动植物细胞培养动力学

植物与微生物细胞生长速率的比较
生物种类 烟草 番茄 人参 酿酒酵母 红曲霉 μ (h-1) 0.032～0.04 0.014～0.026 0.021 0.5～0.65 0.125 平均时代时间 (h) 21.7～17.3 49.5～26.7 33.0 1.39～1.07 5.54
目前，无论在实验室还是在工厂中，大至20 吨罐，广泛采用分批式操作。 藤田开发的二步培养法是分批培养法的一种 变形，同时使用两个反应器，第一个反应器主要是 为大量培养细胞，第二个反应器是为增加目的产物 的含量。 分批培养中，在一定范围内增加底物浓度， 可增加目的产物的产量，但浓度过高又会造成接种 细胞的死亡。
可以 简单 0.5～5 无 一般 有 100～1000 胞内或胞外 高 ～75
k L a[h 1 ]
产物存在 产物浓度（%） 含水量
产物种类
疫苗、激素、抗体、
生长因子、免疫调节 剂等
酶、生物碱、天然色素
、有机化合物等
发酵食品、抗生素
、有机化合物、酶 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，在大规模培养更为严重。 动物细胞生长十分缓慢，并易为大多数微生物 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（cell bank）。在细胞库中 的冷冻细胞不受污染。
与微生物相比，植物细胞具有的特性
细胞大，细胞壁以纤维素为主要成分，耐拉不 耐扭，抗剪切能力低； 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； 细胞培养需氧，而培养液粘度大，且不能强力 通风搅拌； 产物在细胞内且产量低； 细胞常生长成各种大小的团块，增加了悬浮培 养的难度等。
（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
1902年，德国植物学家G.Haberlandt就预言植物细 胞培养的可能性。 1937年前后，法国和美国科学家分别成功的进行 了胡萝卜和烟草的组织培养。 1966年Klein指出，能利用植物细胞培养物代替收 集或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 量培养等等。
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，例如病毒疫苗、淋巴因子（干 抗素和白细胞介素等）、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。这些采用大规 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。
dX X ( D) dt
(5-7)
稳定状态下，μ=D，细胞生长速率为XD。畦地 等人使用20吨罐，连续66天培养烟草细胞BY-2，细胞 的生长速率 XD = 5.82g/(L· 。 d) 一般连续培养的细胞产率高于分批培养的，但由 于植物细胞生长速率慢，维持长时间的无菌状态是需 要解决的基本技术问题。另外，单罐连续培养法并不 能适应各种反应，因此，有必要开发一些新的方法。
5.3、 动物细胞培养及反应动力学 5.3.1 动物细胞培养方法
培养方法有两种类型： 非贴壁依赖性细胞的培养：来源于血液、淋巴组 织的细胞，许多肿瘤细胞（包括杂交瘤细胞）和某些 转化细胞属于这一类型，其可采用类似微生物培养的 方法进行悬浮培养。 贴壁依赖性细胞的培养：大多数动物细胞，包括 非淋巴组织的细胞和许多异倍体体系的细胞属于这一 类型，它们需要附着于适量正电荷的固体或半固体的 表面上生长。
培养的特性 5.2、植物细胞培养及反应动力学 5.3、动物细胞培养及反应动力学
5.1 动植物细胞培养的特性
动植物细胞培养技术：是一项将动植物组织、器官
或细胞在适当的培养基上进行无菌繁殖的技术。 5.1.1 动物细胞培养的特性 由于动物细胞体外培养具有明显的表达产物的优 点，为传统微生物发酵所无法取代，因此，生物技
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。虽然可采用无血 清培养基，但在无血清培养基中更可能出现细胞毒。 因此，与培养物相接触的水必须采用高纯度的水。 培养基一般需经膜过滤器过滤。可保证其无菌 状态，但支原体也可被0.1μm的过滤膜滤出。
悬浮生长 营养要求 倍增时间[h] 细胞分化 环境的敏感性 细胞壁
哺乳动物细胞
10～100
可以，多采用贴壁 很复杂 15～100 有 非常敏感 无 1～25 胞内或胞外 低 ～
