生化反應(yīng)器 第五章 動植物細(xì)胞培養(yǎng)動力學(xué)

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1、第五章動植物細(xì)胞培養(yǎng)動力學(xué)5．1動植物細(xì)胞培養(yǎng)的特性動植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是一項將動植物組織、器官或細(xì)胞在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基中進(jìn)行離體培養(yǎng)的技術(shù)。組織是指由結(jié)構(gòu)和功能相似的細(xì)胞和細(xì)胞間質(zhì)組成，具有一定形態(tài)和生理功能的聚集體。器官是指機(jī)體中具有特殊結(jié)構(gòu)和完成特殊功能的分化部分。組織與器官的培養(yǎng)是指在人工條件下，使它們得以繼續(xù)生存或發(fā)展的一種培養(yǎng)方法。根據(jù)培養(yǎng)對象的不同，細(xì)胞培養(yǎng)分為動物細(xì)胞培養(yǎng)與植物細(xì)胞培養(yǎng)兩類，下面介紹這兩類細(xì)胞培養(yǎng)的基本特征。5．1．1動物細(xì)胞培養(yǎng)的特性由于動物細(xì)胞體外培養(yǎng)具有明顯的表達(dá)產(chǎn)物的優(yōu)點，為傳統(tǒng)微生物發(fā)酵所無法取代，因此，生物技術(shù)中許多有價值的生物制品，需要

2、借助于動物細(xì)胞培養(yǎng)而獲得，這種需求極大地促進(jìn)了動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展。早在1907年，美國的Harrison在世界上首次將蛙的神經(jīng)組織在試管內(nèi)培養(yǎng)成功，建立起動物組織體外培養(yǎng)的第一塊基石。1950年前后，Enders及其同事發(fā)表了第一篇關(guān)于在培養(yǎng)細(xì)胞中生長病毒的報告，開拓了以動物病毒為研究對象的新領(lǐng)域。當(dāng)時人們已知道在細(xì)胞培養(yǎng)物中存在一些有特殊功能的蛋白質(zhì)，如干擾素、抗生素、疫苗等，但是由于動物細(xì)胞的營養(yǎng)要求復(fù)雜，培養(yǎng)要求嚴(yán)格，長期以來未能利用細(xì)胞培養(yǎng)來進(jìn)行有經(jīng)濟(jì)價值的物質(zhì)的生產(chǎn)。作為大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)，Copsik等成功地進(jìn)行了有關(guān)倉鼠腎細(xì)胞(BHK)的懸浮培養(yǎng)。隨后，細(xì)胞培養(yǎng)的原

3、理與方法日臻完善。采用在培養(yǎng)液中添加人工合成的小球狀惰性聚合體載體，大幅度提高了細(xì)胞的產(chǎn)量，并在10000L發(fā)酵罐內(nèi)成功地進(jìn)行深層培養(yǎng)。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到有許多基因產(chǎn)物不能在原核細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，它們需要經(jīng)過真核細(xì)胞所特有的翻譯后修飾，以及正確的切割、折疊后，才能形成與自然分子一樣的功能和抗原性，使得動物細(xì)胞一躍成為一種重要的宿主細(xì)胞，用以生成多種生物制品，如病毒疫苗、淋巴因子(如r干擾素等)、單克隆體、紅細(xì)胞生成素、纖維蛋白溶酶原激活劑、第八因子、腫瘤壞死因子、上皮生長因子和過氧化物歧化酶等。采用大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)貴重藥品在臨床診斷、治療和預(yù)防等方面都有重要意

