(精品)动物细胞工程第二章 (2).ppt
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1、第二章第二章动物细胞的大规模离体培养技术动物细胞的大规模离体培养技术引引言言动物细胞培养方法、工艺及控制动物细胞培养方法、工艺及控制动物细胞大规模培养反应器及改进动物细胞大规模培养反应器及改进动物细胞的高密度培养动物细胞的高密度培养第一节第一节引言引言v基本概念基本概念v发展简史发展简史v微生物与动物细胞的差异微生物与动物细胞的差异v动物细胞大规模培养的应用动物细胞大规模培养的应用第一节第一节引言引言动物细胞大规模培养技术动物细胞大规模培养技术(large-scaleculturetechnology)人工条件下,动物细胞在反应器中进行大量地、人工条件下,动物细胞在反应器中进行大量地、高密度培
2、养,以生产珍贵生物制品的技术。高密度培养,以生产珍贵生物制品的技术。pHpH温度温度溶氧溶氧发酵工发酵工艺等条艺等条件件一一发发展展简简史史1907Harrison创立创立了体外组织培养技术;了体外组织培养技术;1951Earle开发动物细胞体外培养开发动物细胞体外培养合成培养基合成培养基;1957Graff应用应用灌注技术灌注技术,培养密度达,培养密度达1010个个/L;1962Capstick成功实现小鼠成功实现小鼠肾细胞的大规模肾细胞的大规模培养,培养,标志着动物细胞大规模培养技术的开始;标志着动物细胞大规模培养技术的开始;1967VanWezel成功地以成功地以DEAE-Sephade
3、xA50为为载载体体,实现动物细胞的载体培养;,实现动物细胞的载体培养;1975Kohler和和Milstein成功建立成功建立单克隆抗体技术单克隆抗体技术;1975Sato用激素代替血清使垂体细胞株在无血清介质用激素代替血清使垂体细胞株在无血清介质中生长成功,预示中生长成功,预示无血清培养无血清培养的诱人前景;的诱人前景;1986DemeBiotech公司首次成功地用公司首次成功地用微囊化技术微囊化技术大规大规模培养杂交瘤细胞来生产单克隆抗体;模培养杂交瘤细胞来生产单克隆抗体;1989Konstantinovti首次提出大规模细胞培养过程中首次提出大规模细胞培养过程中的生理状态控制技术,更新
4、培养工艺的的生理状态控制技术,更新培养工艺的优化控制理论优化控制理论。一一发发展展简简史史二、二、微生物与微生物与动物细胞动物细胞差异差异细胞壁细胞壁生长生长速率速率0.1-0.5h-10.01-0.05h-1需氧量需氧量CO2需求需求营养要求营养要求环境影响环境影响生长浓度生长浓度1091010/ml106/ml大小大小1002000nm10100um三三动物动物细胞细胞培养培养技术技术应用应用q疫苗生产上的应用疫苗生产上的应用疫苗生产上的应用疫苗生产上的应用 v已实现商业化生产的产品有口蹄疫苗、狂犬病毒疫苗、已实现商业化生产的产品有口蹄疫苗、狂犬病毒疫苗、骨髓灰质炎病毒疫苗、牛白血病疫苗骨
5、髓灰质炎病毒疫苗、牛白血病疫苗q干扰素生产上的应用干扰素生产上的应用干扰素生产上的应用干扰素生产上的应用 v自自1957年发现干扰素以来,经历了自然干扰素、基因重年发现干扰素以来,经历了自然干扰素、基因重组干扰素和蛋白质工程干扰素等组干扰素和蛋白质工程干扰素等3个发展阶段。个发展阶段。v英国英国Wellcome公司为了满足临床实验的需要,采用公司为了满足临床实验的需要,采用8000LNamalwa细胞生产细胞生产干扰素。干扰素。DMEM培养基培养基胎牛血清胎牛血清其他成分其他成分锥形瓶逐级锥形瓶逐级放大培养放大培养加碱(碳酸加碱(碳酸氢钠)氢钠)加糖(葡萄加糖(葡萄糖)糖)灌注培养液灌注培养液
