1、生物化工专业优秀论文 GS-NS0 骨髓瘤细胞无血清培养过程的开发与优化关键词：GS-NSO 细胞 抗 CD25 单克隆抗体 过程优化 细胞生长 骨髓瘤细胞 无血清培养摘要：在 GS-NSO 骨髓瘤细胞培养过程中，营养物耗竭和代谢副产物积累所导致的培养环境恶化是限制细胞生长和产物表达的主要问题，因此深入认识细胞的生长、代谢和产物合成特性，了解培养环境对细胞生理状态的影响，是解决上述问题的前提。本文以表达抗 CD25 单克隆抗体的 GS-NSO 细胞为研究对象，通过批培养和流加培养实验，研究培养环境与细胞生长、代谢和产物表达的关系，特别是渗透压影响细胞代谢特性的规律，为优化 GS-NSO 细胞流
2、加培养过程提供技术手段和科学依据。 本文首先开发了支持 GS-NSO 细胞大规模培养和抗体表达的无血清低蛋白培养基 LP3.6，该培养基具有化学成分确定、蛋白总含量不超过 10 mg/L、不含各类水解物、成本低廉等优点。在该培养基中，GS-NSO细胞批培养过程的最大活细胞密度达 3106cells/ml 以上，比商业无血清培养基(Excell620+0.2 primatone)提高了 1 倍以上；对数生长期的平均比生长速率达 0.75 day-1，比商业无血清培养基(Excell620+0.2primatone)提高了66；最大抗体浓度达到 307 mg/L，比商业无血清培养基(Excell6
3、20+0.2 primatone)提高了 46。在此基础上进一步开发了化学成分确定的无蛋白培养基(PFI3.4)，批培养过程的最大活细胞密度达到 3.21106 cells/ml，对数生长期的平均比生长速率达到 0.64 day-1。 在无血清培养基开发的基础上，通过批培养实验初步认识了 GS-NSO 细胞的生长、代谢和产物表达特点，在批培养过程中对数生长期的细胞比生长速率约为 0.660.81day-1，当葡萄糖浓度低于 6 mmol/L 时，细胞生长受到一定影响，比生长速率明显下降；葡萄糖浓度对其比消耗速率的影响不显著；在葡萄糖浓度低于 24 mmol/L 的范围内，消耗单位葡萄糖的乳酸产
4、率基本相同；而过高的葡萄糖浓度(gt;30 mmol/L)会导致更多更多代谢副产物乳酸的生成，加速培养环境的恶化；在批培养过程中抗体的比生成速率基本恒定，不受初始葡萄糖浓度的影响，约为 24 mg/109cells/day，最终抗体浓度和培养过程的 IVC 值成正比。 通过低(280 mOsm/kg)、中(330 mOsm/kg)和高(370 mOsm/kg)三种初始渗透压条件的流加培养实验，进一步研究了渗透压对 GS-NSO 细胞生长、代谢和产物合成的影响。研究发现在不同初始渗透压的培养过程中 GS-NSO 细胞的生长、代谢和抗体表达差异显著。动力学分析表明，当培养环境的渗透压过高(400
5、mOsm/kg)时，细胞的比生长速率降低，培养后期细胞活性下降迅速；而当培养环境的渗透压过低(280mOsm/kg)时，又会对细胞活性的维持和培养过程的稳定产生不利影响，使培养周期缩短；在 330 mOsm/kg 的初始渗透压条件下流加培养过程的维持期最长，IVC 值最大，因此产物浓度也最高。另外，实验也发现葡萄糖的比消耗速率随着渗透压的提高而增大。在上述实验基础上通过对三种渗透压条件下处于对数生长期的细胞进行代谢途径流量分析，结果表明渗透压对葡萄糖的比消耗速率及其主要代谢途径的流量具有重要影响，胞内由丙酮酸生成乳酸的流量由渗透压 276 mOsm/kg 时的 0.184 mmol C/109
6、cells/h 增大至渗透压 381 mOsm/kg 时的 0.528 mmol C/109cells/h，细胞在较高渗透压条件下多消耗的葡萄糖大部分流向了生成乳酸的途径；葡萄糖进入糖酵解途径的比例基本不变，约为 90；用于生物合成的葡萄糖绝对流量基本固定，处于 0.0710.080 mmol C/109cells/h 之间；大于 88的谷氨酰胺用于细胞生长，即生物合成反应，其绝对流量为 0.0550.062mmol C/109cells/h；在渗透压较低(276 mOsm/kg)时，谷氨酰胺的比消耗速率明显降低，而一部分谷氨酰胺则由谷氨酸合成，其流量约为 0.013 mmol C/109ce
