2010,44(10):37 ̄41/陈文庆,等 中国兽药杂志 悬浮培养工艺与转瓶培养工艺的比较分析 陈文庆,王建超,刘华杰,高飞,张韧 (北京清大天一科技有限公司,北京102200) [收稿日期]2010—08一Ol【文献标识码]A[文章编号]1002—1280(2010)10—0037—05[中图分类号]TQ460.6 [摘要] 采用反应器全悬浮培养BHK21细胞生产口蹄疫病毒与微载体悬浮培养Vero细胞生产 狂犬病毒分别与相应的转瓶培养工艺生产案例对比分析,比较悬浮培养工艺与转瓶培养工艺的生产 效益。分析显示,与转瓶培养工艺相比,反应器悬浮培养工艺获得的细胞密度、病毒效价、产品的产 量和质量明显提高,生产时的能耗和劳动力需求明显降低。结果表明悬浮培养工艺的生产效益明显 高于转瓶培养工艺,适宜于国内生物制品工业化生产的升级换代。 [关键词】 细胞培养;生物反应器;悬浮培养;微载体 Comparison of Suspension Culture Technology and Process with I ller Bottle CHEN Wen—qing,WANG Jian—chao,LIU Hua—jie,GAO Fei,ZHANG Ren (Belitng Skywing Technology Co.,Ltd.Beijing 102200;China) Abstract:To contrast the production eficifency between cell suspension culture in bioreactors and cell adherent culture in roller bottles,comparative analyses were done in the production eficifency of foot and mouth disease virus in BHK21 cells between the cell suspension culture technology and roller bottle culture technology,Meanwhile rabies virus in Vero cells grown on microcarriers and roller bottle were compared in different cell culture process. According to the analysis,compared with the process with roller bottle,the cell density,quantity and quality of products by suspension culture technology in bioreactor are improved,and the energy consumption and workers are decreased.The results indicate that economic benefits of cell suspension culture technology are higher than cell adherent culture in roller bottle for industrial production of biological products. Key words:cell culture;bioreactor;cell suspension culture;microcarriers 细胞悬浮培养技术是指细胞在生物反应器中自 养工艺的经济效益等进行了比较和分析。 由悬浮于培养液内生长增殖的一种培养方法。根据 细胞是否贴壁,又分为全悬浮细胞培养和贴壁细胞 1全悬浮培养口蹄疫病毒与转瓶培养案例对比 高效、安全的病毒性疫苗是防止口蹄疫情发生 的最有效方法。BHK21细胞是繁殖FMDV的理想宿 主,早在1962年Capstick PB等就实现FMDV的悬浮 微载体培养。国际上该项技术发展较快,已趋向成 熟,是疫苗、抗体等生物制品生产的普遍生产工艺模 式。与转瓶培养技术相比,该工艺具有操作简单、产 率高、容易放大等优点。本文结合口蹄疫病毒和狂 犬病毒的生产,分别对细胞悬浮培养工艺与转瓶培 前国外(Intervet公司、Merial公司)普遍已经采用 培养…。1965年Telling,R.C.等实现在不锈钢发酵 罐中悬浮培养BHK21细胞生产口蹄疫疫苗 J。