6、微载体微载体5L种子罐培种子罐培养养培养液培养液50L生生物物反反应应器器接种狂犬接种狂犬病毒病毒出液口出液口收获病毒收获病毒Vero细胞和狂犬病毒的培养工艺细胞和狂犬病毒的培养工艺q单克隆抗体生产上的应用单克隆抗体生产上的应用单克隆抗体生产上的应用单克隆抗体生产上的应用 v应用动植物细胞生产单克隆抗体是一条经济、可靠的途径。应用动植物细胞生产单克隆抗体是一条经济、可靠的途径。v英国英国Celltech公司采用无血清培养液在公司采用无血清培养液在10000L气升式生物反应气升式生物反应器中培养杂交瘤细胞生产单克隆抗体;器中培养杂交瘤细胞生产单克隆抗体;v国内国内也已成功地应用中空纤维培养系统和
7、微载体培养动物细胞也已成功地应用中空纤维培养系统和微载体培养动物细胞生产单克隆抗体作为血型定型试剂。生产单克隆抗体作为血型定型试剂。q其他基因重组产品生产上的应用其他基因重组产品生产上的应用其他基因重组产品生产上的应用其他基因重组产品生产上的应用 v细胞能精确地转录、翻译和加工较大或更复杂的克隆蛋白质;细胞能精确地转录、翻译和加工较大或更复杂的克隆蛋白质;v可以简化蛋白质的分离提纯;可以简化蛋白质的分离提纯;v美国美国Endotronic公司用中空纤维生物反应器大规模培养动物细公司用中空纤维生物反应器大规模培养动物细胞生产出免疫球蛋白胞生产出免疫球蛋白G、A和和M,尿激酶,人生长激素等。尿激酶
8、,人生长激素等。第二节第二节动物细胞培养方法、工艺动物细胞培养方法、工艺及其控制及其控制环境系统环境系统培养系统培养系统反应器反应器提取系统提取系统温度温度v细胞体外生存的基本条件之一;细胞体外生存的基本条件之一;v不同源细胞,最适生长温度不尽相同,昆虫细胞不同源细胞,最适生长温度不尽相同,昆虫细胞25-28,哺乳动物细胞哺乳动物细胞37;v低温耐受力强于高温;低温耐受力强于高温;v动物细胞培养的温度允许波动的范围在动物细胞培养的温度允许波动的范围在0.25。1、动物细胞、动物细胞培养的环境培养的环境一一动物细胞动物细胞培养条件培养条件pHv合适的合适的pH是细胞生存的必要条件之一。是细胞生存
9、的必要条件之一。v开始培养时培养液的理想开始培养时培养液的理想pH为为7.4,随着培养的进行,随着培养的进行,pH会因细胞会因细胞代谢所释放的代谢所释放的CO2而下降,但必须控制在而下降,但必须控制在7.0以上。以上。v大规模培养时,影响培养液的大规模培养时,影响培养液的pH稳定性的主要因素有三种:稳定性的主要因素有三种:缓缓冲液的缓冲能力及种类;对流空间大小;葡萄糖浓度。冲液的缓冲能力及种类;对流空间大小;葡萄糖浓度。v磷酸对动物细胞有毒害作用,常用的缓冲系统是磷酸对动物细胞有毒害作用,常用的缓冲系统是NaHCO3/CO2。v调节培养液调节培养液pH的方法:的方法:oA、添加添加NaHCO3
10、缓冲剂及通入含缓冲剂及通入含CO2的空气进行调节;的空气进行调节;oB、用用0.1mol/LNaOH或或0.1mol/LHCl进行调节。进行调节。利用酸碱直接调节会发生局部过酸或过碱的现象,从而对利用酸碱直接调节会发生局部过酸或过碱的现象,从而对细胞产生毒害作用。细胞产生毒害作用。2、营养成分、营养成分细胞的生长、繁殖以及产物的合成都必须从环境中摄取各种细胞的生长、繁殖以及产物的合成都必须从环境中摄取各种营养物质以合成细胞物质及在新陈代谢中起调节作用。营养物质以合成细胞物质及在新陈代谢中起调节作用。这些营养物质包括碳源、氮源、氨基酸、无机盐、微量元素、这些营养物质包括碳源、氮源、氨基酸、无机盐
11、、微量元素、生长因子,等。生长因子,等。3、溶解氧、溶解氧氧气是细胞代谢所必需的。氧气是细胞代谢所必需的。一般在培养初期要求较低的溶氧水平,而在对数生长期或培一般在培养初期要求较低的溶氧水平,而在对数生长期或培养后期,当细胞增多时溶氧的水平代谢将受到阻碍;养后期,当细胞增多时溶氧的水平代谢将受到阻碍;而溶氧浓度过高又对细胞产生毒害作用,使细胞的代谢受到而溶氧浓度过高又对细胞产生毒害作用,使细胞的代谢受到抑制。抑制。影响溶解氧的因素:影响溶解氧的因素:通风与搅拌通风与搅拌通风与搅拌通风与搅拌 罐压罐压罐压罐压 培养液的理化性质培养液的理化性质培养液的理化性质培养液的理化性质 反应器的结构及空气分
