微载体生物反应器的应用

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   微载体生物反应器是一种用于大批量培养哺乳动物细胞的生物反应器，它即可以满足培养依赖贴壁和非贴壁的哺乳动物细胞，还满足于多管阵列的生物反应器系统的所需条件。
    近年来，创造生物活性分子（包括单克隆抗体）的新技术创造了一个蓬勃发展的生物技术产业。目前将基因导入细胞这项技术的发展也相对区域成熟，大规模生产生物细胞的生物反应器也是层出不穷。常见的类型主要可分为微生物发酵培养系统和细胞培养系统。微生物发酵系统通常很少用于规模化生产当前所需的生物分子，这主要是因为细菌产生的蛋白质不同于哺乳动物细胞的蛋白质。因此，哺乳动物细胞生长正在成为医药产品生产中一个非常重要的领域。90年代初，在生物反应器领域中，氧转移不足成为哺乳动物细胞生长的生物反应器的所面临的主要问题。
例如，单克隆抗体的体内生产涉及用产生抗体的杂交瘤细胞对小鼠进行腹膜内接种，然后收集富含抗体的腹水。然而，一只小鼠通常需要长达 8 周的时间才能产生 40-200 毫克的抗体，而且回收的抗体被小鼠蛋白质污染，当注射到人体中时会导致血清病。此外，老鼠的维护成本很高，而且生产成本不会随着规模的扩大而降低。此外，不能在小鼠中培养人单克隆抗体。
鉴于上述缺点，通常使用分批或连续系统的体外培养技术来进行细胞的大批量成产。然而，体外细胞密度通常不超过1×10 7 个细胞/ml，所得产物浓度也较低（0.01-0.1 mg/ml vs. 1-10 mg/ml 体内）。


     分批培养涉及在一批培养基中生长，而不是尝试从细胞中连续分离培养基和产品。分批培养系统的一个主要问题是氧气转移不良。哺乳动物细胞需氧量介于 0.053 毫摩尔 O 2 /L-hr-10 6细胞/毫升至 0.59 毫摩尔 O 2 /L-hr-10 6 之间细胞/毫升。与微生物发酵不同的是，由于哺乳动物细胞缺乏刚性细胞壁并且通常无法承受由此产生的剪切力，因此无法迫使氧气气泡通过反应器。后来改善了细胞充气的方法，例如使用气升对流力和限制叶轮技术。然而，这些方法只能减少对细胞的剪切力和物理创伤，并不能消除这些问题。尽管如此，细胞产量仍然受到氧浓度的限制。这种培养方式的另一个重要的问题是消除废物的问题。离心可用于去除旧培养基，但这会增加污染的可能性，也会导致大量细胞损伤。
还有一种规模化细胞培养方式是将细胞封装在海藻酸盐凝胶或海藻酸盐凝胶中，并被具有可控孔的半透聚合物膜包围，这是培养哺乳动物细胞的另一种方法。在前一种程序中，细胞蛋白质进入培养基，而在后一种方法中，产品被困在珠子中，然后必须破裂以释放产品。虽然这可以产生高浓度的抗体，但这两种方法都是有限的，因为细胞最终会破坏珠子并受到所有批处理过程的限制。
     连续培养包括在连续的基础上从培养基中分离细胞。几种方法包括恒化器细胞保留和细胞保护系统（例如，中空纤维、陶瓷盒）。与分批培养相比，连续培养的主要优点是能够控制关键培养基成分的浓度；在毒性积累发生之前清除废物的能力；将细胞培养物保持在其生长状态更长时间的能力；以及重复使用培养基和昂贵的生长因子、血清和其他添加剂的能力。
     细胞滞留生产受益于培养基的连续流动，通过去除生长抑制剂和为细胞提供新鲜的营养来源，导致更高的细胞密度和产品产量。许多细胞滞留系统利用微载体来培养贴壁依赖性细胞。微载体的包括中空玻璃微球和带电或胶原包被的微球。这些微载体除了能够提供大的附着表面外，还可以促进悬浮和分离。
     在该领域还有另一种细胞培养方法：中空纤维反应器系统，它是通过中空毛细管灌注培养基，使细胞暴露于更自然的环境中。细胞可以由恒定流量的新鲜培养基和气体支持，并且可以直接去除产物。这种方法的一个缺点在于细胞在毛细管周围和之间生长并最终破坏纤维，因此，该反应器系统不能长时间运行，并且难以去除培养细胞。
中空纤维反应器的另一个严重缺点是有害的代谢和营养梯度沿着毛细管的长度沿轴向和径向发展，因为需要介质非常缓慢地流过具有窄内径的管。受溶解度限制的氧气和二氧化碳张力相对集中于在管的两端。另外，由于培养基缓慢流动，营养物的分布容易受中空纤维反应器中的扩散影响而导致营养不均衡。

      近些年，技术革新后的微载体培养生物反应器结合了全自动微电脑控氧系统有效解决了氧转移不足等棘手问题，成为规模化悬浮细胞培养、哺乳动物细胞培养的主流实验设备。
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