無血清 + 懸浮培養(yǎng)：動(dòng)物細(xì)胞技術(shù)撐起疫苗、抗體生產(chǎn)半壁江山

摘要：你知道我們接種的疫苗、治療用的單抗藥物是怎么生產(chǎn)的嗎？背后藏著一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) —— 動(dòng)物細(xì)胞無血清懸浮培養(yǎng)。這項(xiàng)技術(shù)讓細(xì)胞擺脫對(duì)血清的依賴，在培養(yǎng)液中自由生長(zhǎng)，不僅實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)，還大幅提升了生物藥的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低了成本。本文將從技術(shù)原理、核心突破、新型細(xì)胞系到實(shí)際應(yīng)用，用通俗易懂的語(yǔ)言帶你走進(jìn)這個(gè)生物制藥的 "超級(jí)工廠"，看看它如何改變疫苗、重組蛋白和單抗的生產(chǎn)格局。

一、細(xì)胞培養(yǎng)的 "兩大流派"：貼壁 vs 懸浮

要理解這項(xiàng)黑科技，得先從細(xì)胞培養(yǎng)的基本分類說起。動(dòng)物細(xì)胞在體外培養(yǎng)時(shí)，主要分為 "貼壁派" 和 "懸浮派" 兩大陣營(yíng)。

"貼壁派" 的細(xì)胞比較 "戀家"，必須附著在固體表面才能生長(zhǎng)，就像爬山虎要攀著墻壁蔓延。實(shí)驗(yàn)室里常用培養(yǎng)瓶、細(xì)胞工廠，工業(yè)上則會(huì)用微載體或固定床生物反應(yīng)器來給它們提供附著點(diǎn)（圖 1A、B）。這種方式操作簡(jiǎn)單、便于觀察，適合實(shí)驗(yàn)室研究，但缺點(diǎn)很明顯：細(xì)胞長(zhǎng)滿表面后就會(huì)停止生長(zhǎng)，而且培養(yǎng)規(guī)模受限，很難滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求。

而 "懸浮派" 的細(xì)胞則像水中的魚，能在培養(yǎng)液中獨(dú)立生長(zhǎng)，要么單個(gè)游離，要么形成小細(xì)胞團(tuán)（圖 1C）。這種培養(yǎng)方式徹底擺脫了對(duì)固體表面的依賴，營(yíng)養(yǎng)分布更均勻，細(xì)胞生長(zhǎng)速度更快，還能輕松放大到工業(yè)級(jí)規(guī)模，成為生物制藥的首選模式。

更重要的是，根據(jù)培養(yǎng)液中是否添加血清，細(xì)胞培養(yǎng)還分為含血清培養(yǎng)和無血清培養(yǎng)。血清就像 "萬能營(yíng)養(yǎng)劑"，含有細(xì)胞生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)因子，但它成分復(fù)雜、批次差異大，還可能帶入病毒、支原體等污染物，給生物藥的安全性帶來隱患。無血清培養(yǎng)則用明確成分的化學(xué)添加劑替代血清，不僅解決了污染問題，還讓生產(chǎn)過程更穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量更可控。

二、懸浮培養(yǎng)的 "三大核心技術(shù)"：讓細(xì)胞成功 "上岸"

把原本依賴貼壁生長(zhǎng)的細(xì)胞，改造成能在懸浮液中自由生長(zhǎng)的 "游泳健將"，可不是件容易事，主要靠三大核心技術(shù)加持。

1. 直接 / 間接適應(yīng)法：循序漸進(jìn)的 "轉(zhuǎn)型訓(xùn)練"

這是最基礎(chǔ)的改造方法。直接法簡(jiǎn)單粗暴，直接把貼壁細(xì)胞的培養(yǎng)液換成懸浮培養(yǎng)液，讓細(xì)胞 "強(qiáng)行適應(yīng)"；間接法則更溫和，通過逐步提高懸浮培養(yǎng)液的比例、降低血清濃度，讓細(xì)胞慢慢過渡，這個(gè)過程可能需要長(zhǎng)達(dá) 2 個(gè)月（圖 2）。比如科學(xué)家曾用間接法花了 120 天，讓 Vero 細(xì)胞成功適應(yīng)懸浮生長(zhǎng)，最終獲得了能單個(gè)細(xì)胞生長(zhǎng)的 S-Vero 細(xì)胞；還有 MDCK 細(xì)胞在搖瓶中培養(yǎng)時(shí)，通過逐步替換培養(yǎng)液，成功適應(yīng)了商業(yè)化無血清培養(yǎng)基。

2. 無血清培養(yǎng)基優(yōu)化：量身定制 "營(yíng)養(yǎng)套餐"

