细胞工程里关于动物细胞大规模培养分:悬浮培养、微载体培养和中空纤维培养,跟您之前发布内容有出入?(细胞培养与悬浮培养的区别? 或者说细胞培养分为哪些类型)

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细胞工程里关于动物细胞大规模培养分:悬浮培养、微载体培养和中空纤维培养,跟您之前发布内容有出入?(细胞培养与悬浮培养的区别? 或者说细胞培养分为哪些类型)

细胞培养与悬浮培养的区别? 或者说细胞培养分为哪些类型

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体外细胞培养根据细胞的生长是否需要贴附在支持物上,可将其分为贴附型和悬浮型两大类。

1.贴附型。

贴附型细胞又称锚定依赖型细胞,只能附着于底物(支持物)表面生长,当细胞贴附在支持物上之后,易失去它们在体内时原有的特征,细胞分化现象常变得不显著。在光学显微镜下可将体外培养的贴附型细胞从形态上分为成纤维型细胞、上皮型细胞、游走型细胞、多形性细胞。

2.悬浮型。

有的细胞在培养时不贴在支持物上,而是悬浮在液体中,呈悬浮状态生长,如某些肿瘤细胞和血液白细胞等。细胞悬浮生长时胞体呈圆球型。

以动物细胞悬浮培养为例详细说明动物细胞大规模培养的关键技术。

悬浮培养方法:在悬浮培养前,对动物细胞的生长和生理特性进行充分的考察,是十分必要的,能为悬浮培养提供有益的参考。悬浮培养可以从两个方面入手,一是改变动物细胞的培养环境,实行阶段培养;二是进行代谢调控。

(1)阶段培养 :一般认为,动物细胞的培养条件应尽量模拟来源动物体内的条件,而且在培养中通常保持不变。而实际上,每种细胞的最适生长条件和最适产物生成条件是不同的。阶段法培养就是根据这一点,把培养过程分为细胞生长期和产物生成期,分别采取不同的培养条件,以达到在细胞生长期使接种细胞大量繁殖,提高比生长速率,尽快获得高密度细胞;在产物生成期保持细的高密度,维持存活率,降低细胞死亡速率,持续获得高产率蛋白的目的。当产物蛋白对细胞有抑制时,阶段培养尤见优势。具体说来,可以用以下方法: ①pH值阶段培养 对大多数动物细胞,培养液中合适的pH为7.2-7.4。低于6.8或高于7.6对细胞的生长都不利。近年来,对胞内pH的研究比较活跃。实验发现胞内pH对细胞的代谢影响很大,胞内pH 降低0.2个单位,就足以使磷酸果糖激酶失活,抑制糖酵解途径,使细胞的生长受阻;而胞内pH 升高0.2个单位,可以提高糖酵解速度50%。胞外pH 的降低和培养液中铵离子浓度的提高,都能引起胞浆酸化,胞内pH降低。有人把CO2的浓度由5%降为2.5%,胞内pH提高了0. 2个单位。胞内pH比胞外pH的检测麻烦,所以还没有广泛应用。 ②溶氧阶段培养 不同细胞和同一细胞在不同生长时期对氧的需求均不相同.有人发现细胞生长的最适溶氧值为60%,但有人发现杂交瘤的最适溶氧为100%。一般说来,溶氧主要影响细胞的繁殖,而对产物的生成无直接影响,通过影响细胞生长间接起作用。通常在细胞生长初期控制溶氧的较低的水平,在对数生长期,当细胞达到较高的浓度时,提高溶氧水平;在产物生成期,应控制溶氧的适当水平。溶氧过高,细胞就会加速消耗营养物质,产生许多代谢产物。这些代谢产物对细胞有抑制作用,会大大降低细胞的存活率,降低产物的比生成速率。溶氧过低,细胞过氧的需求得不到满足,依然会降低产物蛋白的产物。 ③化学试剂诱导阶段培养 如果构建的细胞上有可诱导基因,进入产物生成期后,就可以添加化学试剂对基因进行诱导,以实现目的基因的高表达,比如,将表达尿激酶原和二氢叶酸还原酶基因的两个转录单位置于同一载体,分别受金属硫(MT)和SV40早期启动子控制,具有用氨甲喋呤(MTX)使基因扩增和利用金属Zn2+诱导的双重功能,有利于尿激酶的高表达。细胞在细胞周期的不同时期,不仅蛋白的分泌速率不同,而且所分泌蛋白的类型和糖基化程度也可能不同。因此,研究并控制细胞的生理状态很重要。然而,在细胞培养中,细胞生理状态的检测很麻烦。有人发现,细胞大小随各时期变化很明显,因此可以作电子细胞计数器就行了。分段培养应结合具体的培养条件进行。有些细胞的最适生长温度和产物生成温度相同,就不能进行温度阶段培养,而应寻找别的差异条件。在细胞生长期有的细胞可能会因比生长速率过大而产生非生产性细胞,这时就应控制比生长速率在一个适当的范围。

