动植物细胞培养动力学生物反应工程课件共讲

动植物细胞培养动力学生物反应工程课件共讲第1页，共31页，2023年，2月20日，星期三5.1动植物细胞培养的特性动植物细胞培养技术：是一项将动植物组织、器官或细胞在适当的培养基上进行无菌繁殖的技术。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。第2页，共31页，2023年，2月20日，星期三

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。作为大规模细胞培养，Copsik等人成功的进行了有关仓鼠肾细胞（BHK）的悬浮培养。随后，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10000升发酵罐内成功地进行深层培养。第3页，共31页，2023年，2月20日，星期三

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，例如病毒疫苗、淋巴因子（干抗素和白细胞介素等）、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。这些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。第4页，共31页，2023年，2月20日，星期三动物细胞无细胞壁，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；大多数哺乳动物需附着在固体或半固体的表面生长；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。动物细胞培养与微生物培养的不同点第5页，共31页，2023年，2月20日，星期三动植物细胞培养与微生物培养性能的相比项目哺乳动物细胞植物细胞微生物细胞大小[μm]悬浮生长营养要求倍增时间[h]细胞分化环境的敏感性细胞壁产物存在产物浓度（%）含水量产物种类10～100可以，多采用贴壁很复杂15～100有非常敏感无1～25胞内或胞外低～疫苗、激素、抗体、生长因子、免疫调节剂等10～100可以，但细胞易聚集复杂15～100有限分化敏感有20～30胞内低～90酶、生物碱、天然色素、有机化合物等1～10可以简单0.5～5无一般有100～1000胞内或胞外高～75发酵食品、抗生素、有机化合物、酶等第6页，共31页，2023年，2月20日，星期三

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，这是细胞培养都存在的一个普遍问题，在大规模培养更为严重。动物细胞生长十分缓慢，并易为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（cell

bank）。在细胞库中的冷冻细胞不受污染。第7页，共31页，2023年，2月20日，星期三

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。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。虽然可采用无血清培养基，但在无血清培养基中更可能出现细胞毒。因此，与培养物相接触的水必须采用高纯度的水。培养基一般需经膜过滤器过滤。可保证其无菌状态，但支原体也可被0.1μm的过滤膜滤出。第8页，共31页，2023年，2月20日，星期三

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）疫苗如狂犬病疫苗、麻疹疫苗和脊髓灰质炎疫苗等。（2）干抗素如α-干扰素和β-干扰素等。（3）单克隆抗体如抗绵羊红细胞单克隆抗体等。（4）遗传重组产品如人生长激素、免疫球蛋白等。第9页，共31页，2023年，2月20日，星期三（1）生长速率慢，易为微生物等污染，但可采用在培养基中加入抗生素等措施；（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。动物细胞培养过程的特征第10页，共31页，2023年，2月20日，星期三5.1.2植物细胞培养的特性1902年，德国植物学家G.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的进行了胡萝卜和烟草的组织培养。

1966年Klein指出，能利用植物细胞培养物代替收集或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等。第11页，共31页，2023年，2月20日，星期三

与微生物相比，植物细胞具有的特性细胞大，细胞壁以纤维素为主要成分，耐拉不耐扭，抗剪切能力低；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；细胞培养需氧，而培养液粘度大，且不能强力通风搅拌；产物在细胞内且产量低；细胞常生长成各种大小的团块，增加了悬浮培养的难度等。第12页，共31页，2023年，2月20日，星期三20世纪90年代以来，伴随着紫杉醇的研究成功并应用于临床，植物细胞培养及其次级代谢产物的研究进入了新的发展时期，尤其是诱导子、前体饲喂、两相法培养、质体转化、毛状亘和冠瘿瘤组织培养等新技术和新方法的发现和发展，更显示了植物细胞培养工程制药的广阔发展前景。另外，将固定化技术应用于植物细胞培养中的研究对有效的改善植物细胞培养中出现的不足有一定成效。可以认为，固定化技术是有可能在植物细胞培养中得以应用。第13页，共31页，2023年，2月20日，星期三5.2植物细胞培养及反应动力学5.2.1动植物细胞的生长模型一、碳源与生长模型微生物反应中，细胞的生长速率与限制性基质间的关系常用Monod方程来描述。同理，Monod方程也可以用于表达某些碳源与动植物细胞生长速率间的关系。例如，在植物细胞培养过程中，多以蔗糖为碳源，安田曾报道，烟草细胞在分批培养中，细胞的生长速率与蔗糖浓度的关系可利用Monod方程来表达，此时。第14页，共31页，2023年，2月20日，星期三

蔗糖为碳源时，植物细胞首先分解蔗糖为葡萄糖和果糖，而后优先利用葡萄糖。分别以果糖或葡萄糖为碳源分批培养烟草细胞时,前者有：后者为：第15页，共31页，2023年，2月20日，星期三

由于动植物细胞的培养过程是好氧过程，因此，许多科技工作者研究了与细胞呼吸速率相关的因素。例如，人参细胞培养中，添加椰子汁后细胞的生长速率加快，耗氧量较不添加椰子汁时明显增大。另外，也有报道，Acer．PsedoplatanusＬ细胞培养中，细胞体内的含氮量与耗氧量有正比例关系。二、呼吸与生长模型第16页，共31页，2023年，2月20日，星期三