植物细胞
10～100
可以，但细胞易聚集 复杂 15～100 有限分化 敏感 有 20～30 胞内 低 ～90
微生物细胞
1～10
与一般微生物的m 和Y值相比，m 很小而Y较大。 这可能是植物细胞培养过程中的重要特性。
三、胞内物质与生长模型
微生物培养中，把细胞内RNA含量作为描述其生 长速率的指标。且随微生物比生长速率的增加，RNA 含量增大。在植物细胞的培养中也有类似的报道。吉 田等在进行人参细胞培养中发现，在对数生长期，细 胞的RNA含量显著增大。 培养烟草细胞时，人们详细研究了细胞的比生长 速率与细胞内RNA的关系，发现其与一般微生物相似 ，可以用一次方程表达。即： RNA 36 25 综上所述，动植物细胞生长动力学的研究，在很 大程度上是借鉴于微生物反应动力学理论。
蔗糖为碳源时，植物细胞首先分解蔗糖为葡萄 糖和果糖，而后优先利用葡萄糖。 分别以果糖或葡萄糖为碳源分批培养烟草细胞 时,前者有：
max 0.023h 1 , K s 2.35g / L
后者为：
max 0.038h , K s 0.94g / L
1
二、 呼吸与生长模型
由于动植物细胞的培养过程是好氧过程，因此， 许多科技工作者研究了与细胞呼吸速率相关的因素。 例如，人参细胞培养中，添加椰子汁后细胞的 生长速率加快，耗氧量较不添加椰子汁时明显增大。 另外，也有报道，Acer．Psedoplatanus Ｌ 细胞 培养中，细胞体内的含氮量与耗氧量有正比例关系。
5.2 植物细胞培养及反应动力学
5.2.1 动植物细胞的生长模型 一、 碳源与生长模型 微生物反应中，细胞的生长速率与限制性基质 间的关系常用Monod方程来描述。同理，Monod方 程也可以用于表达某些碳源与动植物细胞生长速率 间的关系。例如，在植物细胞培养过程中，多以蔗 糖为碳源，安田曾报道，烟草细胞在分批培养中， 细胞的生长速率与蔗糖浓度的关系可利用Monod方 max 0.023h 1 , K s 2.35g / L 。 程来表达，此时
动物细胞培养与微生物培养的不同点
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； 大多数哺乳动物需附着在固体或半固体的表面生长； 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。
动植物细胞培养与微生物培养性能的相比
项目
大小[μm]
能够进行悬浮培养的动物细胞是一类能无限繁
殖的细胞，这样的细胞又称为确立细胞株。
由于动物细胞对剪切力的敏感，丰富培养基容
易形成过多泡沫，这都增加了反应器操作的难度。
悬浮培养多采用分批式操作方法，其原理与植 物细胞的类同。
另外，适用于动物细胞的还有一种连续式操作 方法 —— 灌流培养法。这种方法是把细胞臵于某种 封闭系统中，连续注入新鲜培养基的同时，连续等 量排出用过的培养基，但不排出悬浮的细胞。采用 这种方法后，从产物开始分泌时起，便可用快速纯 化方法不断的从流出培养基中收集目的产物。 虽然灌流培养系统具有如上优点，但也存在培 养基消耗量比一般悬浮培养高几倍，工作过程复杂 ，培养物易受污染和培养细胞不稳定等缺点。
术中许多有价值的生物制品，需要借助于动物细胞
培养而获得，这种需求极大地促进了动物细胞培养 技术的发展。
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。 作为大规模细胞培养，Copsik等人成功的进行 了有关仓鼠肾细胞（BHK）的悬浮培养。随后，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10000升发酵罐 内成功地进行深层培养。
5.2.2 植物细胞的培养
一、植物细胞的培养操作 培养方式： 根据所处状态的不同，分为悬浮培养与固定化植
物细胞培养法，
根据操作方式的不同，又分为分批式、反复分批
式和连续式培养3种。
1、分批培养
植物细胞的分批培养与微生物的分批培养类同。 由于操作简单，从实验室到大型罐广泛应用。 分批培养中，植物细胞的生长曲线一般呈S型，可 明显观察出诱导期、对数生长期、减速期、静止期和衰 亡期。但是与细菌和酵母菌的培养相比，即使是生长速 率快的烟草细胞，分批培养时间（一个周期）也要6天 以上，生长缓慢。
一般好氧微生物的比生长速率μ与菌体的维持 常数m及氧的比消耗速率Qo2有如下关系：
Qo 2 m

Y
加藤等所获得的烟草细胞分批培养的结果表明： 当氧为细胞生长的限制性因素时， 与Qo2有与上式 相似的关系。说明植物细胞培养中氧的消耗，部分 用于维持代谢，部分用于生长繁殖，所获得的