(2)代谢调控培养 乳酸和氨是在培养过程中动物细胞产生的主要代谢产物,对细胞的正常生理功能在抑制甚至毒害作用。在分批培养和补料分批培养中的这一问题尤为突出。尽管灌注培养可以通过提高灌注速度来去除抑制产物。但是,一方面由于灌注培养细胞浓度很高,提高灌注速率,营养成分的供给十分充分,氨和乳酸的产生速率也增加了。另一方面,过高的灌注速率提高了细胞的比生长速率,降低产物的比产率,加上细胞对营养的利用并不彻底,培养液中会残留大量的蛋白,造成提取纯化的不便和培养基的浪费。所以,在培养中调控动物细胞的代谢途径一直较受重视。通过代谢调控,可以减少副产物的产生,降低细胞的死亡速率,还可以控制灌注速率和培养液成分,控制细胞的状态和比生长速率,以提高目标蛋白的产率。具体有以下方法: ①控制葡萄糖浓度法 乳酸浓度升高,会导致比生长速率降低,比死亡速率升高。乳酸的降低可更换葡萄糖为己糖如果糖或半乳糖,还可限制葡萄糖减少乳酸的生成,使初始葡萄糖浓度较低,在培养过程中再添加。在控制葡萄糖浓度法培养中,生长期可以使葡萄糖浓度稍高,以促进细胞生长;在产物合成期降低葡萄糖的浓度,降低乳酸的产生速率,避免乳酸的积累,减少毒害,降低死亡速率,维护持活细胞数在较高水平。同时还可以降低比生长速率,增加目标蛋白的产生速率。灌注葡萄糖的同时,要间歇或连续地加入其他组分,以避免营养缺乏,其中谷氨酰胺要保持在较低水平,因为细胞的生长不依赖糖酵解,即使没有葡萄糖,细胞仍可以通过降解谷氨酰胺获得能量。假如谷氨酰胺的浓度过高,细胞就会偏向谷氨酰胺酵解,从而削弱这种方法的效果。由于葡萄糖的价格相对低廉,这种方法很有前途。 ②控制谷氨酰胺法 上面提到,没有葡萄糖,细胞可以利用谷氨酰胺作能量物质。因此,控制谷氨酰胺比控制葡萄糖要容易些,应用这一方法的报道也较多。控制谷氨酰胺浓度的目的,主要是减少氨的产生。氨对细胞的毒性比乳酸大得多,表现为降低比生长速率,增加死亡速率。有人详细地研究了动物细胞的代谢过程,采用底物限制补料分批工艺对动物细胞进行代谢控制。他采用这一方法,使氨的浓度降低了一半。控制谷氨酰胺法与控制葡萄糖法一样,要维持葡萄糖在较低水平。 ③控制葡萄糖和谷氨酰胺法 在细胞中,葡萄糖代谢和谷氨酰胺代谢密切相关。葡萄糖消耗上升,则谷氨酰胺消耗下降,反之亦然。在相当大的一个范围内,葡萄糖和谷氨酰胺的消耗速率与其浓度成正比。控制葡萄糖和谷氨酰胺法可降低乳酸和氨的产生,还能有效控制比生长速率。在细胞生长期,提供充分的营养,供细胞的需要;在产物合成期,降低葡萄糖和谷氨酰胺的浓度或流量,降低比生长速率,增加目标蛋白的产率。 ④去除代谢产物法 通常使用透析膜,超滤腊或吸附剂选择性去除乳酸、氨或铵离子。有人建议加化学试剂比如钾盐来消除氨的影响 ,也有人建议可使用有谷氨酰胺合成酶的细胞。 3、灌注培养的缺点 灌注培养发展到现在,还有许多急待解决的问题。其最大的缺点是培养基的利用不充分,造成一定的浪费。随着细胞培养技术和产品分离技术的进一步发展,建立细胞培养与产物分离的耦合系统,能充分利用培养液,降低生产成本,一直是人们追求的目标,这里就不赘述。