目 作者简介:陈文庆(1964年一),男,工程师,从事动物细胞培养基的开发与动物细胞大规模培养技术的研究。E—mail:chen— wqty@163.tom ・38・ 中国兽药杂志 2010,44(10):37-41/陈文庆,等 2000-5000 L反应器悬浮培养BHK21细胞生产口蹄 疫苗。本文就本公司自主研发的650 L生物反应器和 无血清培养基进行悬浮培养BHK21细胞生产口蹄疫 疫苗与转瓶培养工艺进行比较和分析。 1.1 主要材料BHK21贴壁细胞株,中国兽医药 数,反应器全悬浮培养的BHK21细胞取样进行数 量和活率检测。培养条件和结果对比见表1。 表1 转瓶培养和反应器全悬浮培养BHK21细胞对比 品监察所;毒株:FMDV—O型(某兽用疫苗企业); 低血清MEM培养基,产品代号MD611、BHK21细 胞无血清培养基,北京清大天一科技有限公司;特 级新生牛血清,杭州四季青生物工程材料有限公 司;仪器:5 L反应器,德国贝朗;120 L和650 L CLAVORUS ̄生物反应器,北京清大天一科技有限 公司。 1.2 实验方法 1.2.1 转瓶培养BHK21细胞生产口蹄疫病毒 将复苏的BHK21细胞在175培养瓶中使用低血清 培养基(含5%牛血清)培养,连续传代扩增接种15 L转瓶,37 cC培养48 h,传代比例为1:8~1:10,按 常规方法接种病毒及维持液,细胞病变90%左右收 获病毒液。 1.2.2反应器全悬浮无血清培养BHK21细胞生 产口蹄疫病毒 (1)贴壁细胞悬浮驯化培养:用BHK21细胞无 血清培养基在恒温摇床或者方瓶中无血清驯化贴 壁BHK21细胞,可采用直接驯化或者逐级降低血 清驯化等方法,每代观察细胞数量和细胞活率,直 至BHK21细胞在无血清培养基中的生长增殖速率 正常,细胞活率达95%以上,并可连续稳定传代,说 明细胞已适应无血清悬浮培养。 (2)反应器用种子细胞扩增:采用反应器罐倒 罐逐级放大技术,细胞从摇瓶一5 L反应器一l20 L 反应器— 5O L反应器进行逐级放大培养。细胞培 养方式为批培养,控制反应器各参数在正常范围: 温度37.0 cC、pH7.2~7.4、溶氧(00)20%~70%、 搅拌转速50~150 r/min。 (3)反应器培养口蹄疫病毒:待650 L反应器 中细胞达到一定密度,提高培养pH至7.5左右,按 一定比例直接接种口蹄疫病毒进行病毒维持培养, 控制温度、pH、DO、搅拌转速等参数在合适范围,在 线无菌间隔取样判断细胞病变情况并检测病毒毒 价(LD 。,TCID 。),确定收获的最佳时间。 1.3 细胞培养结果对比 分别对低血清培养基15 L转瓶培养的贴壁BHK21细胞进行观察和细胞计 结果显示,转瓶培养的BHK21细胞,培养 48 h显微镜观察成致密单层(图1),96 h细胞开 始出现脱落死亡;反应器无血清全悬浮培养 BHK21细胞48 h的细胞显微镜观察状态如图2, 生长至96 h细胞密度可达5.4×10。/mL,活率维 持在94%左右。从细胞数量比较,650 L反应器 培养一批的细胞数量相当于500~700个l5 L转 瓶培养的细胞总量。 图1转瓶BHK21细胞低血清培养48 h,100× 图2反应器全悬浮无血清培养48 h。100× 2010,44(10):37~41/陈文庆,等 中国兽药杂志 1.4病毒培养效果对比 两种不同培养工艺,细 胞在满足活力要求的基础上,以同等条件分别接种 价(TCID 。和LD 。)检测不低于转瓶培养工艺。根 据反应器低血清悬浮培养BHK21细胞生产口蹄疫 完整病毒粒子(146S)检测较转瓶高10倍左右的情 况 J,应用无血清悬浮培养工艺,杂蛋白含量更少, 口蹄疫完整病毒粒子和口蹄疫疫苗质量均提高。 1.5 反应器和转瓶经济效益估算对比 依据培养 FMDV病毒,取样测定病毒毒价,结果见表2。 表2转瓶和反应器全悬浮培养BHK21细胞病毒毒价对比 BHK21细胞生产口蹄疫病毒工艺过程要求,从细胞 密度、病毒毒价、产品效力、资源环境、劳动力等方 面进行简单对比,借以一窥二者的经济效益差别 结果表明,无血清悬浮培养的口蹄疫病毒毒 (见表3)。 表3 反应器无血清悬浮培养与转瓶培养BHK21细胞经济效益对比 按照反应器无血清悬浮培养一条生产线(5 L一120 L一650 L)、转瓶体积15 L进行对比。 按照目前培养BHK21细胞生产口蹄疫病毒质 量要求,对悬浮无血清培养工艺的产能进行预估,一 条5 L一120 L一650 L的反应器生产线年生产病毒 公司。