2008CHO细胞无血清结团灌流培养:

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中国生物工程杂志 ChinaBiotechnology,2008,28(4):53~58

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(广州铭康生物工程有限公司 广州 510730)

技术与方法

利用搅拌式生物反应器进行批次或批次—补料的规模化细胞培养,是当前生产基因工程药物的主要方式。随着工程化单克隆抗体的出现和应用的日益广泛,原来的生产工艺已成为阻碍产量迅猛增长的瓶

1]

颈[,改用连续灌流的培养方式已越来越受到重视。

因为它在节省设备投资和提高生产效率等方面有着明

2]显的优势[。为了方便地实现灌流培养中的细胞截

留,最常用的方法是采用微载体培养,并通过过滤或沉降的方法使细胞和培养基分离。但微载体本身价格昂贵,成本高,操作及处理复杂,为此,采用细胞的结团培

3,4]

。养已开始引起人们的兴趣[

如何使细胞迅速地、良好地结团,以及如何能长期截留细胞进行灌流培养是能否将结团培养工艺真正用于规模化生产的关键。本试验中,我们既利用了CHO细胞在培养中能自然结团的能力,又设计了一套超

5]

声—沉降柱二合一的灌流系统,已申请发明专利[,它

不仅可以进一步促进细胞结团,而且能有效地截留细胞进行长期灌流培养,试验结果令人满意。

收稿日期:20080108  修回日期:20080116通讯作者,电子信箱:yangqin16@hotmail.com

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中图分类号 Q813.1

CHO细胞无血清结团灌流培养:

超声沉降柱二合一灌流系统

李 智 肖成祖 杨 琴 黄小乐 梁倩茹 陈小飞 郑敦武 陈晓铭

摘要 利用CHO细胞能在培养过程中自然结团的特性,采用超声—沉降柱二合一灌流系统能促进细胞结团和加强截留的特性,用无血清培养基连续灌流培养基因重组CHO细胞MK3A2株,分?泌表达rhTNKtPA获得了成功。培养周期为77~110天,细胞结团率为90%左右,直径在285~?

570m之间,细胞截留率保持在95%左右,成活率为85%以上,细胞密度达到2×10/ml左右,μ

rhTNKtPA生产率平均为89mg/L/d,最高时达216mg/L/d。结果表明,使用该灌流系统进行细胞?结团培养可以取代微载体培养用于动物细胞制药的规模化生产。

关键词 结团培养 无血清培养基 CHO细胞 rhTNKtPA 超声?沉降柱二合一灌流系统?

1 材料与方法

1.1 细胞株

用以生产重组人组织型纤溶酶原激活剂TNK突变体(recombinanthumantissuetypeplasminogenactivator?TNKmutant,rhTHKtPA)的CHO工程细胞MK3A2由??

6]

本公司构建[,经亚克隆获得的稳定株,经过2个月的

驯化培养已能适应无血清悬浮培养,表达量为7008

6IU/10/d,倍增时间约为30~40h。

1.2 培养基

基础培养基为DMEM与F12(1∶1)(Gibco公司产品),通过补充部分氨基酸,如天冬氨酸、谷氨酰氨和苏氨酸等,再添加叶酸、柠檬酸铁和硫酸锌等(以上均为Sigma公司产品)构成无血清培养基。1.3 超声沉降柱二合一灌流系统

由荷兰Applikon公司的BioSep超声分离装置中的超声室及其控制系统,与本公司自制的重力沉降柱及

7]

结合在一起所组成。其控制系统[

如图1所示,超声室①为原来的BioSep超声细胞分离器的一部分,外面有外套使超声室降温,侧面有接

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中国生物工程杂志ChinaBiotechnologyVol.28No.42008

线与超声功率控制器②连接,用以控制超声波功率,顶部有抽液管与抽液蠕动泵④相连。沉降柱③由玻璃制150m大小的作,当连续抽液一天两个反应器体积时,μ细胞团不会被抽出。顶部有小管用以固定在反应罐顶盖。侧面有接口可用软管与超声室下管连接。抽液管连接的蠕动泵由控制器⑤控制,可定时、定向地控制其

正转和反转的速度和时间。

1.5 细胞计数、细胞结团率、结团直径、细胞截留率和

成活率测定

细胞计数采用柠檬酸结晶紫法。细胞团结率=

细胞总数(个/ml)-上清细胞数(个/ml)

×100%

ml)细胞总数(个/细胞截留率=

罐内细胞数(个/ml)-抽液中细胞数(个/ml)