细胞大规模培养有哪些培养系统

细胞大规模培养系统主要有机械搅拌式培养系统,微载体培养系统,气升式深层培养系统,微囊培养系统,大载体培养系统,中空纤维培养系统,固定化细胞培养系统!

动物细胞大规模培养的方法有哪些

动物细胞大规模培养常用方法

  根据动物细胞的类型,可采用贴壁培养、悬浮培养和固定化培养等三种培养方法进行大规模培养。

一、动物细胞生长特性及培养温度

1、细胞生长缓慢,易污染,培养需用抗生素

2、细胞大,无细胞壁,机械强度低,环境适应性差

3、需氧少,不耐受强力通风与搅拌

4、群体生长效应,贴壁生长(锚地依赖性)

5、培养过程产品分布细胞内外,成本高

6、原代培养细胞一般繁殖50代即退化死亡

依据在体外培养时对生长基质依赖性差异,动物细胞可分为两类:

贴壁依赖型细胞:需要附着于带适量电荷的固体或半固体表面才能生长,大多数动物细胞,包括非淋巴组织细胞和许多异倍体细胞均属于这一类。

非贴壁依赖型细胞:无需附着于固相表面即可生长,包括血液、淋巴组织细胞、许多肿瘤细胞及某些转化细胞。

  培养细胞的最适温度相当于各种细胞或组织取材机体的正常温度。人和哺乳动物细胞培养的最适温度为35~37℃。偏离这一温度,细胞正常的代谢和生长将会受到影响,甚至死亡。总的来说,培养细胞对低温的耐力比高温高。温度不超过39℃时,细胞代谢强度与温度成正比;细胞培养置于39~40℃环境中1h,即受到一定损伤,但仍能恢复;当温度达43℃以上时,许多细胞将死亡。当温度下降到30~20℃时,细胞代谢降低,因而与培养基之间物质交换减少。首先看到的是细胞形态学的改变以及细胞从基质上脱落下来。当培养物恢复到初始的培养温度时,它们原有的形态和代谢也随之恢复到原有水平。

二、贴壁培养(attachment culture)

是指细胞贴附在一定的固相表面进行的培养。

1、生长特性:贴壁依赖型细胞在培养时要贴附于培养(瓶)器皿壁上,细胞一经贴壁就迅速铺展,然后开始有丝分裂,并很快进入对数生长期。一般数天后就铺满培养表面,并形成致密的细胞单层。

2、贴壁培养的优点:

容易更换培养液;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。

容易采用灌注培养,从而达到提高细胞密度的目的;因细胞固定表面,不需过滤系统。

当细胞贴壁于生长基质时,很多细胞将更有效的表达一种产品。

同一设备可采用不同的培养液/细胞的比例。

适用于所有类型细胞。

3、贴壁培养的缺点:与悬浮培养法相比

扩大培养比较困难,投资大;

占地面积大;

不能有效监测细胞的生长;

4、细胞贴壁的表面:要求具有净阳电荷和高度表面活性。对微载体而言还要求具一定电荷密度;若为有机物表面,必须具有亲水性,并带阳电荷。

5、贴壁培养系统:主要有转瓶、中空纤维(后面专题介绍)、玻璃珠、微载体系统(后面介绍)等。

  转瓶培养系统:培养贴壁依赖型细胞最初采用转瓶系统培养。转瓶培养一般用于小量培养到大规模培养的过渡阶段,或作为生物反应器接种细胞准备的一条途径。细胞接种在旋转的圆筒形培养器-转瓶中,培养过程中转瓶不断旋转,使细胞交替接触培养液和空气,从而提供较好的传质和传热条件。

