灌流工艺开发用于培养基.pdfVIP

在灌流操作中，除了对反应器环境，即进、出液流速，的可靠控制外，在极高的细胞密度条

件下，还会出现多种工程，如搅拌、通气、pH控制以及细胞，其它的一些主要限

制因素还包括所生产分子的特性，其又包括蛋白质的最大可允许滞留时间（其会限制反应器

体积和灌流速率之间的比例）、最大的收获速率（受细胞截留设备的限制）、最高的细胞密

度（受包括氧气供应等因素的限制）以及最低CSPR（受培养基配方及其维持细胞存活的能

力的限制）。

用于灌流的培养基

灌流流速是工艺性能的关键参数，其通常定义为灌流速率（每日罐体积，vvd-1）或细胞特

异性灌流速率（CSPR，nL·cell-1·day-1）。一般情况下，为使培养基消耗最小化，目标

是在与给定VCD值的稳态反应器操作相容的最低值下进行灌流操作，亦即CSPR最小化。

Konstantinov等介绍了一种“push-to-low”（推向更低）的策略，来评估用于某一灌流工艺

的培养基的性能。他们的方法是先建立稳态状态，然后逐步降低CSPR，直到VCD或活性

不可维持，从而确定最低值-CSPRmin。降低CSPR可通过降低培养基进液流速或提高生物

质设定值来进行。为避免高细胞密度可导致的问题，如氧限制或细胞截留设备污染，建议在

一个恒定且可维持的VCD条件下，降低培养基流速。

一旦知道理想的CSPR值后，灌流速率可根据细胞密度或生物质进行控制。已有科研人

员将这种策略应用于N-1灌流生物反应器和浓缩补料分批工艺。虽然较高的灌流速率（如

＞2vvd）确实可以支持极高的细胞浓度，但这通常不是便”的方法，因为所需的培

养基体积使其有点“不切实际”。过高的灌流速率可能可用于快速提高生物质，如细胞库冻

存或N-1灌流，但从经济性以及操作角度考虑，不建议用于生产阶段灌流生物反应器的长

期维持。

为了降低高细胞密度工艺的培养基消耗，有必要对培养基成分进行优化调节。事实上，浓缩

培养基可用于显著降低CSPRmin。从原理上讲，如果假定增加的营养物浓度以及降低的代

谢物清除速率不会影响细胞代谢，特别是其产率，则如培养基浓缩2倍，维持相同的VCD

时，灌流速率可降低2倍。Yang等将该策略用于浓缩补料分批和N-1灌流。对于浓缩补料

分批，两倍浓缩的培养基的结果并不理想。最高细胞密度高于其它补液策略，但是细胞没有

从“生长”转变为“生产”。而将两倍浓缩的培养基用于N-1灌流生物反应器则更加成功：

由于增加的培养基浓度有利于细胞生长，尽管CSPR降低，生长速率仍提高。5天内达到目

标细胞密度（40x10^6cells/mL），而使用其它策略需要6天或更长时间。当然，培养基浓度

与细胞生长速率之间的关系与细胞系的特性有关，代谢和细胞信号可在某一种环境设置

下更快地驱动细胞生长。所以，了解不同细胞系的特性行为尤为重要，以便在进行培养基优

化前，先确定哪种行为与灌流更加相关。

自生物生产出现以来，培养基开发就一直是细胞培养工艺开发和优化的最重要方面，给予其

高度的优先级别不仅仅是出于工艺性能本身的考量，更重要的是出于安全性。第一款细

胞培养基使用动物源性产品，这会将患者于多种，例如和朊。患

者的性风险是非常重要的考量因素，特别是慢性疾病，因为患者需要连续用药。此外，

由于批间差易所导致的工艺不一致性也是减少动物、甚至植物源性培养基成分的一个驱动

力。这不是一项小工作，直到今天，仍有巨大的工作量被投入到化学限定培养基中新成分的

鉴定，以增强细胞生长。

例如，酵母裂解物最近被分离和鉴定。生长因子，如多胺，被鉴定认为对细胞培养有积极作

用。基于这些发现，酵母添加物可用已鉴定的化合物替代，并确保获得相似的细胞培养性能。

化学限定培养现在已经有商业化的产品，而且，大多数的大型生物制药公司都会开发自己的

配方。该领域的发展还在继续。例如，高度浓缩的补液培养基非具有不小，因为某些化

合物的特性会有溶解性或稳定性的限制，工业补料分批平台中的半胱氨酸和酪氨酸就是

一个很好的例子。半胱氨酸在中性pH条件下不稳定，而酪氨酸的溶解性极低。所以，鉴定