。

流化床生物反应器：

流化床生物反应器的基本原理是培养液通过反应器垂直向上流动形成循环，一直供给细胞必需的营养成分，使细胞得以在微粒中生长，同时，不断加入新鲜培养液并排出代谢废物。

培养技术

动物细胞无论是贴壁培养或是悬浮培养，均可分为分批式、流加式、半连续式、连续式等多种培养方式。

动物细胞的连续培养一般是采用灌注培养，其优越性不仅在大大提高了细胞生长密度，而且有助于产物的表达和纯化。

生产工艺

植物细胞培养

所谓植物细胞培养是指在离体条件下将愈伤组织或其他易分散的组织置于液体培养基中，进行振荡培养，讲组织分散成游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增值来获得大量细胞群体的方法。

小规模的细胞培养通常在培养瓶中完成，而大规模的培养则可在发酵罐中进行。

与动物细胞培养相比，植物细胞培养的最大优点是植物细胞可以在简单的合成培养基上正常生长。

由于植物细胞的分裂方式使得细胞间的内壁相互交叉,这些细胞结合在一起形成聚集体，聚集体的直径可以达到很大；培养的植物细胞具有薄而非特异化的细胞壁,虽然在液体培养基中壁压可以维持细胞的完整性,但是,这样的细胞仍然是脆弱的,不能承受大观模培养时搅拌器所具有的巨大剪力；植物细胞的生理和代谢活性都较低，次生物质的合成和积累速度也低；某些培养细胞的遗传稳定性较差。

与微生物相比,植物细胞有以上其固有的特点,因此必需在进行大规模培养时给予充分的考虑，其细胞大规模培养技术应与微生物发酵技术有一定的区别。培养方法

植物细胞培养方法主要有单倍体细胞培养、原生质体培养、固体培养、液体培养、悬浮培养和固定化培养等。其中原生质体培养里的原生质体指的是植物的体细胞经过纤维素酶处理后可去掉细胞壁，获得的去壁细胞。用不同植物的原生质体进行融合与体细胞杂交可获得体细胞杂交的植株。

影响因素

许多化学的和物理学的因素影响大规模培养细胞的生长和代谢产物的合成与累积，其中包括培养基的组成,植物生长调节物质,pH,温度,通气,搅拌和光照等。培养基的种类和成分对培养细胞的生物产量和代谢产物的种类与数量有明显的影响。

目前，对植物细胞大量培养一般分成两个阶段：第一阶段是利用生长培养基，尽可能快速的使细胞的生物量得到增长；第二阶段是通过生产培养基来诱发和保持次生代谢作用。可以通过改变培养基的组成来达到提高培养细胞中代谢产物的数量的目的。在培养的第一阶段,可以使用生长培养基,大量增加生物产量,在培养的第二阶段则使用生产培养基,增加代谢产物的数量。

培养技术

目前用于植物细胞大规模培养的技术主要有植物细胞的大规模悬浮培养和植物细胞或原生质体的固定化培养。

植物细胞的培养方式有间歇培养、连续培养和固定化培养。

反应器

植物细胞反应器主要有机械搅拌式生物反应器、鼓泡塔与气升式生物反应器、填充床式生物反应器、流化床生物反应器和膜式生物反应器等。我们在选择和设计植物生物反应器之前，必须利用遗传学知识和培养技术，研究细胞培养动力学，确立合理的工艺，提高细胞生长和产物形成的能力。