×100%

罐内细胞数(个/ml)  结团直径通过显微镜中的目镜测微尺进行测量,图1 超声沉降柱灌流系统示意图Fig.1 TheSchemeofultrasonic?

sedimentioncolomncombinedperfusionsystem

1:Resonatorchamber;2:Biosepcontroller;3:Sedimentation

column;4:Harvestpump;5:Pumpcontroller

1.4 结团培养方法

在方瓶和转瓶中先用加2%血清的培养基培养,使细胞贴壁生长,待细胞汇合成片后,改用无血清培养,经2~

3次换液后细胞即收束、集中,并开始成团脱离瓶壁。在搅拌瓶中培养直接采用无血清培养基培养,搅拌速度为70r/min。瓶内细胞经2~3次离心、扩增后,多数细胞可出现较小的结团,此时即将它与方瓶、转瓶的结团细胞一起转入细胞培养生物反应器。  在反应器中,开始进行无血清灌流培养。采用德国贝朗公司的细胞培养生物反应器(

BiostatB),工作体积5L,细胞接种量为68万细胞/ml。培养条件控制在温度:37℃,pH:7.2,溶氧:40%,无泡通气,搅拌速度:从50r/min逐渐增加至120r/min。灌流采用超声室?沉降柱二合一的灌流系统。根据每天葡萄糖的消耗量,灌流量从0

.1个培养体积/天逐渐增大至4个培养体积/天,超声波功率也随灌流量的增大从3W增加至10W。

细胞成活率用台盼蓝排斥法。1.6 葡萄糖和产物活性测定

葡萄糖测定采用GOD?PAP法(试剂盒为北京百泰生化技术公司产品)。rhTNK?tPA活性测定采用本公司建立的气泡裂解法。

2 结 果

2.1 在二合一灌流系统中无血清连续灌流过程中的

细胞结团观察

在上罐初期,细胞结团很小,以3~5个细胞组成的细胞团为主,随着培养时间的延长和灌流速度的提高,细胞团不断增大、增多,培养到15天左右,约有90%的细胞都可形成结团(图2,3)。在整个表面通气的培养过程中细胞结团一般稳定在260~380μm。进入无泡通气培养过程,细胞的结团大小长时间稳定在285~570μm,最大的可达到1045μm。加大搅拌速度会促使大的细胞团散开,转变为小结团。结团培养的细胞平均活力在85%以上,

后期结团增大对细胞活力无影响。

图2 采用二合一灌流系统进行结团培养中

细胞结团率变化

Fig.2 Theaggregatevariationofcellsduring

culturewithcombinedperfusionsystem

2.2 超声?沉降柱二合一灌流系统对细胞的截留效果  BioSep超声波细胞截留装置,按其原设计使用要求,

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李 智等:CHO细胞无血清结团灌流培养:超声

沉降柱二合一灌流系统

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清灌流培养下持续77天(图5),CHO细胞密度可达到

2×10/ml以上,产物rhTNKtPA随细胞增长而增长,?

rhTNKtPA活性平均为35137IU/ml,最高达55289IU/?。rhTNKtPA生产率平均达89.2mg/L/d,最高达175ml?mg/L/d,总产量达34g。

在这次试验中我们有意地观察了大泡通气对细胞

图3 CHO?MK3A2细胞结团图?

Fig.3 AggregatephotosofCHO?MK3A2cells?生长和rhTNKtPA产量的影响,从图5中的第44~45?天和第69~71天可见,改用大泡通气后对细胞的生长Left:50days;Right:80days;eachminimalscaleof

themicrometeris20μ

m细胞在超声室内结团后,由于蠕动泵的全速反流和细胞的外循环,截留的松散细胞小团会被打散。为此,我们取消了外循环,又改用我们自己设计的能定时、定向控制蠕动泵的控制器,这样就可使松散的小团缓缓地返回反应罐内而不被打散,并进一步增大、增实。一旦这些结团增大增实,由于我们在超声室下面加了重力沉降柱,就不再被抽入超声室,从而减轻了超声室的负载,维持了它高效的细胞截留效率。由图4可见,无论细胞密度从1.5×

106/ml到12×106

/ml,还是灌流量从1.6L/d增加到

20L/d,细胞的截流率基本都在95%以上。此外,在培养

的76天,罐内细胞密度1175×104/ml,灌流量是15L/d,抽液中的细胞密度是4

.0×105

/ml,截留率高达97%。此时我们试着关掉超声波,结果抽液中的细胞密度为2

.2×106

/ml,截留率还保持在80%。说明细胞大量结团后,单

用重力沉降柱就可取得较好的截留效果,也表明沉降柱

可以大大减轻超声室的截留负担。

图4 二合一灌流系统对细胞的截留率变化Fig.4 Thevariationofcellsretentionduringculture

withcombinedperfusionsystem

2.3 采用二合一灌流系统,用无血清培养基进行连续

培养的细胞和产物产量结果

现将二次结果列上,第一次采用结团试验,在无血

和rhTNK?

tPA

产量有着明显的不利影响。图5 CHO?MK3?

