细胞培养液中乳酸、谷氨酰胺、葡萄糖等成分检测方案(细胞反应器)

生物传感器分析仪在细胞培养中的应用   李玲：葡萄糖和谷氨酞胺代谢优化的无血清悬浮流加培养及过程中多参数联合控制吴嘉琪：动物细胞悬浮培养流场动力与测控技术研究动物细胞是工业化生物技术药物生产的主要宿主细胞,其表达生产的产品最接近天然蛋白质,具有一定的生物学活性。在全世界生物技术药物中,使用动物细胞生产的已超过70%。但由于体外培养中动物细胞生物学特性的改变,相关产品结构的复杂性、一致性以及产品质量的要求,面临重组药用蛋白需求的不断增长和哺乳动物细胞培养规模的不断扩大,对动物细胞培养过程的诸多不足进行优化是鱼待解决的问题。为了得到品质优良、性能高效的动物细胞及其产物，需要对其培养过程进行连续不间断的监测，并对在培养过程中出现的各种可能的问题加以控制和解决。而动物细胞培养过程是时变、非线性、强耦合的复杂生化过程，同时离线测量生化参数耗时长，难以及时控制细胞培养过程，这给实时检测培养过程中的重要生化参数带来巨大困难，因此生物传感器技术作为动物细胞培养过程关键生化参数检测不可或缺的手段，能有效克服这一不足。动物细胞培养即动物细胞体外培养，即从动物机体中取出相关组织并分散成单个细胞，然后放在适宜的培养基中生长和增值。从最初的转瓶、摇瓶培养方式发展至今，动物细胞培养方式种有多种选择，在实际工业生产运用中，根据细胞是否贴壁可大致分为三类培养方式：贴壁培养方式、悬浮培养方式和贴壁-悬浮培养方式。目前,世界众多研究领域集中在改变修饰细胞遗传特性;进行细胞代谢调控、优化培养环境、提高单位细胞的生产率;提高细胞产品产量并保证其质量和一致性;去除培养基中动物源性成分、使大规模生产中的污染最小化等方面。具体而言,动物细胞的培养方式也己从过去的贴壁式转变为悬浮式;培养介质从含动物血清培养基发展到无血清培养基;动物细胞培养技术的发展理念从单纯追求目标产品高产量提升为同时注重产品产量和质量的提高。在美国FDA BLAs批准公开的产品工艺中,多采用机械搅拌式细胞发酵罐系统,进行无血清高密度批式或流加培养杂交瘤、CHO、SP2/0及NSO等工程细胞而获得重组蛋白产品。据统计,重组蛋白和抗体药物的生产至少70%采用了搅拌式生物反应器悬浮培养形式,50%以上采用了无血清培养基。 我国近年来在工程细胞高效表达系统的改建、细胞培养反应器系统的设计与放大、细胞培养过程控制、无血清培养基开发等方面的发展很快并取得重要的进展。下面对细胞培养过程参数进行概述一、动物细胞培养参数检测研究现状动物细胞培养过程的控制优化是维系生产目标实现的关键手段，只有在线实时的对物理参数的变化、细胞代谢、营养产物的生成、目标产物浓度的变化进行监控和分析，才能有效地进培养过程的控制，达到动物细胞长期培养和动物细胞产品优质、高效生产的目的。一般的生物过程参数分为物理参数、物理化学参数、化学参数和生物学参数。化学参数有：底物浓度、中间代谢产物浓度和产物浓度等，生物学参数有：活细胞浓度、氧吸收速率(Oxygen Uptake Rate, OUR)、二氧化碳释放速率(Carbon Dioxide Excretion Rate, CER)、呼吸熵(Respiratory Quotient, RQ)等二、动物细胞体外培养过程中的代谢调控研究   葡萄糖和谷氨酞胺是动物细胞培养基的主要营养成分,这两种物质分别代谢产生副产物乳酸和氨,产生细胞生长抑制作用(图1）。