4、義。動物細(xì)胞培養(yǎng)與微生物培養(yǎng)對比有許多不同點(表5—1)。主要是動物細(xì)胞無細(xì)胞壁，機(jī)械強(qiáng)度低，適應(yīng)環(huán)境能力差；生長速度緩慢，易受微生物污染，培養(yǎng)時需要抗生素，且大多數(shù)哺乳動物的細(xì)胞需附著在固體或半固體的表面才能生長；對營養(yǎng)要求嚴(yán)格；大規(guī)模培養(yǎng)時，不可簡單地套用微生物培養(yǎng)的經(jīng)驗等。大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)的主要危險之一是微生物污染。設(shè)備、培養(yǎng)基、懸浮系統(tǒng)和操作方法等的復(fù)雜性都易引起微生物污染，這是細(xì)胞培養(yǎng)都存在的一個普遍問題，在大規(guī)模培養(yǎng)中更為嚴(yán)重。動物細(xì)胞生長十分緩慢，并易被大多數(shù)微生物污染物所破壞。支原體(mycoplasma)對動物細(xì)胞培養(yǎng)的威脅最大，因為其感染力強(qiáng)且不易檢出。因此，大

5、規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)成功的必要條件是要有一個設(shè)備精良的細(xì)胞庫(cellbank)。在細(xì)胞庫中的冷凍細(xì)胞不受污染。由于動物細(xì)胞無細(xì)胞壁，因此人們一般認(rèn)為細(xì)胞的脆性是導(dǎo)致培養(yǎng)控制(如溶氧)復(fù)雜化的關(guān)鍵。然而，選擇堅韌的細(xì)胞，就不存在上述問題。經(jīng)仔細(xì)設(shè)計的培養(yǎng)裝置可使細(xì)胞懸浮液很好混合，在向培養(yǎng)基內(nèi)流加基質(zhì)和輸送氣體時也不會損壞細(xì)胞。動物細(xì)胞培養(yǎng)基的配方十分復(fù)雜，并且還需補(bǔ)充血清和蛋白胨。原料的質(zhì)量控制和培養(yǎng)基的生產(chǎn)是大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)的主要問題。因為血清來源困難，質(zhì)量不穩(wěn)定，殘留血清給產(chǎn)物提純帶來困難等，所以，常采用無血清培養(yǎng)基。但是，在無血清培養(yǎng)基中更可能出現(xiàn)細(xì)胞毒(與水中的微量元素或有機(jī)污染

6、有關(guān))。因此，與培養(yǎng)物相接觸的水必須采用高純度的水。高純度水的腐蝕性很強(qiáng)，并且有從金屬物瀝出元素的能力，所以，凡是與純水接觸的不銹鋼容器和管道的表面都必須進(jìn)行適當(dāng)處理。培養(yǎng)基一般需經(jīng)膜過濾器過濾。常用的膜過濾器可保證其無菌狀態(tài)，甚至支原體也可被0．1um的過濾膜濾出。目前，利用動物細(xì)胞培養(yǎng)的方法生產(chǎn)的有用產(chǎn)品大致可分為4大類：①疫苗；②干擾素；③單克隆抗體；④遺傳重組產(chǎn)品?？傊?，動物細(xì)胞培養(yǎng)過程的特征是：(1)生長速率慢，易被微生物污染，但可采用在培養(yǎng)基中加入抗生素等措施來解決。(2)細(xì)胞個體大且無壁，對環(huán)境敏感，因此應(yīng)慎重解決供氧(攪拌與通風(fēng))與細(xì)胞脆弱的矛盾。(3)設(shè)備放大是

7、一新課題，不能完全按照微生物反應(yīng)過程的經(jīng)驗。(4)反應(yīng)過程成本高，主要用于高附加值產(chǎn)物的生產(chǎn)。5．1.2植物細(xì)胞培養(yǎng)的特性有關(guān)植物細(xì)胞培養(yǎng)的基礎(chǔ)研究很多，而工業(yè)規(guī)模應(yīng)用卻較少。早在1902年，出生于奧地利的德國植物學(xué)家巳Haberlandt就預(yù)言植物細(xì)胞培養(yǎng)的可能性。1937年前后，法國和美國科學(xué)家分別成功地進(jìn)行了胡蘿卜和煙草的組織培養(yǎng)。隨后，人們認(rèn)識到生長素等植物激素在組織培養(yǎng)中的作用。1966年Klein指出，能利用植物細(xì)胞培養(yǎng)物代替栽培植株來生產(chǎn)生化制品。近40年來，植物細(xì)