加藤等所获得的烟草细胞分批培养的结果表明：当氧为细胞生长的限制性因素时，与Qo2有与上式相似的关系。说明植物细胞培养中氧的消耗，部分用于维持代谢，部分用于生长繁殖，所获得的

一般好氧微生物的比生长速率μ与菌体的维持常数m及氧的比消耗速率Qo2有如下关系：这可能是植物细胞培养过程中的重要特性。与一般微生物的m和Y值相比，m很小而Y较大。第17页，共31页，2023年，2月20日，星期三三、胞内物质与生长模型

微生物培养中，把细胞内RNA含量作为描述其生长速率的指标。且随微生物比生长速率的增加，RNA含量增大。在植物细胞的培养中也有类似的报道。吉田等在进行人参细胞培养中发现，在对数生长期，细胞的RNA含量显著增大。培养烟草细胞时，人们详细研究了细胞的比生长速率与细胞内RNA的关系，发现其与一般微生物相似，可以用一次方程表达。即：

综上所述，动植物细胞生长动力学的研究，在很大程度上是借鉴于微生物反应动力学理论。第18页，共31页，2023年，2月20日，星期三5.2.2植物细胞的培养一、植物细胞的培养操作培养方式：根据所处状态的不同，分为悬浮培养与固定化植物细胞培养法，根据操作方式的不同，又分为分批式、反复分批式和连续式培养3种。第19页，共31页，2023年，2月20日，星期三

植物细胞的分批培养与微生物的分批培养类同。由于操作简单，从实验室到大型罐广泛应用。分批培养中，植物细胞的生长曲线一般呈S型，可明显观察出诱导期、对数生长期、减速期、静止期和衰亡期。但是与细菌和酵母菌的培养相比，即使是生长速率快的烟草细胞，分批培养时间（一个周期）也要6天以上，生长缓慢。1、分批培养第20页，共31页，2023年，2月20日，星期三

生物种类μ(h-1)平均时代时间(h)

烟草0.032～0.0421.7～17.3

番茄0.014～0.02649.5～26.7

人参0.02133.0

酿酒酵母0.5～0.651.39～1.07

红曲霉0.1255.54植物与微生物细胞生长速率的比较第21页，共31页，2023年，2月20日，星期三

目前，无论在实验室还是在工厂中，大至20吨罐，广泛采用分批式操作。藤田开发的二步培养法是分批培养法的一种变形，同时使用两个反应器，第一个反应器主要是为大量培养细胞，第二个反应器是为增加目的产物的含量。分批培养中，在一定范围内增加底物浓度，可增加目的产物的产量，但浓度过高又会造成接种细胞的死亡。第22页，共31页，2023年，2月20日，星期三

若反应器内培养液体积为V，补加量为F′（等于取出量），则比值F′/V称为替换率D′。D′与连续培养中的稀释率D不同，其与培养液取出至加入完成期间的比生长速率μ′有如下关系：

在上式中，Xt和X0分别为时间t=t和t=0时的细胞浓度。硅地的实验结果表明，反复分批培养的生长速率D'X要大于分批培养时的生产速率。2、反复式分批培养第23页，共31页，2023年，2月20日，星期三

植物细胞的连续培养与微生物的连续培养相同，对于一单罐连续培养系统，与细胞生长相关的物料衡算式为：V——培养液体积X——细胞浓度

t——时间F——培养液的流加速率3、连续培养第24页，共31页，2023年，2月20日，星期三根据比生长速率和稀释率的定义，上式变形为：(5-7)

稳定状态下，μ=D，细胞生长速率为XD。畦地等人使用20吨罐，连续66天培养烟草细胞BY-2，细胞的生长速率XD=5.82g/(L·d)。一般连续培养的细胞产率高于分批培养的，但由于植物细胞生长速率慢，维持长时间的无菌状态是需要解决的基本技术问题。另外，单罐连续培养法并不能适应各种反应，因此，有必要开发一些新的方法。第25页，共31页，2023年，2月20日，星期三5.3、动物细胞培养及反应动力学5.3.1动物细胞培养方法

培养方法有两种类型：非贴壁依赖性细胞的培养：来源于血液、淋巴组织的细胞，许多肿瘤细胞（包括杂交瘤细胞）和某些转化细胞属于这一类型，其可采用类似微生物培养的方法进行悬浮培养。贴壁依赖性细胞的培养：大多数动物细胞，包括非淋巴组织的细胞和许多异倍体体系的细胞属于这一类型，它们需要附着于适量正电荷的固体或半固体的表面上生长。第26页，共31页，2023年，2月20日，星期三

能够进行悬浮培养的动物细胞是一类能无限繁殖的细胞，这样的细胞又称为确立细胞株。由于动物细胞对剪切力的敏感，丰富培养基容易形成过多泡沫，这都增加了反应器操作的难度。悬浮培养多采用分批式操作方法，其原理与植物细胞的类同。第27页，共31页，2023年，2月20日，星期三

另外，适用于动物细胞的还有一种连续式操作方法——灌流培养法。这种方法是把细胞置于某种封闭系统中，连续注入新鲜培养基的同时，连续等量排出用过的培养基，但不排出悬浮的细胞。采用这种方法后，从产物开始分泌时起，便可用快速纯化方法不断的从流出培养基中收集目的产物。虽然灌流培养系统具有如上优点，但也存在培养基消耗量比