12、布器反应器的结构及空气分布器反应器的结构及空气分布器反应器的结构及空气分布器 传递推动力传递推动力传递推动力传递推动力 4、渗透压等其他因素、渗透压等其他因素渗透压、血清、剪切力等动物细胞有很大的影响。渗透压、血清、剪切力等动物细胞有很大的影响。二二动物细胞动物细胞大规模大规模培养用培养用培养基培养基天然培养基天然培养基合成培养基合成培养基天然天然培养基培养基天然培养基是使用最早、最为有效的动物细胞天然培养基是使用最早、最为有效的动物细胞培养基,它主要取自动物体液或从动物组织分离培养基,它主要取自动物体液或从动物组织分离提取而得;提取而得;类型类型血清血清优质的血清外观应为透明、无溶血、淡黄色
13、、无沉淀物。优质的血清外观应为透明、无溶血、淡黄色、无沉淀物。血浆血浆容易发生液化,目前已很少单独使用,一般是禽类血浆。容易发生液化,目前已很少单独使用,一般是禽类血浆。组织浸出液组织浸出液常用的是胚胎浸出液(如鸡胚浸出液),有促进细胞生长的作用。常用的是胚胎浸出液(如鸡胚浸出液),有促进细胞生长的作用。水解乳蛋白水解乳蛋白由乳白蛋白经水解而制得,氨基酸的含量较高。由乳白蛋白经水解而制得,氨基酸的含量较高。优点是营养成分丰富、培养效果良好;优点是营养成分丰富、培养效果良好;缺点是成分复杂、个体差异大、来源有限。缺点是成分复杂、个体差异大、来源有限。合成合成培养基培养基既能提供一个近拟于体内的生
14、存环境,又便于控制和既能提供一个近拟于体内的生存环境,又便于控制和提供标准化体外生存环境。提供标准化体外生存环境。合成培养基种类很多,但一般都含有氨基酸、维生素、合成培养基种类很多,但一般都含有氨基酸、维生素、糖类、无机离子和一些辅助性成分。糖类、无机离子和一些辅助性成分。根据天然培养基的成分,用化学物质对细胞体生存环根据天然培养基的成分,用化学物质对细胞体生存环境中各种已知物质在体外人工条件的模拟,经过反复实境中各种已知物质在体外人工条件的模拟,经过反复实验筛选、强化和重新组合后形成的培养基。验筛选、强化和重新组合后形成的培养基。主要营养成份主要营养成份氨基酸氨基酸合成培养基的主要成分,以必
15、需氨基酸为主,一般细胞仅能利用氨合成培养基的主要成分,以必需氨基酸为主,一般细胞仅能利用氨基酸的基酸的L型同分异构体。几乎所有的细胞对谷氨酰胺都有较高的型同分异构体。几乎所有的细胞对谷氨酰胺都有较高的要求,细胞需要谷氨酰胺合成核酸和蛋白质。要求,细胞需要谷氨酰胺合成核酸和蛋白质。维生素维生素维持细胞生长的一种生物活性物质,它们在细胞中大多形成酶的辅维持细胞生长的一种生物活性物质,它们在细胞中大多形成酶的辅基或辅酶,对细胞的代谢有重大的影响。基或辅酶,对细胞的代谢有重大的影响。糖类糖类主要是葡萄糖,通过糖酵解形成丙酮酸,并可转化乳酸或乙酰乙酸主要是葡萄糖,通过糖酵解形成丙酮酸,并可转化乳酸或乙酰
16、乙酸进入柠檬酸循环形成进入柠檬酸循环形成CO2。对胚胎细胞和转化细胞,乳酪在培养基对胚胎细胞和转化细胞,乳酪在培养基中的积累特别明显。中的积累特别明显。无机离子无机离子其他成分其他成分v代谢的中间产物代谢的中间产物v氧化还原剂氧化还原剂v三磷酸腺苷三磷酸腺苷v辅酶辅酶A等成分。等成分。细胞的重要组成部分之细胞的重要组成部分之一,参与细胞的代谢活一,参与细胞的代谢活动。培养基中无机离子动。培养基中无机离子除除K、Na等外,还等外,还含有含有Fe2+、Zn2、Cu2等微量离子。等微量离子。常用的合成培养基常用的合成培养基v较为常用的有较为常用的有199培养液、培养液、Eagle(MEM、DMEM)
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