7、lls/h。进一步的能量代谢分析表明在较低的渗透压(276 mOsm/kg)条件下细胞处于能量生成效率较高的状态，葡萄糖代谢由丙酮酸进入 TCA 循环的绝对流量较大，其占葡萄糖代谢的比例约为渗透压 381 mOsm/kg 时的 2 倍，葡萄糖代谢更多地进入产能效率较高的三羧酸循环途径，以满足细胞的需求，细胞通过葡萄糖代谢产生 ATP 的绝对速率和效率显著提高，但是在此种状态下细胞的生长、维持以及产物的合成却受到了一定的限制，与初始渗透压 330mOsm/kg 的流加培养过程相比，其单位体积的 IVC 值、抗体比生成速率和最大抗体浓度分别降低了 35、36和 48。 最后，本文根据上述 GS-N
8、SO 细胞的生长、代谢和产物合成特性，以葡萄糖为关键控制参数，通过分阶段建立其比消耗速率与渗透压之间的数学关系，设计初始培养基和流加培养基组成，并分阶段对流加培养过程中的葡萄糖消耗进行及时的预测和控制，指导流加速率的调整，形成了以满足细胞生长代谢需要为基本原则的流加培养过程优化设计模型。在此控制模型指导下实施的动态流加培养实验，取得了良好的效果，葡萄糖供给体现了细胞的需要，葡萄糖浓度控制等过程操作符合设计要求，培养过程中的最大活细胞密度达到 8.95106 cells/ml，培养上清中的抗体浓度达到了 1000 mg/L 左右。该流加培养过程的最高活细胞密度、抗体浓度和抗体产率分别是商业无血清
9、培养基(Excell620+0.2 primatone)批培养结果的 5.5 倍、4.8 倍和 3.5 倍。 通过本文的研究工作，为 GS-NSO 骨髓瘤细胞培养和抗 CD25 单克隆抗体的工业化生产过程成功开发了拥有自主知识产权的无血清无蛋白培养基，并建立了经济高效的流加培养过程。另一方面，本文所采用的研究方法和控制策略以及对 GS 系统动物细胞生长代谢所取得的认识，对其它动物细胞培养过程的研究开发和抗体、重组蛋白药物等产品工业化生产过程的优化均有重要的借鉴作用。正文内容在 GS-NSO 骨髓瘤细胞培养过程中，营养物耗竭和代谢副产物积累所导致的培养环境恶化是限制细胞生长和产物表达的主要问题，
10、因此深入认识细胞的生长、代谢和产物合成特性，了解培养环境对细胞生理状态的影响，是解决上述问题的前提。本文以表达抗 CD25 单克隆抗体的 GS-NSO 细胞为研究对象，通过批培养和流加培养实验，研究培养环境与细胞生长、代谢和产物表达的关系，特别是渗透压影响细胞代谢特性的规律，为优化 GS-NSO 细胞流加培养过程提供技术手段和科学依据。 本文首先开发了支持 GS-NSO 细胞大规模培养和抗体表达的无血清低蛋白培养基 LP3.6，该培养基具有化学成分确定、蛋白总含量不超过 10 mg/L、不含各类水解物、成本低廉等优点。在该培养基中，GS-NSO细胞批培养过程的最大活细胞密度达 3106cell
11、s/ml 以上，比商业无血清培养基(Excell620+0.2 primatone)提高了 1 倍以上；对数生长期的平均比生长速率达 0.75 day-1，比商业无血清培养基(Excell620+0.2primatone)提高了66；最大抗体浓度达到 307 mg/L，比商业无血清培养基(Excell620+0.2 primatone)提高了 46。在此基础上进一步开发了化学成分确定的无蛋白培养基(PFI3.4)，批培养过程的最大活细胞密度达到 3.21106 cells/ml，对数生长期的平均比生长速率达到 0.64 day-1。 在无血清培养基开发的基础上，通过批培养实验初步认识了 GS-
12、NSO 细胞的生长、代谢和产物表达特点，在批培养过程中对数生长期的细胞比生长速率约为 0.660.81day-1，当葡萄糖浓度低于 6 mmol/L 时，细胞生长受到一定影响，比生长速率明显下降；葡萄糖浓度对其比消耗速率的影响不显著；在葡萄糖浓度低于 24 mmol/L 的范围内，消耗单位葡萄糖的乳酸产率基本相同；而过高的葡萄糖浓度(gt;30 mmol/L)会导致更多更多代谢副产物乳酸的生成，加速培养环境的恶化；在批培养过程中抗体的比生成速率基本恒定，不受初始葡萄糖浓度的影响，约为 24 mg/109cells/day，最终抗体浓度和培养过程的 IVC 值成正比。 通过低(280 mOsm/