特级新生牛血清,杭州四季青生物工程材料 有限公司;微载体:Cytodex 1,美国GEHC。 2.2 实验方法 量约为2.1亿毫升,生产疫苗量约为4.2亿毫升。 2 人狂犬病毒微载体培养与转瓶培养的对比 我国是受狂犬病危害最为严重的国家之一,近 年报告狂犬病年死亡人数均在2 400人以上,一直 位居我国各类传染病报告死亡数的前三位。根据 有关国家成功控制狂犬病的经验,世界卫生组织提 出倡议,到2020年消除人狂犬病 J。我国距此倡 2.2.1 转瓶培养Vero细胞生产狂犬病毒将复 苏的Vero细胞在1_75培养瓶中使用低血清培养基 (含5%血清)培养,连续传代扩增至15 L转瓶,传 代比例1:4~1:5,每3 d传代1次,培养细胞成良 好单层换病毒维持液,按一定比例接种狂犬病毒进 行维持培养,根据细胞病变维持情况进行连续收获 病毒液3~4次。 议目标还有大量工作要做,国内也对人用和兽用狂 犬病疫苗的生产做了大量研究工作。下面就120 L 反应器微载体培养Vero细胞生产狂犬病毒效果与 转瓶培养工艺和培养效果比较分析。 2.1 主要材料细胞株,Vero细胞株;毒株:aG株 2.2.2反应器微载体培养Vero细胞生产狂犬病毒 (1)种子细胞扩增:将复苏的Vero细胞在1’75 培养瓶中使用MD504培养基(含5%血清)培养3 代,扩增至l5 L转瓶。消化收集转瓶细胞,接种5 L反应器进行微载体培养,待微载体上细胞长满, 反应器在线消化细胞后接种120 L反应器进行微 载体低血清培养基(MD505,含5%血清)培养,工 作体积7O L,微载体浓度5 g/L。培养方式为灌流 培养,控制反应器温度、pH、溶氧(DO)、搅拌转速、 灌流速率等参数,定期在线无菌取样,观察细胞生 (细胞株和毒株均来自某人用疫苗企业);低血清 199培养基(产品代号MD504)、Vero细胞反应器培 养用培养基(产品代号MD505),均来自北京清大 天一科技有限公司。5 L反应器,德国贝朗;120 L CLAVORUS ̄生物反应器,北京清大天一科技有限 ・40・ 中国兽药杂志 2010,44(10):37~41/陈文庆,等 长状况,细胞计数采用结晶紫一柠檬酸染色法 j。 (2)反应器培养病毒:待120 L反应器微载体 细胞长满后按MOI=0.025~0.1的比例接种狂犬 病毒,控制反应器温度在35 oC、pH在7.4~7.6、溶 氧(DO)在20%~60%、搅拌转速在30~80 r/min、 灌流速率在每天0.5~2罐体积等,隔天无菌取样, 观察细胞维持情况并留样检测病毒滴度(LD∞),以 确定维持液灌流速率及病毒收获方式。 2.3 细胞培养结果对比 15 L转瓶和反应器微载 体培养Vero细胞,分别结合相应的低血清培养基, 在培养不同时间对细胞的状态和细胞的数量进行 观察,结果详见表4。 表4转瓶培养和反应器微载体培养Vero细胞对比情况 结果显示,转瓶培养的Vero细胞,培养72 h左 右显微镜下观察细胞成单层见图3,维持培养至 144 h培养液pH值较低,培养液中出现部分漂浮细 胞;反应器微载体培养的Vero细胞,培养96 h,微 载体上细胞致密,轮廓清晰,显微镜观察照片见图 4;维持培养6~7 d,密度可达4.0×10。/mL。 图3转瓶低血清培养72 h,100× 图4反应器微载体培养96 h。100 单从细胞数量比较,1个反应器微载体培养(5 g/L的Cytodex 1,培养体积70 L)的细胞数量约相 当于150~250个l5 L转瓶的数量。 2.4 病毒培养效果对比 两种不同的培养工艺, 以同种条件分别接种狂犬病毒,转瓶培养的Vero 细胞,接种病毒3 d左右开始进行第一次病毒液收 获,此后隔2 d左右进行再次收获,共收获3次;反 应器培养细胞接毒2~3 d开始收获病毒液,连续收 获10 d以上。收获取样测定病毒滴度见表5。 表5转瓶培养和反应器微载体培养Vero细胞 生产狂犬病毒滴度对比 结果表明,反应器微载体培养的狂犬病毒滴度 不低于转瓶培养工艺。本次实验转瓶收获体积为 4.5~5 L/瓶,反应器微载体悬浮培养的收获体积 1 000 L左右,反应器收获病毒液的量相当于200 个l5 L转瓶左右的生产量。 2.5 反应器和转瓶经济效益估算对比 采用两种 不同的培养工艺,反应器微载体培养和转瓶培养 Vero细胞狂犬病毒经济效益估算对比见表6(按照 一条5 L一120 L反应器微载体培养生产线与l5 L 转瓶生产线进行对比)。 采用反应器微载体培养,可实现高细胞密度、 高病毒收获率、污染机会低、生产工艺可控性强,工 业应用效果与国内辽宁成大 相符。