哺乳動物細胞是生物制藥領(lǐng)域中最常用的宿主細胞之一，廣泛應用于重組蛋白和單克隆抗體的生產(chǎn)。在過去的60年中，哺乳動物細胞培養(yǎng)技術(shù)經(jīng)歷了從簡單到復雜、從小規(guī)模到工業(yè)化的巨大演變。
培養(yǎng)基，作為細胞生長的“營養(yǎng)基石”，其配方優(yōu)化對于提升產(chǎn)品產(chǎn)量、提升產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性以及控制生產(chǎn)成本具有決定性影響，是上游工藝開發(fā)中的核心環(huán)節(jié)。
01
哺乳動物細胞培養(yǎng)用培養(yǎng)基
配方的歷史演變
早期細胞培養(yǎng)基依賴血清或組織提取物，這些成分雖能支持細胞生長，但其復雜化學性質(zhì)和可變性帶來了污染風險，且難以明確細胞生長所需的最小營養(yǎng)成分。
HAM F12和DMEM/F12等經(jīng)典培養(yǎng)基的成功開發(fā)，標志著培養(yǎng)基配方從經(jīng)驗驅(qū)動向科學設(shè)計的轉(zhuǎn)變。這些培養(yǎng)基逐漸取代血清，成為當時細胞培養(yǎng)的主流選擇。
無血清培養(yǎng)基在早期成就的基礎(chǔ)上，通過精細化補料策略、過程控制、質(zhì)量源于設(shè)計（Quality by Design）理念的引入，以及個性化培養(yǎng)基定制的趨勢，推動了培養(yǎng)基配方的持續(xù)優(yōu)化。
研究人員致力于開發(fā)能夠支持更高細胞密度、更強細胞活力和更高重組蛋白含量的培養(yǎng)基配方，以滿足日益增長的生物制藥需求。
02
細胞培養(yǎng)基的關(guān)鍵組分
能源物質(zhì)：葡萄糖是主要碳源，但高乳酸積累可能抑制細胞生長。替代碳源（如半乳糖、甘露糖）和優(yōu)化谷氨酰胺代謝（如使用丙酮酸或谷氨酸）可改善代謝效率，減少副產(chǎn)物積累。
氨基酸：必需氨基酸（如亮氨酸、色氨酸）和非必需氨基酸（如精氨酸、半胱氨酸）對細胞生長和產(chǎn)品質(zhì)量具有顯著影響，需精確調(diào)控其濃度以滿足細胞代謝需求。
脂質(zhì)和維生素：脂質(zhì)前體（如膽堿）和維生素（如B族維生素）對細胞膜結(jié)構(gòu)和代謝至關(guān)重要。
微量元素和無機鹽：銅、鋅等微量元素以及鈉、鉀、鈣等離子在代謝調(diào)控和滲透壓平衡中發(fā)揮關(guān)鍵作用，需精確配比以確保細胞生長環(huán)境的穩(wěn)定性。
03
細胞培養(yǎng)基開發(fā)全流程
細胞培養(yǎng)基的開發(fā)是一個系統(tǒng)化的過程，涵蓋需求分析與設(shè)計、組分篩選優(yōu)化以及工藝放大與驗證三個階段。
在需求分析與設(shè)計階段
需明確目標產(chǎn)物的特性（如抗體類型），確定關(guān)鍵質(zhì)量屬性（CQAs），并設(shè)計實驗方案（DoE）以指導后續(xù)開發(fā)。
在組分篩選優(yōu)化階段
研究人員基于培養(yǎng)基原型庫，優(yōu)化氨基酸、維生素和微量元素等關(guān)鍵組分，并根據(jù)代謝需求調(diào)整補料成分與濃度，確定補料的時機與頻率，實現(xiàn)精準營養(yǎng)供給。
在工藝放大與驗證階段
研究人員將培養(yǎng)工藝從搖瓶逐步轉(zhuǎn)移到生物反應器，調(diào)整規(guī)模放大參數(shù)，并驗證批次一致性和穩(wěn)定性，確保工業(yè)生產(chǎn)的可靠性和一致性。
圖1：細胞培養(yǎng)基開發(fā)流程圖
04
細胞培養(yǎng)基優(yōu)化方向
產(chǎn)量優(yōu)化
提高產(chǎn)量是培養(yǎng)基優(yōu)化的核心目標。關(guān)鍵營養(yǎng)素濃度的平衡對細胞生長和抗體產(chǎn)量至關(guān)重要。
例如，葡萄糖和谷氨酰胺的比例需要精確調(diào)控，以確保細胞獲得足夠的能量和碳源，同時避免代謝副產(chǎn)物的積累1。代謝副產(chǎn)物如乳酸和氨的積累會抑制細胞生長，降低抗體產(chǎn)量2。
因此，優(yōu)化培養(yǎng)基時需要通過實驗設(shè)計和動態(tài)監(jiān)測，控制這些副產(chǎn)物的生成。此外，能量代謝的調(diào)節(jié)也是提高產(chǎn)量的重要策略。通過補充三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）中間物，如α-酮戊二酸和蘋果酸，可以增強細胞的能量代謝，提高抗體產(chǎn)量3。
質(zhì)量屬性調(diào)控
抗體質(zhì)量屬性的優(yōu)化同樣至關(guān)重要。糖基化調(diào)控是影響抗體功能和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素4。
圖2：N-糖糖型圖譜4
