动物细胞大规模培养的技术主要有哪些类型,目前应用情况如何,存在哪些问题?

纵观现代生物技术百年发展史,体外动物细胞培养可以说是支撑现代医学的核心技术。起初,细胞在体外只能存活几个小时,它们可以继续增殖,用于基础医学研究。今天,它们已经成为“细胞工厂”,为人类生产重组药物,而在未来,它们可能被完全调控和分化,以利用细胞本身作为药物。可以说,全细胞培养技术的进步代表了生物医学的发展方向。

由于动物体内的组织液和血液为组织细胞的生长提供了充足的营养,因此体外细胞培养过程中营养液的合理供应将是细胞培养成功的第一关键因素。

本文将结合生物医学的发展阶段,简述动物细胞培养基的研发过程。

1882-1907:黎明

1882年,悉尼林格研制出一种盐溶液,可以保持离体蛙心的跳动,称为林格平衡盐溶液。这被认为是首次实现动物组织的体外培养。

在Ringer成功实现体外组织培养后,研究人员开始关注体外细胞培养。但是,细胞通常很难存活,很少有分裂的迹象。直到1907年,Ross G. Harrison利用青蛙淋巴囊分离出的淋巴培养青蛙神经纤维,发现它们持续生长了数周。这个实验被认为是动物细胞体外培养的开始。

1907-:天然培养基

法国外科医生、生物学家、生物学家阿莱克西斯·卡莱耳因在血管结构和血管/器官移植方面的研究获得1912诺贝尔生理学或医学奖。

阿莱克西斯·卡莱耳对组织培养做出了巨大贡献。他发明了至今仍广泛使用的细胞培养瓶的原型瓶,建立了一套无菌操作技术。

阿莱克西斯·卡莱耳,1873-1944

受哈里森成功培养神经纤维的影响,卡雷尔于1909年将下属蒙特罗斯·t·布伦斯送到哈里森(耶鲁大学)学习。在耶鲁大学,Burrows发现淋巴不适合培养温血动物的细胞,所以他用血浆代替。

此后,血浆成为细胞培养的主流培养基。Burrows成功培养了鸡胚细胞和动物细胞。在1912中,Carrel通过定期更换培养基,证明了鸡胚的结缔组织可以长期培养(长达数月)。在1913中,Carrel发现加入胚胎提取物可以极大地刺激鸡胚心脏成纤维细胞的增殖,大大延长存活时间。同时,由于淋巴、血浆和胚胎提取物的成分未知,研究人员开始研究哪些成分影响了细胞的存活和增殖。

1911-:努力合成培养基

1911年,Margaret R. Lewis和Warren H. Lewis证明了在Locke平衡盐溶液中加入额外的氨基酸、肉汤和葡萄糖改进的Locke-Lewis溶液能更有效地促进鸡胚细胞的生长。

他们指出,葡萄糖的作用非常重要。如果浓度不足,细胞会在几天内萎缩死亡。同时,有研究人员证实了氨基酸和谷胱甘肽在鸡胚成纤维细胞培养中的作用,并假设谷胱甘肽维持氧化还原环境。

Joilannes P. M.Vogelaar和Eleanor Erlichman发现了胰岛素和甲状腺素的重要作用。在林格平衡盐溶液中加入葡萄糖、血浆和蛋白胨这两种激素,人成纤维细胞可以培养3个月以上。另一个例子是,贝克培养基含有微生物A、维生素C、维生素B1、维生素B2、谷胱甘肽和血浆。所有这些研究都使用天然成分。

1940-:细胞系的诞生

1940年Wilton R. Earle等人成功获得永生小鼠成纤维细胞(L细胞);1951年,George O. Gey及其同事成功从宫颈癌患者体内分离出无限分裂的人类细胞系(Hela细胞)。

有了这些细胞系,就不再需要每次实验都分离细胞,而是使用同一个细胞系进行实验。这也使得测量不同培养基成分对细胞的微小影响并进行定量分析成为可能。从这一刻起,培养基的研究取得了飞速的进展。