13、kg)、中(330 mOsm/kg)和高(370 mOsm/kg)三种初始渗透压条件的流加培养实验，进一步研究了渗透压对 GS-NSO 细胞生长、代谢和产物合成的影响。研究发现在不同初始渗透压的培养过程中 GS-NSO 细胞的生长、代谢和抗体表达差异显著。动力学分析表明，当培养环境的渗透压过高(400 mOsm/kg)时，细胞的比生长速率降低，培养后期细胞活性下降迅速；而当培养环境的渗透压过低(280mOsm/kg)时，又会对细胞活性的维持和培养过程的稳定产生不利影响，使培养周期缩短；在 330 mOsm/kg 的初始渗透压条件下流加培养过程的维持期最长，IVC 值最大，因此产物浓度也最高。另
14、外，实验也发现葡萄糖的比消耗速率随着渗透压的提高而增大。在上述实验基础上通过对三种渗透压条件下处于对数生长期的细胞进行代谢途径流量分析，结果表明渗透压对葡萄糖的比消耗速率及其主要代谢途径的流量具有重要影响，胞内由丙酮酸生成乳酸的流量由渗透压 276 mOsm/kg 时的 0.184 mmol C/109cells/h 增大至渗透压 381 mOsm/kg 时的 0.528 mmol C/109cells/h，细胞在较高渗透压条件下多消耗的葡萄糖大部分流向了生成乳酸的途径；葡萄糖进入糖酵解途径的比例基本不变，约为 90；用于生物合成的葡萄糖绝对流量基本固定，处于 0.0710.080 mmol
15、C/109cells/h 之间；大于 88的谷氨酰胺用于细胞生长，即生物合成反应，其绝对流量为 0.0550.062mmol C/109cells/h；在渗透压较低(276 mOsm/kg)时，谷氨酰胺的比消耗速率明显降低，而一部分谷氨酰胺则由谷氨酸合成，其流量约为 0.013 mmol C/109cells/h。进一步的能量代谢分析表明在较低的渗透压(276 mOsm/kg)条件下细胞处于能量生成效率较高的状态，葡萄糖代谢由丙酮酸进入 TCA 循环的绝对流量较大，其占葡萄糖代谢的比例约为渗透压 381 mOsm/kg 时的 2 倍，葡萄糖代谢更多地进入产能效率较高的三羧酸循环途径，以满足细胞
16、的需求，细胞通过葡萄糖代谢产生 ATP 的绝对速率和效率显著提高，但是在此种状态下细胞的生长、维持以及产物的合成却受到了一定的限制，与初始渗透压 330mOsm/kg 的流加培养过程相比，其单位体积的 IVC 值、抗体比生成速率和最大抗体浓度分别降低了 35、36和 48。 最后，本文根据上述 GS-NSO 细胞的生长、代谢和产物合成特性，以葡萄糖为关键控制参数，通过分阶段建立其比消耗速率与渗透压之间的数学关系，设计初始培养基和流加培养基组成，并分阶段对流加培养过程中的葡萄糖消耗进行及时的预测和控制，指导流加速率的调整，形成了以满足细胞生长代谢需要为基本原则的流加培养过程优化设计模型。在此控制
17、模型指导下实施的动态流加培养实验，取得了良好的效果，葡萄糖供给体现了细胞的需要，葡萄糖浓度控制等过程操作符合设计要求，培养过程中的最大活细胞密度达到 8.95106 cells/ml，培养上清中的抗体浓度达到了 1000 mg/L 左右。该流加培养过程的最高活细胞密度、抗体浓度和抗体产率分别是商业无血清培养基(Excell620+0.2 primatone)批培养结果的 5.5 倍、4.8 倍和 3.5 倍。 通过本文的研究工作，为 GS-NSO 骨髓瘤细胞培养和抗 CD25 单克隆抗体的工业化生产过程成功开发了拥有自主知识产权的无血清无蛋白培养基，并建立了经济高效的流加培养过程。另一方面，本
18、文所采用的研究方法和控制策略以及对 GS 系统动物细胞生长代谢所取得的认识，对其它动物细胞培养过程的研究开发和抗体、重组蛋白药物等产品工业化生产过程的优化均有重要的借鉴作用。在 GS-NSO 骨髓瘤细胞培养过程中，营养物耗竭和代谢副产物积累所导致的培养环境恶化是限制细胞生长和产物表达的主要问题，因此深入认识细胞的生长、代谢和产物合成特性，了解培养环境对细胞生理状态的影响，是解决上述问题的前提。本文以表达抗 CD25 单克隆抗体的 GS-NSO 细胞为研究对象，通过批培养和流加培养实验，研究培养环境与细胞生长、代谢和产物表达的关系，特别是渗透压影响细胞代谢特性的规律，为优化 GS-NSO 细胞流
19、加培养过程提供技术手段和科学依据。 本文首先开发了支持 GS-NSO 细胞大规模培养和抗体表达的无血清低蛋白培养基 LP3.6，该培养基具有化学成分确定、蛋白总含量不超过 10 mg/L、不含各类水解物、成本低廉等优点。在该培养基中，GS-NSO 细胞批培养过程的最大活细胞密度达 3106cells/ml 以上，比商业无血清培养基(Excell620+0.2 primatone)提高了 1 倍以上；对数生长期的平均比生长速率达 0.75 day-1，比商业无血清培养基(Excell620+0.2primatone)提高了66；最大抗体浓度达到 307 mg/L，比商业无血清培养基(Excell
