动植物细胞大量培养

[拼音]：dongzhiwu xibao daliang peiyang

[外文]：large scale cultivation of animal and plant cells

为借助动植物细胞来生产生物化工产品，是将离体的动植物细胞进行大量培养的生物反应过程。由于工业上大量培养微生物的发酵过程已是成熟的技术，所以动植物细胞大量培养方法的进步，借鉴了微生物学技术，并考虑到动植物细胞的特点，使该技术日趋完善。目前，人们将这一技术领域称为现代生物技术的重要组成部分之一。

动物细胞大量培养

自1950年前后，开发体外培养动物细胞以来，很多类型动物细胞，包括正常的和肿瘤的都能在各种单层培养系统中生长。早期大量培养动物细胞，是为了扩大病毒肿瘤研究领域的需要，后来随医疗、免疫和细胞生物化工制品的发展，动物细胞需要量愈来愈多，诸如生产病毒疫苗、干扰素、激素、免疫试剂(见临床化学试剂)等产品需要大量培养动物细胞。由于生产需要，推动了动物细胞大量培养的新工艺、新技术向大规模、自动化和精巧化方向发展。

大量培养动物细胞用于制备医药上有重要用途的蛋白质，主要过程（图1）是：

先将组织(1)切成碎片(2)，并用溶解蛋白质的酶处理(3)，从而得到单个细胞。细胞用离心法收集(4)后，植入营养培养基。细胞在培养基上增殖，直到覆盖其表面(5)，用酶把细胞从瓶中释出，再植入若干培养瓶以扩大培养(6)，所得细胞可冷藏于液氮 (7)中长期保存。需要时取出一部分解冷开始复活培养(8)，将得到的足够细胞(9)植入大规模培养罐(10)。所产生的蛋白质可用几种方式收获（图1a、b、c）：

（1）直接收获培养细胞来分离和纯化制得产品，如肿瘤细胞的表面抗原作为产物。

（2）如果所需的产物是培养细胞分泌至培养液中的物质，可将培养液不断从细胞培养罐中输出并加以分离纯化即得到产品，如单克隆抗体。

（3）培养的细胞通过诱生剂的作用，诱发细胞产生所需的产品，如用仙台病毒或新城鸡瘟病毒为诱生剂诱发人白细胞产生人白细胞干扰素。

培养条件

对营养和环境的要求与微生物培养不同（表1）主要是：

（1）营养条件　动物细胞的培养一般需要氨基酸、维生素、盐类、葡萄糖（有时加半乳糖）、血清。血清能提供细胞生长所必需的微量元素和生长因子。由于血清来源受到限制，质量不稳定，现在正在研究开发血清替代物和无血清培养基。

（2）环境条件　与微生物相比，动物细胞培养对环境条件的要求较苛刻，监测和调节的难度较高。培养基的pH对细胞附着、生长和分布都很敏感，一般控制在±0.05。温度一般要求控制在＜±0.25℃。有时为了达到良好的换热目的，培养罐采用锥形结构。通气方法可采用插入培养基中的硅橡胶管，靠扩散作用来完成氧的传递，或将气体通入装在培养基液面上空的分布器内，氧通过扩散和表面卷吸进入培养基内。

培养方法

大量培养动物细胞的方法可分为两种：

（1）悬浮培养，淋巴细胞和肿瘤细胞等能在液体培养基中悬浮生长。悬浮培养系统，工业放大容易，成本低，不易受污染，可在带螺旋桨或平桨搅拌的通用发酵罐中进行。

（2）大多数动物细胞需要附着在一定的固定表面上才能增殖，因此称单层培养。单层培养的突出问题是提供细胞生长所需的表面积。迄今为止应用最广泛的是滚瓶法（图2），

滚瓶是平放的玻璃瓶，内盛培养基，细胞在其内壁上附着生长，随着瓶子滚动细胞间歇地接触空气和培养基。此外，最有效地提供比表面积（表面积／培养基体积）的是微珠法。微珠的直径为40～250μm，当1mg微珠悬浮在1ml培养基上时，能提供的表面积大于5cm²。另一种能提供较大的比表面积的载体为中空纤维，一般结构是把纤维管束装置在圆筒内，培养基一般在管间流动，细胞在管内外壁表面上生长，气体可通过中空纤维管扩散至培养基中。

细胞收获

用单层培养方法培养的细胞从附着的载体上剥离下来，常用胰蛋白酶消化，或用螯合剂螯合细胞使细胞脱离载体，或用刮、擦、拉等机械力使细胞从载体上脱落的方法。以上几种方法可以结合使用。

安全问题

特别是培养病毒细胞或生产病毒疫苗，更要加倍注意安全。在设计时必须考虑对操作人员生物和物理上的安全防范设备和考虑生产厂房内外环境的安全防范设施。

植物细胞大量培养

早在20世纪30年代，已有可能将某些植物体中分离出来的细胞在人工培养条件下长期地保持其生命力。这种培养需要有植物激素的存在，才能促使细胞以非组织形式繁殖，形成大量无定形的细胞物质。但不久就出现了采用固定的化学成分培养基的快速培养技术。细胞培养在植物育种方面有重要作用，植物细胞培养的代谢产物可成为生物化工产品的重要组成部分。目前，用大规模发酵的方法来生产人参皂苷、紫草宁等自然药物以及烟草代用品已取得突破。

工艺流程

在植物细胞大量培养的典型流程(图3)中，为了获得初代培养植物材料的组织片块，应在无菌条件下，切出其内部组织薄片，并移植于合适的培养基。组织的细胞便恢复其分裂机能，通过反复分裂终于形成无定形的细胞群，即愈伤组织。将愈伤组织或其他易分散的组织置于液体培养基中，进行振荡培养，使组织分散成游离的悬浮细胞，通过继代培养使细胞增殖，获得大量的细胞群体。小规模的悬浮培养在培养瓶中进行；大规模者可利用发酵罐。

可以把一系列长期在工业微生物学中使用的操作技术，诸如菌种的突变和选育、过程开发等用于某些植物细胞的培养。用细胞融合技术能克服植物远缘种间不亲和性，扩大遗传重组范围，增加变异，使植物细胞培养进入了一个新的发展阶段。

特点

与微生物细胞培养相比，植物细胞培养有以下特点：

（1）培养基成分除碳水化合物、无机盐等基本组分以外，还要求有植物生长激素；

（2）植物细胞的培增时间较长，一般超过24h，约是微生物的20倍；

（3）植物细胞高密度培养才能达到经济生产，因而带来培养液高的表观粘度和细胞对剪切应力敏感的问题；

（4）植物细胞培养具有形成组织甚至整体植株的潜力。

植物细胞大量培养的工业应用，须考虑以下条件:细胞生长及生物合成的速度要高到足以在短时间内得到较高产量的最终产物；培养的细胞在遗传上应是稳定的以得到恒定的产物；代谢产物在细胞中累积而不迅速分解，代谢产物宜释放到液体培养基中；包括培养基、前体和化学提取的生产费用要低得足以给生产带来利润。

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