动植物细胞培养动力学

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1、第五章动植物细胞培养动力学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

2、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

3、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

4、同点动植物细胞培养与微生物培养性能的相比项目哺乳动物细胞植物细胞微生物细胞大小[μm]悬浮生长营养要求倍增时间[h]细胞分化环境的敏感性细胞壁产物存在产物浓度（%）含水量产物种类10～100可以，多采用贴壁很复杂15～100有非常敏感无1～25胞内或胞外低～疫苗、激素、抗体、生长因子、免疫调节剂等10～100可以，但细胞易聚集复杂15～100有限分化敏感有20～30胞内低～90酶、生物碱、天然色素、有机化合物等1～10可以简单0.5～5无一般有100～1000胞内或胞外高～75发酵食品、抗生素、有机化合物、酶等大规模细胞培养的

5、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，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

6、，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0.1μm的过滤膜滤出。目前，利用动物细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α-干扰素和β-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

7、；（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

8、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；