20、620+0.2 primatone)提高了 46。在此基础上进一步开发了化学成分确定的无蛋白培养基(PFI3.4)，批培养过程的最大活细胞密度达到 3.21106 cells/ml，对数生长期的平均比生长速率达到 0.64 day-1。 在无血清培养基开发的基础上，通过批培养实验初步认识了 GS-NSO 细胞的生长、代谢和产物表达特点，在批培养过程中对数生长期的细胞比生长速率约为 0.660.81day-1，当葡萄糖浓度低于 6 mmol/L 时，细胞生长受到一定影响，比生长速率明显下降；葡萄糖浓度对其比消耗速率的影响不显著；在葡萄糖浓度低于 24 mmol/L 的范围内，消耗单位葡萄糖的乳酸
21、产率基本相同；而过高的葡萄糖浓度(gt;30 mmol/L)会导致更多更多代谢副产物乳酸的生成，加速培养环境的恶化；在批培养过程中抗体的比生成速率基本恒定，不受初始葡萄糖浓度的影响，约为 24 mg/109cells/day，最终抗体浓度和培养过程的 IVC 值成正比。 通过低(280 mOsm/kg)、中(330 mOsm/kg)和高(370 mOsm/kg)三种初始渗透压条件的流加培养实验，进一步研究了渗透压对 GS-NSO 细胞生长、代谢和产物合成的影响。研究发现在不同初始渗透压的培养过程中 GS-NSO 细胞的生长、代谢和抗体表达差异显著。动力学分析表明，当培养环境的渗透压过高(400
22、 mOsm/kg)时，细胞的比生长速率降低，培养后期细胞活性下降迅速；而当培养环境的渗透压过低(280mOsm/kg)时，又会对细胞活性的维持和培养过程的稳定产生不利影响，使培养周期缩短；在 330 mOsm/kg 的初始渗透压条件下流加培养过程的维持期最长，IVC 值最大，因此产物浓度也最高。另外，实验也发现葡萄糖的比消耗速率随着渗透压的提高而增大。在上述实验基础上通过对三种渗透压条件下处于对数生长期的细胞进行代谢途径流量分析，结果表明渗透压对葡萄糖的比消耗速率及其主要代谢途径的流量具有重要影响，胞内由丙酮酸生成乳酸的流量由渗透压 276 mOsm/kg 时的 0.184 mmol C/10
23、9cells/h 增大至渗透压 381 mOsm/kg 时的 0.528 mmol C/109cells/h，细胞在较高渗透压条件下多消耗的葡萄糖大部分流向了生成乳酸的途径；葡萄糖进入糖酵解途径的比例基本不变，约为 90；用于生物合成的葡萄糖绝对流量基本固定，处于 0.0710.080 mmol C/109cells/h 之间；大于 88的谷氨酰胺用于细胞生长，即生物合成反应，其绝对流量为 0.0550.062mmol C/109cells/h；在渗透压较低(276 mOsm/kg)时，谷氨酰胺的比消耗速率明显降低，而一部分谷氨酰胺则由谷氨酸合成，其流量约为 0.013 mmol C/109c
24、ells/h。进一步的能量代谢分析表明在较低的渗透压(276 mOsm/kg)条件下细胞处于能量生成效率较高的状态，葡萄糖代谢由丙酮酸进入 TCA 循环的绝对流量较大，其占葡萄糖代谢的比例约为渗透压 381 mOsm/kg 时的 2 倍，葡萄糖代谢更多地进入产能效率较高的三羧酸循环途径，以满足细胞的需求，细胞通过葡萄糖代谢产生 ATP 的绝对速率和效率显著提高，但是在此种状态下细胞的生长、维持以及产物的合成却受到了一定的限制，与初始渗透压 330mOsm/kg 的流加培养过程相比，其单位体积的 IVC 值、抗体比生成速率和最大抗体浓度分别降低了 35、36和 48。 最后，本文根据上述 GS-
25、NSO 细胞的生长、代谢和产物合成特性，以葡萄糖为关键控制参数，通过分阶段建立其比消耗速率与渗透压之间的数学关系，设计初始培养基和流加培养基组成，并分阶段对流加培养过程中的葡萄糖消耗进行及时的预测和控制，指导流加速率的调整，形成了以满足细胞生长代谢需要为基本原则的流加培养过程优化设计模型。在此控制模型指导下实施的动态流加培养实验，取得了良好的效果，葡萄糖供给体现了细胞的需要，葡萄糖浓度控制等过程操作符合设计要求，培养过程中的最大活细胞密度达到 8.95106 cells/ml，培养上清中的抗体浓度达到了 1000 mg/L 左右。该流加培养过程的最高活细胞密度、抗体浓度和抗体产率分别是商业无血
