生化反应器-第五章-动植物细胞培养动力学讲解学习.ppt

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1、生化反应器-第五章-动植物细胞培养动力学5．1．1动物细胞培养的特性由于动物细胞体外培养具有明显的表达产物的优点，为传统微生物发酵所无法取代，因此，生物技术中许多有价值的生物制品，需要借助于动物细胞培养而获得，这种需求极大地促进了动物细胞培养技术的发展。早在1907年，美国的Harrison在世界上首次将蛙的神经组织在试管内培养成功，建立起动物组织体外培养的第一块基石。1950年前后，Enders及其同事发表了第一篇关于在培养细胞中生长病毒的报告，开拓了以动物病毒为研究对象的新领域。当时人们已知道在细胞培养物中存在一些有特殊功能的蛋白质，如干扰素、抗生素、疫苗等，但是由于动

2、物细胞的营养要求复杂，培养要求严格，长期以来未能利用细胞培养来进行有经济价值的物质的生产。作为大规模细胞培养，Copsik等成功地进行了有关仓鼠肾细胞(BHK)的悬浮培养。随后，细胞培养的原理与方法日臻完善。采用在培养液中添加人工合成的小球状惰性聚合体载体，大幅度提高了细胞的产量，并在10000L发酵罐内成功地进行深层培养。随着基因工程技术的发展，人们逐渐认识到有许多基因产物不能在原核细胞内表达，它们需要经过真核细胞所特有的翻译后修饰，以及正确的切割、折叠后，才能形成与自然分子一样的功能和抗原性，使得动物细胞一跃成为一种重要的宿主细胞，用以生成多种生物制品，如病毒疫苗、淋巴

3、因子(如r干扰素等)、单克隆体、红细胞生成素、纤维蛋白溶酶原激活剂、第八因子、肿瘤坏死因子、上皮生长因子和过氧化物歧化酶等。采用大规模细胞培养技术生产贵重药品在临床诊断、治疗和预防等方面都有重要意义。动物细胞培养与微生物培养对比有许多不同点(表5—1)。主要是动物细胞无细胞壁，机械强度低，适应环境能力差；生长速度缓慢，易受微生物污染，培养时需要抗生素，且大多数哺乳动物的细胞需附着在固体或半固体的表面才能生长；对营养要求严格；大规模培养时，不可简单地套用微生物培养的经验等。大规模细胞培养的主要危险之一是微生物污染。设备、培养基、悬浮系统和操作方法等的复杂性都易引起微生物污染，

4、这是细胞培养都存在的一个普遍问题，在大规模培养中更为严重。动物细胞生长十分缓慢，并易被大多数微生物污染物所破坏。支原体(mycoplasma)对动物细胞培养的威胁最大，因为其感染力强且不易检出。因此，大规模细胞培养成功的必要条件是要有一个设备精良的细胞库(cellbank)。在细胞库中的冷冻细胞不受污染。由于动物细胞无细胞壁，因此人们一般认为细胞的脆性是导致培养控制(如溶氧)复杂化的关键。然而，选择坚韧的细胞，就不存在上述问题。经仔细设计的培养装置可使细胞悬浮液很好混合，在向培养基内流加基质和输送气体时也不会损坏细胞。动物细胞培养基的配方十分复杂，并且还需补充血清和蛋白胨。

5、原料的质量控制和培养基的生产是大规模细胞培养的主要问题。因为血清来源困难，质量不稳定，残留血清给产物提纯带来困难等，所以，常采用无血清培养基。但是，在无血清培养基中更可能出现细胞毒(与水中的微量元素或有机污染有关)。因此，与培养物相接触的水必须采用高纯度的水。高纯度水的腐蚀性很强，并且有从金属物沥出元素的能力，所以，凡是与纯水接触的不锈钢容器和管道的表面都必须进行适当处理。培养基一般需经膜过滤器过滤。常用的膜过滤器可保证其无菌状态，甚至支原体也可被0．1um的过滤膜滤出。目前，利用动物细胞培养的方法生产的有用产品大致可分为4大类：①疫苗；②干扰素；③单克隆抗体；④遗传重组产

6、品。总之，动物细胞培养过程的特征是：(1)生长速率慢，易被微生物污染，但可采用在培养基中加入抗生素等措施来解决。(2)细胞个体大且无壁，对环境敏感，因此应慎重解决供氧(搅拌与通风)与细胞脆弱的矛盾。(3)设备放大是一新课题，不能完全按照微生物反应过程的经验。(4)反应过程成本高，主要用于高附加值产物的生产。5．1.2植物细胞培养的特性有关植物细胞培养的基础研究很多，而工业规模应用却较少。早在1902年，出生于奥地利的德国植物学家巳Haberlandt就预言植物细胞培养的可能性。1937年前后，法国和美国科学家分别成功地进行了胡萝卜和烟草的组织培养。随后，人们认识到生长素等植

7、物激素在组织培养中的作用。1966年Klein指出，能利用植物细胞培养物代替栽培植株来生产生化制品。近40年来，植物细胞培养研究成功的例子已有不少，如用紫草悬浮培养物生产紫草宁，烟草细胞的大量培养等。与微生物相比，植物细胞具有这样一些特性(表4—1)：①细胞个大，并且细胞壁是以纤维素为主要成分，耐拉不耐扭，因此，抗剪切能力低。②与动物细胞培养类同，生长速率慢，为防止培养过程中染菌，需加抗生素。③细胞培养需氧，而培养液黏度大，且不能强力通风搅拌。④产物在细胞内且产量低。⑤培养的植物细胞常生长成各种大小的团块(从几个细