動植物細胞大量培養

為藉助動植物細胞來生產生物化工產品，是將離體的動植物細胞進行大量培養的生物反應過程。由於工業上大量培養微生物的發酵過程已是成熟的技術，所以動植物細胞大量培養方法的進步，借鑑了微生物學技術，並考慮到動植物細胞的特點，使該技術日趨完善。目前，人們將這一技術領域稱為現代生物技術的重要組成部分之一。

基本介紹

• 中文名：動植物細胞大量培養
• 類型：生物細胞培養
• 分類：動物，植物
• 實質：生物反應

主要淵源

自1950年前後，開發體外培養動物細胞以來，很多類型動物細胞，包括正常的和腫瘤的都能在各種單層培養系統中生長。早期大量培養動物細胞，是為了擴大病毒腫瘤研究領域的需要，後來隨醫療、免疫和細胞生物化工製品的發展，動物細胞需要量愈來愈多，諸如生產病毒疫苗、干擾素、激素、免疫試劑(見臨床化學試劑)等產品需要大量培養動物細胞。由於生產需要，推動了動物細胞大量培養的新工藝、新技術向大規模、自動化和精巧化方向發展。
大量培養動物細胞用於製備醫藥上有重要用途的蛋白質,主要過程（圖1）是：先將組織(1)切成碎片(2),並用溶解蛋白質的酶處理(3)，從而得到單個細胞。細胞用離心法收集(4)後,植入營養培養基。細胞在培養基上增殖，直到覆蓋其表面(5),用酶把細胞從瓶中釋出,再植入若干培養瓶以擴大培養(6)，所得細胞可冷藏於液氮 (7)中長期保存。需要時取出一部分解冷開始復活培養(8)，將得到的足夠細胞(9)植入大規模培養罐(10)。所產生的蛋白質可用幾種方式收穫（圖1a、b、c）：①直接收穫培養細胞來分離和純化製得產品，如腫瘤細胞的表面抗原作為產物。②如果所需的產物是培養細胞分泌至培養液中的物質，可將培養液不斷從細胞培養罐中輸出並加以分離純化即得到產品，如單克隆抗體。③培養的細胞通過誘生劑的作用，誘發細胞產生所需的產品，如用仙台病毒或新城雞瘟病毒為誘生劑誘發人白細胞產生人白細胞干擾素。

培養條件

對營養和環境的要求與微生物培養不同（表1）主要是： 　①　營養條件　動物細胞的培養一般需要胺基酸、維生素、鹽類、葡萄糖（有時加半乳糖）、血清。血清能提供細胞生長所必需的微量元素和生長因子。由於血清來源受到限制，質量不穩定，現在正在研究開發血清替代物和無血清培養基。
②　環境條件　與微生物相比，動物細胞培養對環境條件的要求較苛刻,監測和調節的難度較高。培養基的pH對細胞附著、生長和分布都很敏感,一般控制在±0.05。溫度一般要求控制在<±0.25℃。有時為了達到良好的換熱目的，培養罐採用錐形結構。通氣方法可採用插入培養基中的矽橡膠管，靠擴散作用來完成氧的傳遞，或將氣體通入裝在培養基液面上空的分布器內，氧通過擴散和表面卷吸進入培養基內。

培養方法

大量培養動物細胞的方法可分為兩種：①懸浮培養，淋巴細胞和腫瘤細胞等能在液體培養基中懸浮生長。懸浮培養系統，工業放大容易，成本低，不易受污染，可在帶螺旋槳或平槳攪拌的通用發酵罐中進行。②大多數動物細胞需要附著在一定的固定表面上才能增殖，因此稱單層培養。單層培養的突出問題是提供細胞生長所需的表面積。迄今為止套用最廣泛的是滾瓶法（圖2）,滾瓶是平放的玻璃瓶，內盛培養基，細胞在其內壁上附著生長，隨著瓶子滾動細胞間歇地接觸空氣和培養基。此外，最有效地提供比表面積（表面積/培養基體積）的是微珠法。微珠的直徑為40～250μm,當1mg微珠懸浮在1ml培養基上時，能提供的表面積大於5cm2。另一種能提供較大的比表面積的載體為中空纖維,一般結構是把纖維管束裝置在圓筒內,培養基一般在管間流動，細胞在管內外壁表面上生長，氣體可通過中空纖維管擴散至培養基中。

細胞收穫

用單層培養方法培養的細胞從附著的載體上剝離下來，常用胰蛋白酶消化，或用螯合劑螯合細胞使細胞脫離載體，或用刮、擦、拉等機械力使細胞從載體上脫落的方法。以上幾種方法可以結合使用。

安全問題

特別是培養病毒細胞或生產病毒疫苗，更要加倍注意安全。在設計時必須考慮對操作人員生物和物理上的安全防範設備和考慮生產廠房內外環境的安全防範設施。

大量培養

早在20世紀30年代，已有可能將某些植物體中分離出來的細胞在人工培養條件下長期地保持其生命力。這種培養需要有植物激素的存在，才能促使細胞以非組織形式繁殖，形成大量無定形的細胞物質。但不久就出現了採用固定的化學成分培養基的快速培養技術。細胞培養在植物育種方面有重要作用，植物細胞培養的代謝產物可成為生物化工產品的重要組成部分。目前，用大規模發酵的方法來生產人參皂苷、紫草寧等自然藥物以及菸草代用品已取得突破。

工藝流程

在植物細胞大量培養的典型流程(圖3)中,為了獲得初代培養植物材料的組織片塊，應在無菌條件下，切出其內部組織薄片，並移植於合適的培養基。組織的細胞便恢復其分裂機能,通過反復分裂終於形成無定形的細胞群,即愈傷組織。將愈傷組織或其他易分散的組織置於液體培養基中，進行振盪培養，使組織分散成游離的懸浮細胞，通過繼代培養使細胞增殖，獲得大量的細胞群體。小規模的懸浮培養在培養瓶中進行；大規模者可利用發酵罐。 　可以把一系列長期在工業微生物學中使用的操作技術，諸如菌種的突變和選育、過程開發等用於某些植物細胞的培養。用細胞融合技術能克服植物遠緣種間不親和性，擴大遺傳重組範圍，增加變異，使植物細胞培養進入了一個新的發展階段。

主要特點

與微生物細胞培養相比，植物細胞培養有以下特點：①培養基成分除碳水化合物、無機鹽等基本組分以外，還要求有植物生長激素；②植物細胞的培增時間較長,一般超過24h，約是微生物的20倍；③植物細胞高密度培養才能達到經濟生產，因而帶來培養液高的表觀粘度和細胞對剪下應力敏感的問題；④植物細胞培養具有形成組織甚至整體植株的潛力。
植物細胞大量培養的工業套用,須考慮以下條件:細胞生長及生物合成的速度要高到足以在短時間內得到較高產量的最終產物；培養的細胞在遺傳上應是穩定的以得到恆定的產物；代謝產物在細胞中累積而不迅速分解，代謝產物宜釋放到液體培養基中；包括培養基、前體和化學提取的生產費用要低得足以給生產帶來利潤。