在生物制药的细胞培养过程中,代谢副产物的累积常常是影响细胞活率和产品质量的关键因素之一。乳酸、氨、丙氨酸等代谢副产物一旦超过阈值,就会抑制细胞生长,降低蛋白表达量,甚至导致批次失败。如何有效控制代谢副产物,优化细胞培养环境,成为行业亟待解决的难题。
百林科CytoLinX® 生物反应器系列(包括一次性罐体式、波浪式、玻璃台式),凭借智能化控制、高效传质和精准监测技术,为代谢副产物管理提供了整体的解决方案。
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百林科CytoLinX® 生物反应器系列
细胞培养的"慢性毒药"代谢副产物的
形成机制与危害:
1、乳酸(Lactate)
形成机制:细胞在葡萄糖代谢中优先通过糖酵解途径生成丙酮酸,在缺氧或高葡萄糖条件下,细胞倾向于无氧代谢,导致乳酸大量积累。乳酸的积累会降低培养环境的pH值,抑制关键酶的活性(如磷酸果糖激酶),进而阻碍能量代谢和蛋白合成。
影响:
短期(24-48h):细胞比生长速率(μ)下降,ATP合成减少,影响增殖。
长期(>72h):诱导凋亡,活率骤降,单抗产量减少。
2、氨(Ammonia)
形成机制:主要来自谷氨酰胺、天冬酰胺等氨基酸的脱氨基作用,以及核酸分解代谢。高氨浓度会破坏细胞膜完整性,并干扰蛋白翻译后修饰(PTM),如影响糖基化模式,降低抗体药物疗效。
影响:
破坏细胞膜完整性,导致渗透压失衡;
抑制TCA循环,减少ATP生成,降低细胞比生长速率;
干扰蛋白糖基化,影响抗体药物疗效(如电荷异质性增加);
诱导凋亡,当浓度>2 mM时活率显著下降。在CHO细胞培养中,氨积累>5 mM可使活率降低30%以上,并减少产物表达量。
3、二氧化碳(CO₂)
形成机制:主要来自于TCA循环和氧化磷酸化,尤其在高速代谢的细胞中(如高密度培养),气体交换不足(如搅拌速率低或通气量不足)时累积。
影响:
pH波动:CO₂积累导致pH下降(尤其在封闭式生物反应器中),抑制细胞代谢。
蛋白错误折叠:高CO₂水平可能影响蛋白分泌和糖基化,降低产品质量。
4、甲基丙二酸(MMA)
形成机制:与维生素B12缺乏相关,影响丙酸代谢,导致MMA积累。研究发现MMA可抑制CD8+ T细胞功能,降低抗肿瘤免疫反应。
影响:
免疫抑制:在CAR-T细胞培养中,MMA积累可能削弱细胞杀伤活性。
衰老相关:长期暴露可加速细胞衰老,降低生产效率。
百林科反应器的优化策略
百林科CytoLinX® 生物反应器系列(如一次性罐体式反应器、波浪式反应器、台式玻璃反应器)通过以下方式缓解代谢副产物累积问题:
1、智能化过程控制
实时监测:集成pH、DO、CO₂等传感器,动态调整培养条件(如补料策略),可减少乳酸和氨的积累。
自适应反馈:通过DCS或PLC控制系统自动调节搅拌速率和通气量,优化氧传质效率,降低无氧代谢比例。
2、高效传质设计
层流优化:采用特定搅拌桨设计,减少剪切力同时增强混合,避免局部代谢物堆积。
气体交换增强:CO₂ stripping技术有效移除溶解CO₂,稳定pH。
3、代谢调控补料策略
葡萄糖/谷氨酰胺限制:采用动态补料,可避免营养过剩导致的副产物爆发。
替代碳源:如使用半乳糖替代部分葡萄糖,可减少乳酸生成。
百林科CytoLinX® 生物反应器系列通过“监测-调控-优化”闭环策略,有效破解了代谢副产物困局,为生物制药的高效生产提供了可靠解决方案。
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