無血清培養(yǎng)基是懸浮培養(yǎng)的 "靈魂"，它的成分都是明確的，包括基礎(chǔ)培養(yǎng)基、氨基酸、維生素、生長(zhǎng)因子等，能精準(zhǔn)滿足細(xì)胞生長(zhǎng)需求。科學(xué)家會(huì)根據(jù)不同細(xì)胞的特性，優(yōu)化培養(yǎng)基配方：比如降低 Vero S 細(xì)胞培養(yǎng)基中的鈣、鎂離子濃度，能讓細(xì)胞密度媲美貼壁培養(yǎng)，還能提高狂犬病病毒滴度；在 CHO 細(xì)胞培養(yǎng)基中添加類胰島素生長(zhǎng)因子，能顯著提升細(xì)胞生長(zhǎng)速率。

根據(jù)成分特點(diǎn)，無血清培養(yǎng)基還分為多種類型（表 1），比如不含動(dòng)物來源成分的 AFM 培養(yǎng)基、完全無蛋白的 CDM 培養(yǎng)基等，可根據(jù)生產(chǎn)需求靈活選擇。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化和代謝監(jiān)測(cè)調(diào)整，能讓培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)供給更精準(zhǔn)，進(jìn)一步提升細(xì)胞產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。

表 1 無血清培養(yǎng)基的發(fā)展及特點(diǎn)

3. 基因工程改造：給細(xì)胞 "開掛"

如果前兩種方法效果不佳，就需要基因工程出手了。科學(xué)家通過 CRISPR/Cas9 基因編輯、基因敲除或過表達(dá)等技術(shù)，改造細(xì)胞的生長(zhǎng)特性。比如給 MDCK 細(xì)胞插入 Siat7e 基因，能讓它穩(wěn)定適應(yīng)懸浮培養(yǎng)；敲除 HEK293 細(xì)胞的 NGFR 基因，也能幫助它實(shí)現(xiàn)懸浮生長(zhǎng)（表 2）。這些基因改造主要圍繞細(xì)胞的黏附特性和代謝途徑，讓細(xì)胞從根本上擺脫對(duì)貼壁的依賴，同時(shí)提升生長(zhǎng)效率和產(chǎn)物表達(dá)量。

表 2 為增強(qiáng)懸浮生長(zhǎng)能力開發(fā)的基因工程細(xì)胞系

三、大規(guī)模生產(chǎn)的 "神器"：生物反應(yīng)器與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

實(shí)驗(yàn)室里的小試成功后，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還得靠生物反應(yīng)器這個(gè) "大家伙"。生物反應(yīng)器就像一個(gè)精密的 "細(xì)胞溫室"，能精準(zhǔn)控制溫度、溶解氧、pH 值、攪拌速度等參數(shù)，模擬細(xì)胞在體內(nèi)的生長(zhǎng)環(huán)境（圖 3）。

根據(jù)設(shè)計(jì)不同，生物反應(yīng)器主要分為攪拌式、氣升式、波浪式、中空纖維式等。攪拌式反應(yīng)器應(yīng)用最廣，但產(chǎn)生的剪切力可能損傷細(xì)胞；波浪式、氣升式反應(yīng)器剪切力更低，更適合脆弱的動(dòng)物細(xì)胞。近年來，單使用反應(yīng)器、3D 打印反應(yīng)器、微流控反應(yīng)器等新型設(shè)備不斷涌現(xiàn)，進(jìn)一步提升了生產(chǎn)效率和靈活性。比如 3D 打印反應(yīng)器能集成傳感器和監(jiān)測(cè)模塊，支持 CHO 細(xì)胞的高密度懸浮培養(yǎng)；微流控反應(yīng)器則能精準(zhǔn)控制微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)胞培養(yǎng)。

大規(guī)模培養(yǎng)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)主要看 pH、溫度等基礎(chǔ)參數(shù)，現(xiàn)在則有了更先進(jìn)的技術(shù)，比如拉曼光譜能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葡萄糖、乳酸等營(yíng)養(yǎng)和代謝產(chǎn)物，電容光譜能預(yù)測(cè)細(xì)胞早期死亡，這些技術(shù)讓生產(chǎn)過程更可控，減少批次失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

四、冉冉升起的 "新星"：新型懸浮細(xì)胞系

除了傳統(tǒng)的 MDCK、CHO、Vero 等細(xì)胞系，一批新型懸浮細(xì)胞系正在崛起，成為生物制藥的新寵。

1. EB66 細(xì)胞：鴨胚胎干細(xì)胞衍生的 "全能選手"

EB66 細(xì)胞來自鴨胚胎干細(xì)胞，是唯一在 FDA 生物制品主文件中完整備案的鴨細(xì)胞系，安全性有保障。它能在無血清條件下高密度懸浮培養(yǎng)，倍增時(shí)間短、病毒敏感性強(qiáng)，還沒有致瘤性，特別適合疫苗生產(chǎn)。研究顯示，EB66 細(xì)胞培養(yǎng)密度能達(dá)到 1.6×10?個(gè) / 毫升，生產(chǎn)寨卡病毒的滴度高達(dá) 1×101? PFU / 毫升，一個(gè)生物反應(yīng)器就能產(chǎn)出約 1000 萬劑疫苗。

