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代谢副产物“暗礁”如何击沉细胞活率?百林科生物反应器助您破解困局


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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

  1. 短期(24-48h):细胞比生长速率(μ)下降,ATP合成减少,影响增殖。

  2. 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:

  1. 破坏细胞膜完整性,导致渗透压失衡;

  2. 抑制TCA循环,减少ATP生成,降低细胞比生长速率;

  3. 干扰蛋白糖基化,影响抗体药物疗效(如电荷异质性增加);

  4. 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:

  1. 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。

  2. 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:

  1. 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。

  2. 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:


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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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