26、清培养基(Excell620+0.2 primatone)批培养结果的 5.5 倍、4.8 倍和 3.5 倍。 通过本文的研究工作，为 GS-NSO 骨髓瘤细胞培养和抗 CD25 单克隆抗体的工业化生产过程成功开发了拥有自主知识产权的无血清无蛋白培养基，并建立了经济高效的流加培养过程。另一方面，本文所采用的研究方法和控制策略以及对 GS 系统动物细胞生长代谢所取得的认识，对其它动物细胞培养过程的研究开发和抗体、重组蛋白药物等产品工业化生产过程的优化均有重要的借鉴作用。在 GS-NSO 骨髓瘤细胞培养过程中，营养物耗竭和代谢副产物积累所导致的培养环境恶化是限制细胞生长和产物表达的主要问题，因此深
27、入认识细胞的生长、代谢和产物合成特性，了解培养环境对细胞生理状态的影响，是解决上述问题的前提。本文以表达抗 CD25 单克隆抗体的 GS-NSO 细胞为研究对象，通过批培养和流加培养实验，研究培养环境与细胞生长、代谢和产物表达的关系，特别是渗透压影响细胞代谢特性的规律，为优化 GS-NSO 细胞流加培养过程提供技术手段和科学依据。 本文首先开发了支持 GS-NSO 细胞大规模培养和抗体表达的无血清低蛋白培养基 LP3.6，该培养基具有化学成分确定、蛋白总含量不超过 10 mg/L、不含各类水解物、成本低廉等优点。在该培养基中，GS-NSO 细胞批培养过程的最大活细胞密度达 3106cells/
28、ml 以上，比商业无血清培养基(Excell620+0.2 primatone)提高了 1 倍以上；对数生长期的平均比生长速率达 0.75 day-1，比商业无血清培养基(Excell620+0.2primatone)提高了66；最大抗体浓度达到 307 mg/L，比商业无血清培养基(Excell620+0.2 primatone)提高了 46。在此基础上进一步开发了化学成分确定的无蛋白培养基(PFI3.4)，批培养过程的最大活细胞密度达到 3.21106 cells/ml，对数生长期的平均比生长速率达到 0.64 day-1。 在无血清培养基开发的基础上，通过批培养实验初步认识了 GS-NS
29、O 细胞的生长、代谢和产物表达特点，在批培养过程中对数生长期的细胞比生长速率约为 0.660.81day-1，当葡萄糖浓度低于 6 mmol/L 时，细胞生长受到一定影响，比生长速率明显下降；葡萄糖浓度对其比消耗速率的影响不显著；在葡萄糖浓度低于 24 mmol/L 的范围内，消耗单位葡萄糖的乳酸产率基本相同；而过高的葡萄糖浓度(gt;30 mmol/L)会导致更多更多代谢副产物乳酸的生成，加速培养环境的恶化；在批培养过程中抗体的比生成速率基本恒定，不受初始葡萄糖浓度的影响，约为 24 mg/109cells/day，最终抗体浓度和培养过程的 IVC 值成正比。 通过低(280 mOsm/kg
30、)、中(330 mOsm/kg)和高(370 mOsm/kg)三种初始渗透压条件的流加培养实验，进一步研究了渗透压对 GS-NSO 细胞生长、代谢和产物合成的影响。研究发现在不同初始渗透压的培养过程中 GS-NSO 细胞的生长、代谢和抗体表达差异显著。动力学分析表明，当培养环境的渗透压过高(400 mOsm/kg)时，细胞的比生长速率降低，培养后期细胞活性下降迅速；而当培养环境的渗透压过低(280mOsm/kg)时，又会对细胞活性的维持和培养过程的稳定产生不利影响，使培养周期缩短；在 330 mOsm/kg 的初始渗透压条件下流加培养过程的维持期最长，IVC 值最大，因此产物浓度也最高。另外，
31、实验也发现葡萄糖的比消耗速率随着渗透压的提高而增大。在上述实验基础上通过对三种渗透压条件下处于对数生长期的细胞进行代谢途径流量分析，结果表明渗透压对葡萄糖的比消耗速率及其主要代谢途径的流量具有重要影响，胞内由丙酮酸生成乳酸的流量由渗透压 276 mOsm/kg 时的 0.184 mmol C/109cells/h 增大至渗透压 381 mOsm/kg 时的 0.528 mmol C/109cells/h，细胞在较高渗透压条件下多消耗的葡萄糖大部分流向了生成乳酸的途径；葡萄糖进入糖酵解途径的比例基本不变，约为 90；用于生物合成的葡萄糖绝对流量基本固定，处于 0.0710.080 mmol C/
