第五章动植物细胞培养动力学5．1动植物细胞培养的特性5．1．1动物细胞培养的特性早在1907年，美国的Harrison在世界上首次将蛙的神经组织在试管内培养成功，建立起动物组织体外培养的第一块基石。1950年前后，Enders及其同事发表了第一篇关于在培养细胞中生长病毒的报告，开拓了以动物病毒为研究对象的新领域。当时人们已知道在细胞培养物中存在一些有特殊功能的蛋白质，如干扰素、抗生素、疫苗等，但是由于动物细胞的营养要求复杂，培养要求严格，长期以来未能利用细胞培养来进行有经济价值的物质的生产。作为大规模细胞培养，Copsik等成功地进行了有关仓鼠肾细胞(BHK)的悬浮培养。随后，细胞培养的原理与方法日臻完善。采用在培养液中添加人工合成的小球状惰性聚合体载体，大幅度提高了细胞的产量，并在10000L发酵罐内成功地进行深层培养。随着基因工程技术的发展，人们逐渐认识到有许多基因产物不能在原核细胞内表达，它们需要经过真核细胞所特有的翻译后修饰，以及正确的切割、折叠后，才能形成与自然分子一样的功能和抗原性，使得动物细胞一跃成为一种重要的宿主细胞，用以生成多种生物制品，如病毒疫苗、淋巴因子(如r干扰素等)、单克隆体、红细胞生成素、纤维蛋白溶酶原激活剂、第八因子、肿瘤坏死因子、上皮生长因子和过氧化物歧化酶等。采用大规模细胞培养技术生产贵重药品在临床诊断、治疗和预防等方面都有重要意义。动物细胞培养与微生物培养对比有许多不同点(表5—1)。主要是动物细胞无细胞壁，机械强度低，适应环境能力差；生长速度缓慢，易受微生物污染，培养时需要抗生素，且大多数哺乳动物的细胞需附着在固体或半固体的表面才能生长；对营养要求严格；大规模培养时，不可简单地套用微生物培养的经验等。大规模细胞培养的主要危险之一是微生物污染。设备、培养基、悬浮系统和操作方法等的复杂性都易引起微生物污染，这是细胞培养都存在的一个普遍问题，在大规模培养中更为严重。动物细胞生长十分缓慢，并易被大多数微生物污染物所破坏。支原体(mycoplasma)对动物细胞培养的威胁最大，因为其感染力强且不易检出。因此，大规模细胞培养成功的必要条件是要有一个设备精良的细胞库(cellbank)。在细胞库中的冷冻细胞不受污染。由于动物细胞无细胞壁，因此人们一般认为细胞的脆性是导致培养控制(如溶氧)复杂化的关键。然而，选择坚韧的细胞，就不存在上述问题。经仔细设计的培养装置可使细胞悬浮液很好混合，在向培养基内流加基质和输送气体时也不会损坏细胞。动物细胞培养基的配方十分复杂，并且还需补充血清和蛋白胨。原料的质量控制和培养基的生产是大规模细胞培养的主要问题。因为血清来源困难，质量不稳定，残留血清给产物提纯带来困难等，所以，常采用无血清培养基。但是，在无血清培养基中更可能出现细胞毒(与水中的微量元素或有机污染有关)。因此，与培养物相接触的水必须采用高纯度的水。高纯度水的腐蚀性很强，并且有从金属物沥出元素的能力，所以，凡是与纯水接触的不锈钢容器和管道的表面都必须进行适当处理。培养基一般需经膜过滤器过滤。常用的膜过滤器可保证其无菌状态，甚至支原体也可被0．1um的过滤膜滤出。目前，利用动物细胞培养的方法生产的有用产品大致可分为4大类：①疫苗；②干扰素；③单克隆抗体；④遗传重组产品。总之，动物细胞培养过程的特征是：(1)生长速率慢，易被微生物污染，但可采用在培养基中加入抗生素等措施来解决。(2)细胞个体大且无壁，对环境敏感，因此应慎重解决供氧(搅拌与通风)与细胞脆弱的矛盾。(3)设备放大是一新课题，不能完全按照微生物反应过程的经验。(4)反应过程成本高，主要用于高附加值产物的生产。5．1.2植物细胞培养的特性1966年Klein指出，能利用植物细胞培养物代替栽培植株来生产生化制品。近40年来，植物细胞培养研究成功的例子已有不少，如用紫草悬浮培养物生产紫草宁，烟草细胞的大量培养等。与微生物相比，植物细胞具有这样一些特性(表4—1)：①细胞个大，并且细胞壁是以纤维素为主要成分，耐拉不耐扭，因此，抗剪切能力低。②与动物细胞培养类同，生长速率慢，为防止培养过程中染菌，需加抗生素。③细胞培养需氧，而培养液黏度大，且不能强力通风搅拌。④产物在细胞内且产量低。⑤培养的植物细胞常生长成各种大小的团块(从几个细胞到几百个细胞)，增加了悬浮培养的难度等。生长缓慢等是植物细胞的先天不足，然而它能产生一些微生物所不能合成的特有代谢产物，如朝鲜参皂角苷、桉树油和某些生物碱等。植物细胞培养技术为大规模生产这些有用物质提供了新途径。细胞培养用于试管苗生产，如兰花等名贵花卉的培育，可以不受环境的影响。利用植物细胞培养技术进行工业化生产，有产品规格好；易达到供需平衡；生产占地少等优点。进入20世纪90年代以来，伴随