A2细胞在灌流培养下细胞和产物的增长

Fig.5 ThegrowthofCHO?MK3?

A2cellsanditsproductduringperfusionculture

第二次采用二合一系统进行结团灌流培养时,在前阶段我们使用了表面通气,将液面降至3.8~4L。到第46天,由于DO值不断下降至10%以下,于是我们又改回无泡通气,培养共持续1

10天(图6),CHO细胞密度同样可达到2×107

细胞/ml以上,rhTNK?

tPA活性平均为22173U/ml,最高达46207IU/ml。rhTNK?tPA生产率平均达82.5mg/L/d,最高达216.6mg/L/d,总产量达42克。

2.4 二合一系统与biosep系统灌流及微载体培养效

果的比较

为了进一步验证二合一灌流系统的优越性,我们单独使用B

ioSep,用同样的细胞,同样的培养条件进行灌流试验。细胞接种量为1.0×104

/ml。培养温度、

pH、溶氧和搅拌速度同前,无泡通气。按说明书要求,

外循环泵的速度为20L/d,收获泵为低速抽液和全速反冲(

80ml/min,一次持续3s)。随着灌流量逐渐提高,抽液速度逐步从2.5ml/min提高到8ml/min,反冲频率逐渐从10min一次提高到2min一次,超声波功率从3W增加至10W。

结果可见(图7),其结团率明显低于二合一系统,

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中国生物工程杂志ChinaBiotechnologyVol.28No.4200

图6 CHO?MK3A2细胞在表面通气和无泡通气灌流?

培养时细胞和产物的增长

Fig.6 ThegrowthofCHO?MK3A2cellsandits?productduringperfusionculturewithsurface

aerationorbubblefreeaeration?

A:Levelcontrolfailing;B:Withdraw75%ofculture;C:Withdraw25%ofculture;D:Bubblefreeaeration?

图7 使用标准配置BioSep时的细胞结团率和截留率Fig.7 Thecellsaggregaterateandretentionrateof

standardBioSepsyste

仅仅达到70%左右,表明强烈反吹不利于细胞结团。而且尽管灌流量都在设计能力内,即不超过10L/d,但截留率仍较二合一的低,都在90%左右。另外更重要.0的是可以看到,用该系统,虽然细胞密度也可达到1

77×10/ml甚至2.0×10/ml(图8),但细胞在强烈反吹

图8 使用标准配置BioSep灌流培养时的

细胞和产物增长

Fig.8 ThegrowthofcellsanditsproductduringperfusionculturewithstandardBioSepsystem

和不断外循环中流动,细胞的表达水平明显受到影响,

6平均为2758IU/10/d,罐内平均活性为12412IU/ml,

平均rhTNKtPA生产率仅为42.7mg/L/d,与二合一灌?流系统相比明显较差(表1)

表1 三种连续灌流培养对细胞和产物增长的比较

Table1 Comparisonofthegrowthofcellsanditsproductduringperfusionculture

Withthreekindsofperfusionsystem

Culturetype

perfusion

system

perfusion

volume(max)L/d

aggregationaggregation

combinedBioSep

21914.2

cell

density(max)

/ml102910

rhTNK?

tPA(average)mg/L/d85.942.744

rhTNK?

tPA(max)mg/L/d216.676.181.4

Production

(total)

mg40266572922439

Activity

(average)IU/ml283521241216365

Activity

(max)IU/ml552892525726742

PeriodDays77110?3295

19681138

microcarrieerspinfilter

在此同时,我们用同样的细胞,在同样的培养基和控制条件下,用cytopore微载体和旋转滤器灌流系统进行灌流培养,持续95天,其结果见表1。用二合一灌流系统培养的结果与之相比较,也可见各项指标均优于微载体培养。

培养,有的细胞已培养至60L的规模,但由于当时没有

良好理想的灌流系统,细胞密度仅在1~2×10/ml水9]10]11]平。以后Litwin等[Moreira等[和Yamamoto等[也

都分别用Vero细胞、BHK细胞和重组的CHO工程细胞进行过结团培养试验,由于同样的原因,细胞密度也

64]

2×10/ml左右。直至2006年我国Liu等[仅为1~

3 讨 论

8]