32、109cells/h 之间；大于 88的谷氨酰胺用于细胞生长，即生物合成反应，其绝对流量为 0.0550.062mmol C/109cells/h；在渗透压较低(276 mOsm/kg)时，谷氨酰胺的比消耗速率明显降低，而一部分谷氨酰胺则由谷氨酸合成，其流量约为 0.013 mmol C/109cells/h。进一步的能量代谢分析表明在较低的渗透压(276 mOsm/kg)条件下细胞处于能量生成效率较高的状态，葡萄糖代谢由丙酮酸进入 TCA 循环的绝对流量较大，其占葡萄糖代谢的比例约为渗透压 381 mOsm/kg 时的 2 倍，葡萄糖代谢更多地进入产能效率较高的三羧酸循环途径，以满足细胞的需
33、求，细胞通过葡萄糖代谢产生 ATP 的绝对速率和效率显著提高，但是在此种状态下细胞的生长、维持以及产物的合成却受到了一定的限制，与初始渗透压 330mOsm/kg 的流加培养过程相比，其单位体积的 IVC 值、抗体比生成速率和最大抗体浓度分别降低了 35、36和 48。 最后，本文根据上述 GS-NSO 细胞的生长、代谢和产物合成特性，以葡萄糖为关键控制参数，通过分阶段建立其比消耗速率与渗透压之间的数学关系，设计初始培养基和流加培养基组成，并分阶段对流加培养过程中的葡萄糖消耗进行及时的预测和控制，指导流加速率的调整，形成了以满足细胞生长代谢需要为基本原则的流加培养过程优化设计模型。在此控制模型
34、指导下实施的动态流加培养实验，取得了良好的效果，葡萄糖供给体现了细胞的需要，葡萄糖浓度控制等过程操作符合设计要求，培养过程中的最大活细胞密度达到 8.95106 cells/ml，培养上清中的抗体浓度达到了 1000 mg/L 左右。该流加培养过程的最高活细胞密度、抗体浓度和抗体产率分别是商业无血清培养基(Excell620+0.2 primatone)批培养结果的 5.5 倍、4.8 倍和 3.5 倍。 通过本文的研究工作，为 GS-NSO 骨髓瘤细胞培养和抗 CD25 单克隆抗体的工业化生产过程成功开发了拥有自主知识产权的无血清无蛋白培养基，并建立了经济高效的流加培养过程。另一方面，本文所
35、采用的研究方法和控制策略以及对 GS 系统动物细胞生长代谢所取得的认识，对其它动物细胞培养过程的研究开发和抗体、重组蛋白药物等产品工业化生产过程的优化均有重要的借鉴作用。在 GS-NSO 骨髓瘤细胞培养过程中，营养物耗竭和代谢副产物积累所导致的培养环境恶化是限制细胞生长和产物表达的主要问题，因此深入认识细胞的生长、代谢和产物合成特性，了解培养环境对细胞生理状态的影响，是解决上述问题的前提。本文以表达抗 CD25 单克隆抗体的 GS-NSO 细胞为研究对象，通过批培养和流加培养实验，研究培养环境与细胞生长、代谢和产物表达的关系，特别是渗透压影响细胞代谢特性的规律，为优化 GS-NSO 细胞流加培
36、养过程提供技术手段和科学依据。 本文首先开发了支持 GS-NSO 细胞大规模培养和抗体表达的无血清低蛋白培养基 LP3.6，该培养基具有化学成分确定、蛋白总含量不超过 10 mg/L、不含各类水解物、成本低廉等优点。在该培养基中，GS-NSO 细胞批培养过程的最大活细胞密度达 3106cells/ml 以上，比商业无血清培养基(Excell620+0.2 primatone)提高了 1 倍以上；对数生长期的平均比生长速率达 0.75 day-1，比商业无血清培养基(Excell620+0.2primatone)提高了66；最大抗体浓度达到 307 mg/L，比商业无血清培养基(Excell62
37、0+0.2 primatone)提高了 46。在此基础上进一步开发了化学成分确定的无蛋白培养基(PFI3.4)，批培养过程的最大活细胞密度达到 3.21106 cells/ml，对数生长期的平均比生长速率达到 0.64 day-1。 在无血清培养基开发的基础上，通过批培养实验初步认识了 GS-NSO 细胞的生长、代谢和产物表达特点，在批培养过程中对数生长期的细胞比生长速率约为 0.660.81day-1，当葡萄糖浓度低于 6 mmol/L 时，细胞生长受到一定影响，比生长速率明显下降；葡萄糖浓度对其比消耗速率的影响不显著；在葡萄糖浓度低于 24 mmol/L 的范围内，消耗单位葡萄糖的乳酸产率