Herita Laxela海拉线的来源。

1946-:基础培养基和无蛋白培养基。

Fischer将低分子量成分从血浆中分离出来,发现去除低分子量血浆不能很好地维持细胞生长。后来,费希尔发现氨基酸是低分子量成分中维持细胞生长的必要成分。

在1955中,哈利鹰采用费歇尔的方法,确认低分子量成分中的13氨基酸和8种维生素是必需成分。在此基础上,Eagle发明了最小必需培养基(MEM),含有葡萄糖、6种无机盐、13种氨基酸、8种维生素和透析血浆。这种培养基正式拉开了细胞培养基研究的序幕,至今仍被广泛应用于相关领域。

在Eagle、雷纳托·杜尔贝科、Marguerite Vogt、Clifford P. Stanners、Norman N. Iscove和Fritz Melchers的基础上,针对不同细胞系和不同培养目的优化了MEM培养基。经Dulbecco进一步优化的Dulbecco改良eagle培养基(DMEM)已成为目前基础研究中应用最广泛的培养基,是所有生物制药工程细胞培养基的研究基石。这位意大利裔美国人因在肿瘤病毒方面的杰出研究,获得了65438年至0975年的诺贝尔医学或生理学奖。

在接下来的1957中,美国科罗拉多大学的Theodore T. Puck博士从一只成年雌性仓鼠的卵巢中分离出一种上皮贴壁细胞,这种细胞成为生物制药中应用最广泛的CHO细胞。

毫不夸张地说,如果没有Eagle、Dulbecco和Theodore T. Puck在1950年代的成功研究,今天全球接近1000亿美元的抗体药物产业化只能是纸上谈兵。

▲1973年,哥伦比亚大学将路易莎·格罗斯·霍维茨奖授予哈利·伊格尔雷纳托·杜尔贝克·塞多尔·普克

1970-:无血清培养基的开发

在1976期间,三份关键研究文献报告加速了无血清培养基的研究:

哈姆的研究小组发现了亚硒酸盐的必要性。

Larry J. Guilbert和Iscove发现,除了亚硒酸盐之外,转铁蛋白和白蛋白是很好的血清替代品。

Izumi Hayashi和Gordon H. Sato发现,几种激素和生长因子的组合是一种很好的血清替代品。

在这些研究的推动下,用亚硒酸盐、转铁蛋白、白蛋白、激素和生长因子代替血清,开发了多种无血清培养基。

在发展无血清培养的同时,研究人员还将几种必需成分直接结合成血清替代品,如胰岛素、转铁蛋白、亚硒酸盐等结合成ITS。

Hiroki Murakami等人发现乙醇胺是杂交瘤细胞培养所必需的,因此将其与ITS结合形成ITES。针对不同的细胞,研究人员开发了相应的血清替代品。例如,B-27添加剂被用作神经细胞培养的血清替代品。

1978-:细胞培养基的工业应用

1982年,首个基因工程药物胰岛素获批上市,开启了重组蛋白药物时代。由于糖基化修饰,EPO、干扰素β和单克隆抗体只能在动物细胞中表达。NS0和CHO细胞已经成为工业上生产蛋白质和抗体药物的主流。

在国际上,跨国制药公司的培养基通常根据产品进行优化,以获得特定的培养基。在中国,由于市场小,R&D投资低,通常使用商业目录媒体,个别企业如石田光、傅宏翰林和药明康德独立开发媒体。

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赛默飞世尔科技在全球生物制品研发和生产领域的实力毋庸置疑,尤其是旗下的Gibco?品牌,在细胞培养研究和应用领域取得了不可估量的成就!

吉布科?成立于1962,从年龄上来说已经是不折不扣的“大叔”了。但是这个大叔不简单。在过去的55年里,他取得了许多令人瞩目的成就!

▲Gibco的前世

2015新升级CD FortiCHO培养基为Dynamis培养基,保留了CD FortiCHO培养基高营养的特点,使用的方便性和稳定性进一步提高。适用于CHO-K1、GSCHO、CHO S等活力细胞的培养。