1980年Tolbert等[首先报告了多种细胞的结团

用HEK293细胞的自然结团培养制备腺病毒时,采用了旋转滤器进行灌流培养,连续17天,细胞密度达到

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李 智等:CHO细胞无血清结团灌流培养:超声沉降柱二合一灌流系统

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7了1.2×10/ml,才获得了较好的结果。结团培养工艺,已完全可以取代微载体真正用于基因工程药物的规模化生产中了。

结团培养工艺的优点至少有以下三个方面:(1)它保留了用微载体培养的优点,便于细胞和培养基分离2)节省进行灌流培养,提高细胞密度和目标物产量;(3)由于它是三维了微载体的成本和再生处理的麻烦;(培养,有利于细胞生长,更好地发挥细胞的生理功

12]能[。但是要使结团培养工艺真正能用于生产实践

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,(2)加入某

些生物或化学物质促进细胞结团[13~17]

;(3)利用一些

特殊培养设备促使细胞结团

[18~20]

。在灌流系统中细胞

截留设备方面的摸索也较多,包括过滤、重力沉降、离

心、超声和电泳等[

21]

。但所有这些方法均存在一些不足,如所采用的添加物价格昂贵,如制备的纳米颗

粒[3]

;有的添加物会影响产品的纯化,如植物血凝素[

15]、刀豆球蛋白A[14]

等;有的添加物还会影响产量,如EugragitS100[16]

;美国航天部的微重力细胞培养设备[

19]

虽然结团很好,但目前规模还很小,要放大还存在不少问题等,上述使得结团培养工艺至今至今未能得以应用。

在上述结团和灌流方法、设备的研究中,超声分离

装置的研究[20]

引起我们很大的兴趣。它依靠超声波的

空穴原理,细胞不仅可被截留,而且还可形成小团,对细胞的成活也无影响。但正如前面所述,Applikon公司生产的BioSep超声分离装置,按本来的设计和使用说明,由于蠕动泵的全速反流和细胞的外循环,截留的松散的细胞小团会被打散。另外,当细胞密度增大,灌流量提高,其截留率还会下降,因为超声室内细胞量超过了它能截留的能力。特别是由于强烈反吹和不断地外循环,还会影响细胞的表达水平。为此,我们将原来用于重力沉降的专利与BioSep结合,发明了一种崭新的超声?沉降二合一灌流系统。由于控制的蠕动泵反转速度很慢,细胞团反流时不会被打散,加上沉降柱后,解决了细胞密度提高后超声室不堪负荷使截留率的下降的问题,更有利的是,一旦反应罐内的细胞都已结团,并有一定大小后,我们可以关闭超声波,单独使用沉降柱即可顺利地进行灌流培养。总之,试验的结果证明,这样的结合是合适的,截留率不受灌流量和细胞密度的影响,基本保持在95%左右,培养周期可长达百天以上,细胞密度可达2×107

/ml,rhTNK?tPA生产率平均为89mg/L·d,最高达216mg/L·d。表明采用这样的

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Serum?freeAggregatePerfusionCultureofCHOCells:

anUltrasonicandSedimentationColumnCombinedPerfusionSystem

LIZhi XiaoChengzu YANGQin HUANGXiaole LIANGQianru CHENXiaofei???

ZHENGDunwu CHENXiaoming??

(GuangzhouRecomgenBiotechCo.,Ltd.,Guangzhou 510732,China)

Abstract UsingthecharacterofnaturalaggregationofCHOcells,andanultrasonicandsedimentationcolumncombinedperfusionsystemtopromotecellsaggregationandretentionintobioreactor,recombinantCHOcellstrainMK3A2wascultured,whichcouldsecreterhTNKtPA,byaserumfreeperfusionculturesystem.The???cultureperiodsinthistwoexperimentswereaslongas77and110daysrespectively.Thecellsdensityreached2

×10cells/ml.TheaveragevolumetricproductivityofrhTNKtPAwas89mg/L·d,andthehighestonewas?

216mg/L·d.Thecellsaggregationratewasapproximately90%,andthediametersofmostofthemwere285~570m.Duringtheperfusionculturethecellsretentionratealmostkeptin95%andtheviabilityofcellswasμmorethan85%.Thus,itmeansthataggregationculturewithsuchperfusionsystemcouldbeusedtoscaleupproducebiopharmaceuticalsinsteadofmicrocarrierculturesystem.

Keywords Aggregationculture Serum?freemedia CHOcells TNK?tPA Ultrasonicandsedimentationcolumncombinedperfusionsystem

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/j1z4.html

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