此外,中国医 学科学院李平忠等2006年对反应器微载体和转瓶 培养Vero细胞生产狂犬病毒进行对比试验研究, 结果显示,每升培养体积,反应器工艺生产的疫苗 数量是转瓶工艺生产的19倍,生产效率和产品质 量明显提高 。 2010,44(10):37—41/陈文庆,等 中国兽药杂志 ‘41. 3讨论 浮培养技术研发单位加强合作,如合同制造外包 上述实验对比表明,与转瓶培养工艺相比,悬浮 (CMO)和合同研发外包(CRO)直接引进大规模生产 技术,抢占市场先机,规避研发风险,缩短产业化进 程,这是当前国际上生物制药研发快速实现产业化 的趋势。因此,在中国目前的生物制药环境下,新工 艺技术研发和应用更需要整合行业力量、包括上下 游力量,共同完成,避免重复性研究,提高竞争力。 4展望 培养技术的最大优势在于:第一、单位体积内有效工 作细胞数量增加;第二、全密闭、管道化系统生产流 程及过程自动化监控、控制技术,不仅减少了污染细 胞的机会,而且在减轻劳动力强度的同时减少人为 操作因素影响;第三、生物反应器容积的扩大,提升 了终端产品的均一性,结合后期纯化工艺,不但产品 产量明显提高,产品的质量获得提高;第四、生产疫 苗所用劳动力和车间、水、电、原材料、能源等成本远 低于传统转瓶培养工艺,综合成本大大降低。 因其具有上述特点,国内悬浮培养工业化生产 虽起步较晚,但已显示出其明显的优势。新工艺技 术的应用,使企业在生产效益、产品质量和竞争力 等方面明显提高。在人用疫苗方面,辽宁成大引进 面对国内国际形势,对于疫苗生产企业,实现由 转瓶培养到生物反应器培养的工艺改革是必然的趋 势,也是我国生物疫苗行业发展的当务之急。这不 仅关系企业的核心竞争力,还决定着整个行业的科 学、可持续发展。国内生物制品行业面对国外的竞 争应该早日与国际接轨,快速实现行业升级和产业 进步,并早日实现新技术的引进、消化和吸收,最终 的微载体悬浮培养人用狂犬疫苗;在兽用疫苗方 面,金宇保灵采用自主的国产技术实现悬浮培养的 口蹄疫疫苗等。悬浮培养工艺开始在生物制药行 业引发一定的效应,疫苗生产企业已经开始并越来 越关注新工艺。此外随着人民生活水平、生活质量 的提高及近年来疫情的出现,国内生物制品市场出 进一步创新,提高我国生物制品行业的国际竞争力。 参考文献: [1]Capstick P B,Telling R C,Chapman W G.Growth of a Cloned Strain of Hamster Kidney Cells in Suspended Cultures and Their Susceptibility to the Virus of Foot—and—Mouth Disease『J]. Nature,1962,195:l163—1164. 现供不应求的现象,国内生物制药行业具有良好的 发展态势。但是,与此同时国内生物制品行业面对 较大的挑战,国外的大规模培养技术已广泛用于生 物制药生产,生物制药巨头开始通过合作或是收购 [2]Doel T R.FMD Vaccines[J].Virus Research,2003,91(1):81—99. [3]悬浮培养技术[EB/OL].(2010—07—28).http://www. Jinyubaoling.toni.cn/gsdtnr/xfzt3.htm1. [4]中国狂犬病防治现状[EB/OL].(2009—12—03).http:// www.sda.gov.cn/WS01/CL0619/43765.htm1. 等方式侵入中国,染指国内市场,与国内企业产生 不可避免的竞争。 面对机遇和挑战,国内疫苗生产企业要想在引 [5]Hu W S,Meier J,Wang D C.A Mechanistic Analysis of the Inoculum Requirement for the Cultivation of Mammalian Cells on Mierocarrier[J/OL].Bicehem Bioengt,1985,27:585—595. 进新工艺一悬浮培养产业化上确保成功率,快速实 现产业化,应该复制或学习国外通用模式。产业化 不同于科研的百花齐放,国内疫苗生产企业应与悬 [6] 查力,高军,侯剑英.生物反应器细胞培养制备人用狂犬病 疫苗[J].中国生物制品学杂志,2006,19(3):288—290. [7] 李平忠,沈伟,余芬.用微载体培养Veo细胞制备狂犬疫苗 r[N].第三军医大学学报,2006,28(23):2374—2376.