2. PER.C6 細(xì)胞：人源細(xì)胞的 "潛力股"

PER.C6 細(xì)胞來自人類視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤細(xì)胞，能在無血清懸浮液中高密度生長(zhǎng)，適合多種病毒和重組蛋白生產(chǎn)。用它生產(chǎn)脊髓灰質(zhì)炎疫苗時(shí)，產(chǎn)量和抗原效價(jià)都比傳統(tǒng) Vero 細(xì)胞高，而且容易放大生產(chǎn)。不過由于專利限制和監(jiān)管審批等問題，目前還沒有基于它的生物制品獲批上市。

3. AGE1.CR 細(xì)胞：番鴨胚胎來源的 "高效生產(chǎn)者"

AGE1.CR 細(xì)胞來自番鴨胚胎，經(jīng)過基因改造后，能在無動(dòng)物成分培養(yǎng)基中懸浮生長(zhǎng)，對(duì)谷氨酰胺的依賴度低，降低了生產(chǎn)成本。它生產(chǎn)流感病毒和 MVA 疫苗的效率很高，流感病毒滴度能達(dá)到 2100 血凝素單位 / 毫升，是制藥級(jí)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)選擇。

4. CCX.E10 細(xì)胞：鵪鶉胚胎衍生的 "病毒工廠"

CCX.E10 細(xì)胞來自鵪鶉胚胎，在化學(xué)成分明確的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，無致瘤性且病毒敏感性高。用它生產(chǎn)溶瘤病毒時(shí)，在 15 毫升到 10 升的不同規(guī)模容器中都能獲得高滴度，是工業(yè)化生產(chǎn)溶瘤病毒的潛力平臺(tái)。

五、無處不在的應(yīng)用：撐起生物制藥半壁江山

無血清懸浮培養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于病毒疫苗、重組蛋白和單克隆抗體的生產(chǎn)，成為生物制藥的核心支撐。

1. 病毒疫苗生產(chǎn)：更快、更安全

流感疫苗、狂犬病疫苗、手足口病疫苗等很多疫苗，都依賴懸浮細(xì)胞培養(yǎng)。比如用 MDCK 懸浮細(xì)胞生產(chǎn)流感疫苗，用 BHK-21 懸浮細(xì)胞生產(chǎn)口蹄疫疫苗，不僅產(chǎn)量高，還能避免傳統(tǒng)雞胚培養(yǎng)的批次差異和污染風(fēng)險(xiǎn)。EB66 細(xì)胞生產(chǎn)的 H5N1 流感疫苗，已經(jīng)進(jìn)入臨床階段，無不良反應(yīng)報(bào)告，還能快速應(yīng)對(duì)流感疫情。

2. 重組蛋白表達(dá)：精準(zhǔn)制造治療藥物

重組人促紅細(xì)胞生成素、凝血因子等治療性蛋白，大多用 CHO 或 HEK293 懸浮細(xì)胞生產(chǎn)。這些細(xì)胞能進(jìn)行類人化的翻譯后修飾，讓蛋白藥物更安全、更有效。通過基因工程改造的 HEK293 細(xì)胞，能高滴度生產(chǎn)重組蛋白，還能避免異源蛋白污染，滿足臨床應(yīng)用要求。

3. 單克隆抗體生產(chǎn)：高效量產(chǎn) "生物導(dǎo)彈"

單克隆抗體是治療癌癥、自身免疫性疾病的 "利器"，懸浮培養(yǎng)是其大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。比如新型 CHO-MK 細(xì)胞在 200 升生物反應(yīng)器中，8 天就能生產(chǎn)出 5 克 / 升的單抗；用攪拌式反應(yīng)器的灌流培養(yǎng)模式，單抗日產(chǎn)量能達(dá)到 61.4 毫克，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、污染風(fēng)險(xiǎn)低。

六、未來展望：技術(shù)持續(xù)升級(jí)，潛力無限

雖然無血清懸浮培養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)很成熟，但仍有挑戰(zhàn)需要克服：部分細(xì)胞系難以適應(yīng)懸浮環(huán)境、無血清培養(yǎng)基研發(fā)周期長(zhǎng)、高密度培養(yǎng)時(shí)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)和代謝廢物處理難度大等。

未來，隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家會(huì)通過基因編輯精準(zhǔn)改造細(xì)胞代謝途徑，讓細(xì)胞更適應(yīng)懸浮培養(yǎng)、更高產(chǎn)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)和連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)合，會(huì)讓生產(chǎn)過程更高效、更穩(wěn)定；新型生物反應(yīng)器的研發(fā)，將進(jìn)一步突破高密度培養(yǎng)的瓶頸。

這項(xiàng)技術(shù)不僅會(huì)讓疫苗、抗體等生物藥更易獲取、更便宜，還會(huì)為細(xì)胞治療、基因治療等新興領(lǐng)域提供支撐，為個(gè)性化醫(yī)療和新藥研發(fā)打開更廣闊的空間。相信在不久的將來，會(huì)有更多基于這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新藥物走進(jìn)我們的生活，守護(hù)健康。

識(shí)別微信二維碼，可添加藥時(shí)空小編

請(qǐng)注明：姓名+研究方向！