因此如能深入了解这两种物质在细胞内的代谢途径,则可能采用恰当的培养方式,使之能够促进细胞快速生长和合成产物,同时减少代谢抑制物的生成。   快速消耗葡萄糖并大量产生乳酸是体外培养细胞的一个特点。杂交瘤细胞产生的乳酸对葡萄糖的得率系数为1.5以上,表明大量葡萄糖用于糖酵解。葡萄糖酵解后得到的丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下转化为乳酸。另外谷氨酞胺进入三梭酸循环后形成的丙酮酸也可转变成乳酸,这部分乳酸约占总量的10%左右。乳酸对细胞生长的不良影响主要是改变培养环境的pH和渗透压。不同的细胞株耐受乳酸的能力也不同,大多数学者研究认为,只有当乳酸浓度大于29/L时才会对细胞生长产生不良影响,而对于某些细胞株,2.59/L的乳酸浓度甚至能刺激细胞生长。在重组CHO细胞培养中,乳酸浓度低于6.2g/L的范围内,其对细胞生长代谢及EPO表达影响的本质作用是渗透压的变化,乳酸分子本身并没有明显作用。谷氨酞胺是一种基本的氨基酸,为其它氨基酸、脂类、细胞内蛋白质、抗体和核酸的合成提供碳源和氮源。谷氨酞胺还可刺激抗体的转录后翻译过程。在许多细胞的培养过程中,均发现了细胞生长对谷氨酞胺有依赖性,如在杂交瘤细胞培养过程中,谷氨酞胺浓度为零时,细胞快速死亡。有一些细胞经过适应后,能在不含谷氨酞胺的培养基中生长,但细胞株之间的适应速率存在较大的差异。细胞生长是否依赖于谷氨酞胺的关键在于细胞是否含有内源的谷氨酞胺合成酶,即是否具有将谷氨酸转化生成谷氨酞胺的能力;另外,谷氨酸的运输速率及谷氨酞胺的生成速率限制是导致细胞在无谷氨酞胺培养基中生长速率减慢的主要原因。谷氨酞胺参与能量代谢时的脱氨反应和谷氨酞胺的自然降解导致氨的产生。多数人认为,当氨浓度大于4mmol/L时,可抑制细胞的生长,这一数据主要来自不同氨浓度条件下的细胞培养实验。但Martineell和Hgagsrtom认为细胞代谢过程中产生的氨比培养基中添加的氨对细胞毒性更大,即使氨浓度小于4mmol/L也可能对细胞生长产生明显的抑制作用。氨对细胞的毒性作用主要表现在以下方面:①干扰了正常的电化学梯度;②抑制酶反应(主要抑制了谷氨酸脱氢酶的活性,阻止谷氨酸转化为α一酮戊二酸);③改变细胞内pH,改变质子浓度梯度和细胞的内吞、胞吐作用;④增加了细胞的维持能消耗。⑤改变产物糖基化形式。三、培养基浓度优化策略  通过培养基的优化减少代谢副产物的积累主要有两种模式,一是降低葡萄糖和谷氨酞胺在培养基中的存在浓度,调节细胞葡萄糖和谷氨酞胺的代谢通量,从而降低乳酸和氨的累积,该方法广泛应用于杂交瘤细胞的流加培养,并取得较好的效果。Xie在杂交瘤细胞cRL一1606的培养中,将葡萄糖浓度控制在0.2mmolL/,乳酸对葡萄糖得率系数为0.067mmol/mmol,均低于正常培养过程中的乳酸对葡萄糖得率系数。另一是利用代谢缓慢的营养物代替葡萄糖和谷氨酞胺,如利用果糖、半乳糖等代替葡萄糖可明显的降低乳酸的生成,利用谷氨酸、Q一酮戊二酸代替谷氨酞胺明显减少了培养过程中氨的累积,但也应注意到营养物的替代具有细胞株的特异性,并且会在一定的程度上影响到细胞的生长速率。