38、基本相同；而过高的葡萄糖浓度(gt;30 mmol/L)会导致更多更多代谢副产物乳酸的生成，加速培养环境的恶化；在批培养过程中抗体的比生成速率基本恒定，不受初始葡萄糖浓度的影响，约为 24 mg/109cells/day，最终抗体浓度和培养过程的 IVC 值成正比。 通过低(280 mOsm/kg)、中(330 mOsm/kg)和高(370 mOsm/kg)三种初始渗透压条件的流加培养实验，进一步研究了渗透压对 GS-NSO 细胞生长、代谢和产物合成的影响。研究发现在不同初始渗透压的培养过程中 GS-NSO 细胞的生长、代谢和抗体表达差异显著。动力学分析表明，当培养环境的渗透压过高(400 m
39、Osm/kg)时，细胞的比生长速率降低，培养后期细胞活性下降迅速；而当培养环境的渗透压过低(280mOsm/kg)时，又会对细胞活性的维持和培养过程的稳定产生不利影响，使培养周期缩短；在 330 mOsm/kg 的初始渗透压条件下流加培养过程的维持期最长，IVC 值最大，因此产物浓度也最高。另外，实验也发现葡萄糖的比消耗速率随着渗透压的提高而增大。在上述实验基础上通过对三种渗透压条件下处于对数生长期的细胞进行代谢途径流量分析，结果表明渗透压对葡萄糖的比消耗速率及其主要代谢途径的流量具有重要影响，胞内由丙酮酸生成乳酸的流量由渗透压 276 mOsm/kg 时的 0.184 mmol C/109c
40、ells/h 增大至渗透压 381 mOsm/kg 时的 0.528 mmol C/109cells/h，细胞在较高渗透压条件下多消耗的葡萄糖大部分流向了生成乳酸的途径；葡萄糖进入糖酵解途径的比例基本不变，约为 90；用于生物合成的葡萄糖绝对流量基本固定，处于 0.0710.080 mmol C/109cells/h 之间；大于 88的谷氨酰胺用于细胞生长，即生物合成反应，其绝对流量为 0.0550.062mmol C/109cells/h；在渗透压较低(276 mOsm/kg)时，谷氨酰胺的比消耗速率明显降低，而一部分谷氨酰胺则由谷氨酸合成，其流量约为 0.013 mmol C/109cel
41、ls/h。进一步的能量代谢分析表明在较低的渗透压(276 mOsm/kg)条件下细胞处于能量生成效率较高的状态，葡萄糖代谢由丙酮酸进入 TCA 循环的绝对流量较大，其占葡萄糖代谢的比例约为渗透压 381 mOsm/kg 时的 2 倍，葡萄糖代谢更多地进入产能效率较高的三羧酸循环途径，以满足细胞的需求，细胞通过葡萄糖代谢产生 ATP 的绝对速率和效率显著提高，但是在此种状态下细胞的生长、维持以及产物的合成却受到了一定的限制，与初始渗透压 330mOsm/kg 的流加培养过程相比，其单位体积的 IVC 值、抗体比生成速率和最大抗体浓度分别降低了 35、36和 48。 最后，本文根据上述 GS-NS
42、O 细胞的生长、代谢和产物合成特性，以葡萄糖为关键控制参数，通过分阶段建立其比消耗速率与渗透压之间的数学关系，设计初始培养基和流加培养基组成，并分阶段对流加培养过程中的葡萄糖消耗进行及时的预测和控制，指导流加速率的调整，形成了以满足细胞生长代谢需要为基本原则的流加培养过程优化设计模型。在此控制模型指导下实施的动态流加培养实验，取得了良好的效果，葡萄糖供给体现了细胞的需要，葡萄糖浓度控制等过程操作符合设计要求，培养过程中的最大活细胞密度达到 8.95106 cells/ml，培养上清中的抗体浓度达到了 1000 mg/L 左右。该流加培养过程的最高活细胞密度、抗体浓度和抗体产率分别是商业无血清培
43、养基(Excell620+0.2 primatone)批培养结果的 5.5 倍、4.8 倍和 3.5 倍。 通过本文的研究工作，为 GS-NSO 骨髓瘤细胞培养和抗 CD25 单克隆抗体的工业化生产过程成功开发了拥有自主知识产权的无血清无蛋白培养基，并建立了经济高效的流加培养过程。另一方面，本文所采用的研究方法和控制策略以及对 GS 系统动物细胞生长代谢所取得的认识，对其它动物细胞培养过程的研究开发和抗体、重组蛋白药物等产品工业化生产过程的优化均有重要的借鉴作用。在 GS-NSO 骨髓瘤细胞培养过程中，营养物耗竭和代谢副产物积累所导致的培养环境恶化是限制细胞生长和产物表达的主要问题，因此深入认
