【生物工艺】工业悬浮培养常见细胞类型
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2024-12-13 08:01
上海
一、引言
在现代生产中，工业悬浮培养发挥着至关重要的作用。随着科技的不断进步，越来越多的产品依赖于大规模的细胞培养技术。悬浮培养作为一种高效的细胞培养方式，能够为工业化生产提供同步分裂、增殖迅速的大量细胞，满足市场对各类产品的需求。这种培养方式不仅提高了生产效率，还降低了生产成本，为众多领域的发展提供了有力支持。接下来，我们将探讨工业上使用的悬浮培养中最常见的细胞类型。二、常见的工业悬浮培养细胞类型
（一）真核细胞
CHO 细胞：CHO 细胞是一种常用的哺乳动物细胞，在大规模蛋白质生产中应用广泛。它具有较高的产量，能够在无血清悬浮培养中以高密度生长，在延长的发酵周期中维持高水平的蛋白质表达。此外，CHO 细胞在蛋白质折叠和糖基化方面表现出色，其表达的蛋白质上可以掺入复杂的聚糖，有助于蛋白质折叠和细胞内运输，增加对蛋白水解的抵抗力并延长体内血清半衰期。HEK293 细胞：HEK293 细胞是来自人类胚胎肾脏的细胞系。它具有高产量和较好的蛋白质折叠能力，但相比 CHO 细胞，其糖基化能力较差。HEK293 细胞在疫苗和蛋白质生产中发挥着重要作用，适合大规模蛋白质和治疗性疫苗生产。同时，它还常被用于基因功能和调控的研究，以及转染研究。BHK 细胞：BHK 细胞是源自小鼠胚胎的哺乳动物细胞系。BHK 细胞常用于病毒研究和生物药物生产中，特别是疫苗和蛋白质表达。昆虫细胞：昆虫细胞如昆虫卵巢细胞（Sf9、Sf21）和昆虫脾脏细胞（High Five），培养条件较简单，具有高产量，并且能够实现蛋白质正常折叠和糖基化，但其表达的蛋白质往往需要进一步纯化和修饰。此外，还有一些特定的昆虫培养细胞，如秋季翅蛾细胞（Trichoplusia ni）、家蚕卵巢细胞（BmN）等，在表达复杂蛋白质、大分子蛋白质或敏感蛋白质时表现出色，可以为蛋白质的高产量和高质量提供优势。酵母细胞：酵母细胞如酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和甘酒酵母（Pichia pastoris），具有高产量和较好的蛋白质折叠能力，易于培养和扩展。特别是甘酒酵母，能够实现糖基化和区分性泛素化等重要后翻译修饰。（二）原核细胞
大肠杆菌：大肠杆菌是最常用的原核细胞，被广泛应用于大规模生产蛋白质。它具有高产量、培养条件简单和易于扩展的特点，但由于其为原核细胞，其表达的蛋白质缺乏糖基化和蛋白质折叠较复杂。（三）特殊细胞类型
昆虫培养细胞：除了常用的昆虫细胞系，还有一些特定的昆虫培养细胞常用于大规模蛋白质生产。这些细胞在表达复杂蛋白质、大分子蛋白质或敏感蛋白质时具有优势，可以为蛋白质的高产量和高质量提供保障。哺乳动物原代细胞：哺乳动物原代细胞系是直接从动物组织中分离的细胞，具有更高的产量和更逼真的蛋白质折叠能力，同时还可以保留一些动物特有的翻译后修饰和细胞信号传导通路。然而，哺乳动物原代细胞的分离和培养困难、生命周期短以及不稳定，在大规模生产中使用较少。三、细胞类型的特点
悬浮生长的细胞具有在无固定基质的培养条件下生长的良好适应性，如 HEK293F 细胞、CHO 细胞、SF9 细胞、Yeast 细胞和 Hybridoma 细胞等，这些细胞不依附于固定基质表面而自由悬浮生长，为大规模生产提供了可能。例如，CHO 细胞作为悬浮生长细胞的代表之一，被广泛用于生物制药领域，其在悬浮培养中能够适应无固定基质的环境，实现大规模的重组蛋白生产。悬浮生长细胞通常能够在相对较高的细胞密度下生长，非常适合进行大规模生物制品的生产。以 CHO 细胞为例，它能够在无血清悬浮培养中以高密度生长，在延长的发酵周期中维持高水平的蛋白质表达，为生物制药等领域提供了大量的蛋白质等生物制品。悬浮生长细胞常常表现出高效的外源基因表达能力，是重要的基因工程工具。例如，HEK293F 细胞具有良好的细胞生长和高效的蛋白质表达能力，常用于基因工程和蛋白质生产领域。酵母细胞如 Pichia pastoris 也能在悬浮培养中生长，并且能够实现糖基化和区分性泛素化等重要后翻译修饰，为基因工程提供了有力支持。相较于贴壁细胞，悬浮细胞往往具有更快的生长速度，加速了生产和实验的进程。例如，悬浮肝癌细胞在培养过程中不需要附着在培养瓶的壁上，而是在培养液中自由悬浮生长，其生长速度通常比贴壁肺癌细胞快。HEK293F 细胞等悬浮生长细胞的快速生长特性，为生物医学研究和工业生产节省了时间，提高了效率。四、细胞类型在生物医学研究中的应用
