动物细胞大规模发酵工艺

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动物细胞大规模发酵工艺

当前动物细胞大规模发酵工艺中的主流方向是搅拌式悬浮连续发酵工艺,特别是抗体等大规模表达蛋白表达。在工业化生产中,悬浮培养工艺参数的放大原理和过程控制比其他发酵系统更易理解和掌握,因此在大规模动物细胞发酵生产中多选择此种工艺。通常,一个好的细胞发酵平台可适用于多种不同重组蛋白或抗体的大规模表达,选择适宜的平台技术可有效减少工艺研究过程的时间。

悬浮贴壁细胞培养的传统方法是采用转瓶、堆积床和悬浮微载体培养,转瓶和堆积床培养的放大生产受到很多的限制,而悬浮微载体培养是目前疫苗生产经常采用的一种形式。非传统的贴壁细胞培养选用气升式细胞发酵系统、膜透析生物反应器和填充床灌流培养等。

大规模蛋白发酵

2.1 动物细胞悬浮发酵工艺

悬浮发酵工艺(suspension culture)是指细胞自由悬浮于培养液内生长增殖的一种发酵方法。目前该项技术发展较快,已逐渐趋向成熟。此工艺优点是操作便捷、产率高、易放大; 缺点是技术较为复杂、产物回收量大、培养液利用率。悬浮发酵工艺适于许多工程细胞,例如CHO、 HEK293、杂交瘤、SP2/0、NSO 等。

2.1.1 流加发酵工艺(fed-batch culture)

采用细胞搅拌式发酵系统连续悬浮培养的方式。细胞初始接种的培养液体积一般为终体积的 1/2 ~ 1/3,在发酵过程中根据细胞对营养物质的不断消耗和需求,流加浓缩的营养物或培养液,从而使细胞持续生长至较高的密度,重组蛋白表达达到较高的水平,在细胞进入衰亡期后终止发酵,分离、纯化目标产品。流加发酵工艺的关键主要取决于两大因素,即流加培养液的稀释率和生长限制性底物浓度。在此工艺中,通过氧气的限制可避免底物中限制性代谢产物浓度的增加,因而可获得更高的细胞密度和产量。

2.1.2 灌流发酵工艺(perfusion culture)

一种常用的发酵工艺,多采用搅拌式细胞发酵系统,也可采用管式系统。在发酵过程中,不断向发酵罐灌流培养液,同时以相同流量流出。灌流工艺的优点是可在发酵过程中不断去除细胞碎片和副产物,降低细胞死亡后释放的各种酶类可能对产物的影响。同时,由于连续不断的灌流新鲜培养液而提供一个较恒定的培养环境,因此可获得较高的单位体积产率。由于灌流系统多采用细胞截留与回收系统,因而可实现细胞的高密度发酵

2.2 动物细胞贴壁发酵工艺 贴壁发酵工艺(anchorage-dependent culture)

是一种让细胞贴附在某种基质(或载体)上进行增殖的工艺,主要适用于贴壁细胞,也适用于兼性贴壁细胞。实际生产中具有贴壁生长特性的细胞种类较多,如 CHO、BHK、Vero 细胞等。贴壁发酵工艺的主要优点是细胞可贴附于发酵介质内外表面,有效的表达重组蛋白,同时容易进行培养液的更换,培养过程中不断添加新鲜培养液,去除代谢产物,从而使单位体积内细胞密度较高,与悬浮培养相比可维持的培养周期相对较长。 由于贴壁细胞的生长要求,提高细胞密度的有效方法就是使反应体系中比表面积最大化。传统的贴壁细胞培养方法包括转瓶(roller bottle)、多层平 板培养。转瓶和多层平板培养大多应用于产品研发的早、中 期,如红细胞生成素、基因治疗产品和疫苗生产等。贴壁培养的不足之处就是不能有效监测细胞生长,操作比较繁琐,需要合适的贴附材料以及足够的贴附面积,传质和传氧差,培养条件不均一等等,这些因素使其放大培养受到限制,因而在实际生产中培养规模较小。

2.3 WAVE bioreactor 细胞发酵工艺

WAVE bioreactor细胞发酵工艺是采用具有创新概念的一次性使用的 WAVE 波浪袋作为细胞发酵容器,用于替代传统的不锈钢发酵罐,其特点在于采用了一次性使用的技术和材料,从而消除了日常清洗、消毒以及验证的需要,大大降低了传统罐 的常见污染和交叉污染,同时也大幅度减少了企业在细胞培养、培养基制备、缓冲液溶解、生物制品解冻等环节的固定资产和操作成本投资。其次,WAVE bioreactor 细胞发酵系统安装方便,可快速投入工作进行动物细胞产品的规模化制备,极大地缩短了生物技术产品投放至市场的时间,因而特别适用于临床用量较小的治疗性产品与诊断制剂的规模化制备。目前,世界各地有数百台该系统已经投入使用,最大规模可达500L,最高细胞密度达 6 × 107 cells/ml,广泛适用于各种类型的动物细胞发酵,包括CHO、NSO、HEK293、杂交瘤、T细胞和初级人类细胞等。

2.4 动物细胞规模化瞬时表达系统

随着人类基因组计划的完成,当前的热点是如何快速、高效地解析基因的功能; 而对于生物技术企业而言,当务之急是如何找到并同时尽快获得具有治疗价值的创新药靶来进行有效性和安全性评价。瞬时表达系统为具有治疗价值的创新药靶筛选与评价提供了一种大规模蛋白表达的方式,包括前期 DNA 制备、细 胞扩增、聚乙烯亚胺(polyethyleneimine,PEI)介 导的基因转染和在不到 1个月时间即可获得大规模重组蛋白用于实验室研究和临床前产品研究,以及 应急状态下的产品需求等等。