  转瓶培养具有结构简单,投资少,技术成熟,重复性好,放大只需简单的增加转瓶数量等优点。 但也有其缺点:劳动强度大,占地空间大,单位体积提供细胞生长的表面积小,细胞生长密度低,培养时监测和控制环境条件受到限制等。 现在使用的转瓶培养系统包括二氧化碳培养箱和转瓶机两类。

  反应器贴壁培养 此种培养方式中,细胞贴附于固定的表面生长,不因为搅拌而跟随培养液一起流动,因此比较容易更换培养液,不需要特殊的分离细胞和培养液的设备,可以采用灌流培养获得高细胞密度,能有效地获得一种产品;但扩大规模较难,不能直接监控细胞的生长情况,故多用于制备用量较小、价值高的生物药品。

  CelliGen、CelliGen PlusTM和Bioflo3000反应器是常用的贴壁培养式生物反应器,用于细胞贴壁培养时可用篮式搅拌系统和圆盘状载体。此载体是直径6毫米无纺聚酯纤维圆片,具很高表面积与体积比(1200cm2/g),利于获得高细胞密度。篮式搅拌系统和载体培养是目前贴壁细胞培养使用最多方式,用于杂交瘤细胞、Hela细胞、293细胞、CHO细胞及其它细胞培养。此种方式培养细胞,细胞接种后贴壁快。

三、悬浮培养(suspension culture)

是指细胞在反应器中自由悬浮生长的过程。主要用于非贴壁依赖型细胞培养,如杂交瘤细胞等;是在微生物发酵的基础上发通起来的。

无血清悬浮培养是用已知人源或动物来源的蛋白或激素代替动物血清的一种细胞培养方式,它能减少后期纯化工作,提高产品质量,正逐渐成为动物细胞大规模培养的研究新方向。

四、固定化培养(immobilization culture)

是将动物细胞与水不溶性载体结合起来,再进行培养。上述两大类细胞都适用,具有细胞生长密度高,抗剪切力和抗污染能力强等优点,细胞易于产物分开,有利于产物分离纯化。制备方法很多,包括吸附法、共价贴附法、离子/共价交联法、包埋法、微囊法等。

1、吸附法:用固体吸附剂将细胞吸附在其表面而使细胞固定化的方法称为吸附法(adhesion)。操作操简便、条件温和、是动物细胞固定化中最早研究使用的方法。缺点是:载体的负荷能力低,细胞易脱落。微载体培养和中空纤维培养是该方法的代表,稍后专门介绍。

2、共价贴附法:利用共价键将动物细胞与固相载体结合的固定化方法称为共价贴附法(attachment by covalent bonding)。此法可减少细胞的泄漏,但须引入化学试剂,对细胞活性有影响,且因贴附而导致扩散限制小,细胞得不到保护。

3、离子/共价交联法:双功能试剂处理细胞悬浮液,会在细胞间形成桥而絮结产生交交联作用,此固定化细胞方法称为离子/共价交联法(cross-linking by covalent bonding)。交联试剂会使一些细胞死亡,也会产生扩散限制。

4、包埋法:将细胞包埋在多孔载体内部制成固定化细胞的方法称为包埋法(entrapment)。优点是:步骤简便、条件温和、负荷量大、细胞泄漏少,抗机械剪切。缺点是:扩散限制,并非所有细胞都处于最佳基质浓度,且大分子基质不能渗透到高聚物网络内部。一般适用于非贴壁依赖型细胞的固定化,常用载体为多孔凝胶,如琼脂糖凝胶、海藻酸钙凝胶和血纤维蛋白。

5、微囊法(microencapsulation):是用一层亲水的半透膜将细胞包围在珠状的微囊里,细胞不能逸出,但小分子物质及营养物质可自由出入半透膜;囊内是种微小培养环境,与液体培养相似,能保护细胞少受损伤,故细胞生长好、密度高。微囊直径控制在200-400μm为宜。制备中应注意:

温和、快速、不损伤细胞,尽量在液体和生理条件下操作;

所用试剂和膜材料对细胞无毒害;

膜的孔径可控制,必须使营养物和代谢物自由通过;

膜应有足够机械强度抵抗培养中搅拌。

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