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1、5 1 动植物细胞培养的特性5 2 植物细胞培养及反应动力学5 3 动物细胞培养及反应动力学 本章主要内容 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 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
2、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 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
3、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 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 动植物细胞培养与微生物培养性能的相比 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
4、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 cellbank 在细胞库中的冷冻细胞不受污染 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 1 m的过滤膜滤出 目前 利用动物细
5、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 干扰素和 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 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 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
6、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 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 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
7、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 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
8、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 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 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 Psedoplatanus 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 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
9、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 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 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
10、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 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 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 植物与微生物细胞生长
11、速率的比较 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 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 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
12、 2 反复式分批培养 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 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 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 5 3 动物细胞培养及反应动力学 5 3 1动物细胞
13、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 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 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
14、 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一般悬浮培养高几倍 工作过程复杂 培养物易受污染和培养细胞不稳定等缺点 灌流培养系统可分为3类 1 微小均质系统 如灌流悬浮细胞培养 微载体系统 2 巨大均质系统 如把细胞包埋在微小球或凝胶中 3 非均质系统 如边灌流边用过滤膜将细胞加以固定 上述灌流培养方法属于微小均质系统中的灌流悬浮细胞培养 大多数动物细胞需附着在固体或半固体表面生长 生长的细
15、胞最终扩展成一单层 所以这种贴壁依赖培养有时又称为单层培养 动物细胞能否在载体表面上附着生长以达到扩展成一单层的目的 取决于细胞的特性 载体的理化性质以及培养基成分 例如 琼脂糖熔融后的冷却速率慢 使凝胶缓慢生成 则琼脂糖形成双螺旋似纤维型结构 能支持细胞在其表面上附着生长 相反 冷却迅速的琼脂凝胶不能支持细胞在起表面上附着生长 从操作方式看 贴壁依赖性细胞的培养可采用分批 半连续和连续等多种方法 其原理与植物细胞培养的类同 从目前实用的角度看 主要采用中空纤维培养系统和微载体培养系统 其操作方式多采用灌流式操作 前者属于非均质灌流培养系统 而后者则属于微小均质的灌流培养系统 其反应系统的特点
16、请见反应器一章 动物细胞培养反应动力学同植物细胞反应动力学 不再叙述 1 简述动 植物细胞培养的特点与难点 并与微生物细胞培养相比较 2 植物细胞培养的基本技术包括哪几方面内容 3 影响植物次生代谢产物积累的因素有那些 4 试比较植物细胞培养中采用不同生物反应器系统的优缺点 5 生产用动物细胞的要求与获得方法 6 动物细胞培养的方法及要点 7 动物细胞生物反应器性能的比较 复习题 1 陈因良 陈志宏 细胞培养工学 上海 华东化工出版社 19922 桂耀林 马诚 植物组织培养 北京 科学出版社 19853 贾士儒 天津轻工业学院学报 No2 104 19894 焦瑞身等 细胞工程 第二版 北京 化学工业出版社 19945 李资平 生物化学工程基础 北京 中国化学工业出版社 19996 俞俊棠 唐孝宣 生物工艺学 上海 华东化工学院出版社 19927 日本発酵工学会 生物工程 日本東京 株式会社 19858 合葉修一等 発酵 最適計制御 日本東京 株式会社 19839 KatoA etal J Ferment Technol 58 373 198010 KatoA NagaiS Eurp
