微載體生物反應(yīng)器的發(fā)展與應(yīng)用

微載體生物反應(yīng)器是一種用于大批量培養(yǎng)哺乳動物細(xì)胞的生物反應(yīng)器，它即可以滿足培養(yǎng)依賴貼壁和非貼壁的哺乳動物細(xì)胞，還滿足于多管陣列的生物反應(yīng)器系統(tǒng)的所需條件。

近年來，創(chuàng)造生物活性分子（包括單克隆抗體）的新技術(shù)創(chuàng)造了一個蓬勃發(fā)展的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。目前將基因?qū)�入�?xì)胞這項技術(shù)的發(fā)展也相對區(qū)域成熟，大規(guī)模生產(chǎn)生物細(xì)胞的生物反應(yīng)器也是層出不窮。常見的類型主要可分為微生物發(fā)酵培養(yǎng)系統(tǒng)和細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)。微生物發(fā)酵系統(tǒng)通常很少用于規(guī)�；�生產(chǎn)當(dāng)前所需的生物分子，這主要是因為細(xì)菌產(chǎn)生的蛋白質(zhì)不同于哺乳動物細(xì)胞的蛋白質(zhì)。因此，哺乳動物細(xì)胞生長正在成為醫(yī)藥產(chǎn)品生產(chǎn)中一個非常重要的領(lǐng)域。90年代初，在生物反應(yīng)器領(lǐng)域中，氧轉(zhuǎn)移不足成為哺乳動物細(xì)胞生長的生物反應(yīng)器的所面臨的主要問題。

例如，單克隆抗體的體內(nèi)生產(chǎn)涉及用產(chǎn)生抗體的雜交瘤細(xì)胞對小鼠進行腹膜內(nèi)接種，然后收集富含抗體的腹水。然而，一只小鼠通常需要長達 8 周的時間才能產(chǎn)生 40-200 毫克的抗體，而且回收的抗體被小鼠蛋白質(zhì)污染，當(dāng)注射到人體中時會導(dǎo)致血清病。此外，老鼠的維護成本很高，而且生產(chǎn)成本不會隨著規(guī)模的擴大而降低。此外，不能在小鼠中培養(yǎng)人單克隆抗體。

鑒于上述缺點，通常使用分批或連續(xù)系統(tǒng)的體外培養(yǎng)技術(shù)來進行細(xì)胞的大批量成產(chǎn)。然而，體外細(xì)胞密度通常不超過1×10 7 個細(xì)胞/ml，所得產(chǎn)物濃度也較低（0.01-0.1 mg/ml vs. 1-10 mg/ml 體內(nèi)）。



分批培養(yǎng)涉及在一批培養(yǎng)基中生長，而不是嘗試從細(xì)胞中連續(xù)分離培養(yǎng)基和產(chǎn)品。分批培養(yǎng)系統(tǒng)的一個主要問題是氧氣轉(zhuǎn)移不良。哺乳動物細(xì)胞需氧量介于 0.053 毫摩爾 O 2 /L-hr-10 6細(xì)胞/毫升至 0.59 毫摩爾 O 2 /L-hr-10 6 之間細(xì)胞/毫升。與微生物發(fā)酵不同的是，由于哺乳動物細(xì)胞缺乏剛性細(xì)胞壁并且通常無法承受由此產(chǎn)生的剪切力，因此無法迫使氧氣氣泡通過反應(yīng)器。后來改善了細(xì)胞充氣的方法，例如使用氣升對流力和限制葉輪技術(shù)。然而，這些方法只能減少對細(xì)胞的剪切力和物理創(chuàng)傷，并不能消除這些問題。盡管如此，細(xì)胞產(chǎn)量仍然受到氧濃度的限制。這種培養(yǎng)方式的另一個重要的問題是消除廢物的問題。離心可用于去除舊培養(yǎng)基，但這會增加污染的可能性，也會導(dǎo)致大量細(xì)胞損傷。

還有一種規(guī)模化細(xì)胞培養(yǎng)方式是將細(xì)胞封裝在海藻酸鹽凝膠或海藻酸鹽凝膠中，并被具有可控孔的半透聚合物膜包圍，這是培養(yǎng)哺乳動物細(xì)胞的另一種方法。在前一種程序中，細(xì)胞蛋白質(zhì)進入培養(yǎng)基，而在后一種方法中，產(chǎn)品被困在珠子中，然后必須破裂以釋放產(chǎn)品。雖然這可以產(chǎn)生高濃度的抗體，但這兩種方法都是有限的，因為細(xì)胞最終會破壞珠子并受到所有批處理過程的限制。

連續(xù)培養(yǎng)包括在連續(xù)的基礎(chǔ)上從培養(yǎng)基中分離細(xì)胞。幾種方法包括恒化器細(xì)胞保留和細(xì)胞保護系統(tǒng)（例如，中空纖維、陶瓷盒）。與分批培養(yǎng)相比，連續(xù)培養(yǎng)的主要優(yōu)點是能夠控制關(guān)鍵培養(yǎng)基成分的濃度；在毒性積累發(fā)生之前清除廢物的能力；將細(xì)胞培養(yǎng)物保持在其生長狀態(tài)更長時間的能力；以及重復(fù)使用培養(yǎng)基和昂貴的生長因子、血清和其他添加劑的能力。

細(xì)胞滯留生產(chǎn)受益于培養(yǎng)基的連續(xù)流動，通過去除生長抑制劑和為細(xì)胞提供新鮮的營養(yǎng)來源，導(dǎo)致更高的細(xì)胞密度和產(chǎn)品產(chǎn)量。許多細(xì)胞滯留系統(tǒng)利用微載體來培養(yǎng)貼壁依賴性細(xì)胞。微載體的包括中空玻璃微球和帶電或膠原包被的微球。這些微載體除了能夠提供大的附著表面外，還可以促進懸浮和分離。
在該領(lǐng)域還有另一種細(xì)胞培養(yǎng)方法：中空纖維反應(yīng)器系統(tǒng)，它是通過中空毛細(xì)管灌注培養(yǎng)基，使細(xì)胞暴露于更自然的環(huán)境中。細(xì)胞可以由恒定流量的新鮮培養(yǎng)基和氣體支持，并且可以直接去除產(chǎn)物。這種方法的一個缺點在于細(xì)胞在毛細(xì)管周圍和之間生長并最終破壞纖維，因此，該反應(yīng)器系統(tǒng)不能長時間運行，并且難以去除培養(yǎng)細(xì)胞。

中空纖維反應(yīng)器的另一個嚴(yán)重缺點是有害的代謝和營養(yǎng)梯度沿著毛細(xì)管的長度沿軸向和徑向發(fā)展，因為需要介質(zhì)非常緩慢地流過具有窄內(nèi)徑的管。受溶解度限制的氧氣和二氧化碳張力相對集中于在管的兩端。另外，由于培養(yǎng)基緩慢流動，營養(yǎng)物的分布容易受中空纖維反應(yīng)器中的擴散影響而導(dǎo)致營養(yǎng)不均衡。

近些年，技術(shù)革新后的微載體培養(yǎng)生物反應(yīng)器結(jié)合了全自動微電腦控氧系統(tǒng)有效解決了氧轉(zhuǎn)移不足等棘手問題，成為規(guī)模化懸浮細(xì)胞培養(yǎng)、哺乳動物細(xì)胞培養(yǎng)的主流實驗設(shè)備。

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