44、识细胞的生长、代谢和产物合成特性，了解培养环境对细胞生理状态的影响，是解决上述问题的前提。本文以表达抗 CD25 单克隆抗体的 GS-NSO 细胞为研究对象，通过批培养和流加培养实验，研究培养环境与细胞生长、代谢和产物表达的关系，特别是渗透压影响细胞代谢特性的规律，为优化 GS-NSO 细胞流加培养过程提供技术手段和科学依据。 本文首先开发了支持 GS-NSO 细胞大规模培养和抗体表达的无血清低蛋白培养基 LP3.6，该培养基具有化学成分确定、蛋白总含量不超过 10 mg/L、不含各类水解物、成本低廉等优点。在该培养基中，GS-NSO 细胞批培养过程的最大活细胞密度达 3106cells/ml
45、 以上，比商业无血清培养基(Excell620+0.2 primatone)提高了 1 倍以上；对数生长期的平均比生长速率达 0.75 day-1，比商业无血清培养基(Excell620+0.2primatone)提高了66；最大抗体浓度达到 307 mg/L，比商业无血清培养基(Excell620+0.2 primatone)提高了 46。在此基础上进一步开发了化学成分确定的无蛋白培养基(PFI3.4)，批培养过程的最大活细胞密度达到 3.21106 cells/ml，对数生长期的平均比生长速率达到 0.64 day-1。 在无血清培养基开发的基础上，通过批培养实验初步认识了 GS-NSO
46、细胞的生长、代谢和产物表达特点，在批培养过程中对数生长期的细胞比生长速率约为 0.660.81day-1，当葡萄糖浓度低于 6 mmol/L 时，细胞生长受到一定影响，比生长速率明显下降；葡萄糖浓度对其比消耗速率的影响不显著；在葡萄糖浓度低于 24 mmol/L 的范围内，消耗单位葡萄糖的乳酸产率基本相同；而过高的葡萄糖浓度(gt;30 mmol/L)会导致更多更多代谢副产物乳酸的生成，加速培养环境的恶化；在批培养过程中抗体的比生成速率基本恒定，不受初始葡萄糖浓度的影响，约为 24 mg/109cells/day，最终抗体浓度和培养过程的 IVC 值成正比。 通过低(280 mOsm/kg)、
47、中(330 mOsm/kg)和高(370 mOsm/kg)三种初始渗透压条件的流加培养实验，进一步研究了渗透压对 GS-NSO 细胞生长、代谢和产物合成的影响。研究发现在不同初始渗透压的培养过程中 GS-NSO 细胞的生长、代谢和抗体表达差异显著。动力学分析表明，当培养环境的渗透压过高(400 mOsm/kg)时，细胞的比生长速率降低，培养后期细胞活性下降迅速；而当培养环境的渗透压过低(280mOsm/kg)时，又会对细胞活性的维持和培养过程的稳定产生不利影响，使培养周期缩短；在 330 mOsm/kg 的初始渗透压条件下流加培养过程的维持期最长，IVC 值最大，因此产物浓度也最高。另外，实验
48、也发现葡萄糖的比消耗速率随着渗透压的提高而增大。在上述实验基础上通过对三种渗透压条件下处于对数生长期的细胞进行代谢途径流量分析，结果表明渗透压对葡萄糖的比消耗速率及其主要代谢途径的流量具有重要影响，胞内由丙酮酸生成乳酸的流量由渗透压 276 mOsm/kg 时的 0.184 mmol C/109cells/h 增大至渗透压 381 mOsm/kg 时的 0.528 mmol C/109cells/h，细胞在较高渗透压条件下多消耗的葡萄糖大部分流向了生成乳酸的途径；葡萄糖进入糖酵解途径的比例基本不变，约为 90；用于生物合成的葡萄糖绝对流量基本固定，处于 0.0710.080 mmol C/10
49、9cells/h 之间；大于 88的谷氨酰胺用于细胞生长，即生物合成反应，其绝对流量为 0.0550.062mmol C/109cells/h；在渗透压较低(276 mOsm/kg)时，谷氨酰胺的比消耗速率明显降低，而一部分谷氨酰胺则由谷氨酸合成，其流量约为 0.013 mmol C/109cells/h。进一步的能量代谢分析表明在较低的渗透压(276 mOsm/kg)条件下细胞处于能量生成效率较高的状态，葡萄糖代谢由丙酮酸进入 TCA 循环的绝对流量较大，其占葡萄糖代谢的比例约为渗透压 381 mOsm/kg 时的 2 倍，葡萄糖代谢更多地进入产能效率较高的三羧酸循环途径，以满足细胞的需求，细胞通过葡萄糖代谢产生 ATP 的绝对速率和效率显著提高，但是在此种状态下细胞的生长、维持以及产物的合成却受到了一定的限制，与初始渗透压 330mOsm/kg 的流加培养过程相比，其单位体积的 IVC 值、抗体比生成速率和最大抗体浓度分别降低了 35、36和 48。 最后，本文根据上述 GS-NSO 细胞的生长、代谢和产物合成特