1. 蛋白质表达与生产：提供重要实验材料。
悬浮生长细胞常用于大规模的蛋白质表达和生产，为生物医学研究提供了重要的实验材料。例如，CHO 细胞、HEK293 细胞等哺乳动物细胞，以及酵母细胞等，在蛋白质折叠和糖基化方面具有独特优势，能够表达出高质量的蛋白质。同时，原核细胞中的大肠杆菌虽然缺乏糖基化和复杂的蛋白质折叠能力，但具有高产量、培养条件简单和易于扩展的特点，也在大规模蛋白质生产中发挥着重要作用。此外，昆虫培养细胞和哺乳动物原代细胞在特定情况下也能为蛋白质的高产量和高质量提供优势。2. 细胞因子生产：在细胞治疗和再生医学研究中有独特优势。
悬浮生长细胞在生产生长因子等细胞因子方面有独特的优势，可应用于细胞治疗和再生医学的研究。例如，酵母细胞如 Pichia pastoris 能在悬浮培养中生长，并且能够实现糖基化和区分性泛素化等重要后翻译修饰，为细胞因子的生产提供了有力支持。同时，昆虫细胞也具有高产量和培养条件较简单的特点，在细胞因子生产中也有一定的应用潜力。3. 抗体生产：在单克隆抗体大规模制备中起重要作用。
Hybridoma 细胞的悬浮生长形式在单克隆抗体的大规模制备中具有重要作用，支持了抗体疗法和诊断的发展。此外，CHO 细胞等哺乳动物细胞也在抗体生产中发挥着重要作用，其较高的产量和较好的蛋白质折叠和糖基化能力，能够生产出高质量的单克隆抗体。4. 疫苗生产：为疫苗研发提供关键技术支持。
一些悬浮生长细胞如 SF9 细胞被用于病毒样颗粒的生产，为疫苗研发提供了关键的技术支持。同时，动物细胞悬浮培养技术在兽用疫苗生产领域中也得到了广泛应用，如通过对 BHK-21 细胞驯化实现悬浮培养并用于兽用疫苗生产。此外，国内也在不断推进疫苗生产工艺的创新，如采用反应器悬浮培养动物细胞技术生产疫苗，有望解决我国疫苗生产工艺瓶颈问题。五、未来发展方向
基因编辑技术如 CRISPR/Cas9 平台在月季悬浮细胞系中得到了成功应用，筛选出高效 sgRNA，大大提高了月季基因编辑的效率。未来可以将基因编辑技术广泛应用于各种工业悬浮培养细胞类型中，通过对细胞进行精准的基因改造，提高其在蛋白质表达、药物生产等不同领域的性能。例如，在 CHO 细胞中，可以利用基因编辑技术优化其蛋白质折叠和糖基化能力，提高重组蛋白的产量和质量；在酵母细胞中，可以通过基因编辑实现更高效的糖基化和区分性泛素化等后翻译修饰，为基因工程提供更有力的支持。运用系统生物学的方法，深入研究悬浮生长细胞的基因调控网络和代谢特性，可以为优化生产工艺提供理论支持。例如，通过对悬浮细胞培养过程中的代谢产物进行分析，可以了解细胞的代谢途径和能量需求，从而优化培养基成分和培养条件，提高细胞的生长速度和产物产量。此外，系统生物学研究还可以帮助我们更好地理解细胞在不同环境下的响应机制，为应对培养过程中的各种挑战提供策略。纳米技术在 RNA 研究中已经有了一定的应用，功能化磁性纳米粒子能够有效地从悬浮培养细胞中分离 mRNA，为生物学研究提供了技术手段。在植物组织培养中，纳米材料也对愈伤组织的诱导和分化、体细胞无性系变异、次生代谢产物的生产等产生重要影响。未来可以将纳米技术与悬浮细胞培养相结合，设计纳米载体用于悬浮细胞中的基因传递或药物释放，实现更精准的细胞工程。例如，可以利用纳米载体将特定的基因导入悬浮细胞中，提高基因表达效率；或者利用纳米材料作为营养物质或诱导子，提高代谢产物的产量。同时，纳米技术还可以应用于悬浮细胞培养的设备和工艺中，提高培养效率和质量。🎁
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