例如，調(diào)整錳離子濃度可以顯著影響糖型分布, 在添加了錳離子的實驗中，當環(huán)境中葡萄糖的濃度為30 mM時，高甘露糖型水平較低5，尿苷和半乳糖的補充可以改變末端糖結(jié)構(gòu)6，這些調(diào)控措施可以顯著提高抗體的穩(wěn)定性和生物活性。
此外，電荷異構(gòu)體控制也是優(yōu)化的重要方面。表一總結(jié)了酸堿峰形成的主要原因。通過明確酸堿峰形成原因，能夠有的放矢地進行優(yōu)化。
表1：酸堿峰形成原因
例如針對C端賴氨酸保留引起的堿峰，及時調(diào)整銅鋅離子濃度比例可顯著降低堿峰比例7，而培養(yǎng)溫度和pH的精確控制可以減少脫酰胺水平8，從而提高抗體的均一性和穩(wěn)定性。
最后，聚集體與片段控制也是優(yōu)化的重要內(nèi)容。EDTA和半胱氨酸的添加可以減少蛋白質(zhì)片段化9，而滲透壓的調(diào)節(jié)可以降低蛋白質(zhì)聚集10，提高抗體的穩(wěn)定性。溫度策略的優(yōu)化也可以顯著影響產(chǎn)物的穩(wěn)定性，確?？贵w在儲存和運輸過程中的質(zhì)量。
05
細胞培養(yǎng)基優(yōu)化方法
系統(tǒng)生物學和機器學習方法的廣泛應用，為培養(yǎng)基優(yōu)化提供了強大的技術(shù)支持。系統(tǒng)生物學通過整合多組學數(shù)據(jù)（如基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、代謝組學）和計算模型，深入理解細胞代謝網(wǎng)絡(luò)。
GEMs-基因組規(guī)模代謝模型通過整合細胞的代謝網(wǎng)絡(luò)和蛋白分泌通路，預測關(guān)鍵代謝途徑和營養(yǎng)需求。
FBA-通量平衡分析通過計算代謝網(wǎng)絡(luò)中的通量分布，優(yōu)化培養(yǎng)基成分以提高目標產(chǎn)物的產(chǎn)量。動態(tài)代謝模型結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，模擬細胞在不同培養(yǎng)條件下的動態(tài)代謝行為。
機器學習方法則通過分析大量實驗數(shù)據(jù)，識別隱藏模式并預測最佳培養(yǎng)條件。
監(jiān)督學習可以預測培養(yǎng)基成分對細胞生長和抗體產(chǎn)量的影響，例如利用監(jiān)督學習框架優(yōu)化了CHO細胞培養(yǎng)基的金屬離子例如鐵和鋅離子濃度，提高了抗體的電荷均一性11。
非監(jiān)督學習通過聚類分析發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基成分與細胞行為之間的隱藏關(guān)系，例如利用PCA分析指出過高的半胱氨酸水平會壓倒細胞的抗氧化防御系統(tǒng)，最終阻礙細胞生長12。
混合機器學習和系統(tǒng)生物學框架與基于模型的實驗設(shè)計（DoE）相結(jié)合，顯著提高了實驗效率，減少了實驗負擔和復雜性。系統(tǒng)生物模型提供細胞過程的機制理解，機器學習算法擅長從復雜數(shù)據(jù)集中識別模式和進行預測，兩者的協(xié)同作用加速了培養(yǎng)基優(yōu)化進程。
哺乳動物細胞培養(yǎng)基開發(fā)經(jīng)歷了從經(jīng)驗驅(qū)動到數(shù)據(jù)驅(qū)動的轉(zhuǎn)型，系統(tǒng)生物學通過多組學整合和代謝網(wǎng)絡(luò)建模揭示關(guān)鍵營養(yǎng)需求，機器學習則從海量數(shù)據(jù)中挖掘優(yōu)化規(guī)律。兩者結(jié)合的智能框架結(jié)合模型引導的實驗設(shè)計，大幅提升了優(yōu)化效率，同時降低了實驗成本與復雜性。
Cytiva中國細胞培養(yǎng)基開發(fā)基地依托HyClone品牌，針對本土企業(yè)對高效開發(fā)和精準適配的需求，提供商業(yè)化培養(yǎng)基和補料組合的定制服務。
基地利用全球龐大的培養(yǎng)基原型庫，根據(jù)客戶需求篩選或優(yōu)化培養(yǎng)基和補料配方，實現(xiàn)量身定制。
同時，引入先進的培養(yǎng)基開發(fā)和實驗設(shè)計理念，結(jié)合細胞代謝通路分析、DoE方法和檢測設(shè)備，靈活制定方案，提供全方位服務支持，解決細胞生長緩慢、存活率低等問題，滿足高質(zhì)量品控需求。
隨著生物制藥行業(yè)的不斷發(fā)展，哺乳動物細胞培養(yǎng)基的開發(fā)和優(yōu)化將繼續(xù)朝著更加精準、高效和智能化的方向邁進。通過跨學科的協(xié)同創(chuàng)新，未來的研究將進一步突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，為生物制藥行業(yè)帶來更優(yōu)質(zhì)、更經(jīng)濟的治療產(chǎn)品，推動行業(yè)的持續(xù)進步和創(chuàng)新。
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