生物反应器在生物制药中的应用及前景

　生物反应器在生物制药中的应用及前景
利用生物反应器悬浮培养细胞生产抗体抗原等产物是生物制品的核心技术，结合筛选驯化的高表达细胞株和精细化工艺控制培养过程，从而提高生产效率、产品质量和降低成本，但目前国内生物反应器在大规模应用上仍处于起步阶段，随着现代生物技术发展，利用生物反应器进行生物制品生产是行业发展的必然趋势。
1 生物反应器在生物制药中的应用及现状
1962年，Capstick等对BHK21细胞驯化实现悬浮培养，并应用于兽用疫苗生产。1967年，VanWezel开发了微载体并实现了生物反应器中培养贴壁细胞。生物反应器中悬浮培养和载体培养标志着细胞大规模培养的开始。20世纪80年代后，CHO细胞实现悬浮培养，治疗性抗体生产技术的发展极大的推动着生物反应器在生物制药行业的应用，到20世纪末已进入万升规模。21世纪初，随着流加培养、灌流培养、基因工程等技术的发展，作为大规模培养主要设备的生物反应器规模也趋向大型化和自动化。当前生物制药的主流技术是在大型机械搅拌式反应器中，用无血清培养基和灌流工艺悬浮培养细胞进行生产。 生物反应器大规模培养在生物制药领域快速发展，全球销售额最高的6大类生物技术药中，5类是经哺乳动物细胞表达生产的。现代基因工程技术及生物反应器工艺的发展，促进细胞培养制药的快速发展。国际知名厂家纷纷进行细胞改造筛选，发展自己的细胞培养平台。反观国内，人用和兽用疫苗企业超过120家，应用生物反应器进行生产的大多还是小规模的试验阶段，与国外万升级规模相比还较大的差距。
2 生物反应器悬浮培养关键技术
生物反应器悬浮培养主要包括高表达细胞株的改造、个性化培养基的定制、生产工艺的改进、生物反应器及配套设施的优化等四个方面。
2.1 细胞的驯化
为了提高生物制品的产率和安全有效性，筛选高表达量的宿主细胞意义重大。
为实现驯化稳定，通常有高密度细胞培养向低密度细胞培养，由高浓度血清培养逐渐向降低血清浓度培养。因细胞损伤后很难修复，所以驯化活力应保持在90%以上。细胞的增殖能力直接影响产能，驯化时应保持对其增殖能力测定。驯化时还应该对其表达分泌能力进行测定，避免驯化后的细胞表达特性发生变化。在筛选驯化过程中应及时选择细胞状态好的细胞进行冻存保种。
2.2 培养基的个性化定制
大规模培养技术中，维持高密度甚至无血清生长，细胞培养基的营养含量对细胞增殖和维持至关重要，不同细胞需要提高目标生物制品的稳定性、表达量均需要个性化培养基的支持，个性化培养基在国外生物制品生产已被普遍采用。
2.3 悬浮培养
悬浮培养过程是生产工艺的开发和过程的优化。
2.3.1 细胞悬浮培养方式

悬浮培养	优点	缺点
悬浮培养	直接增殖 自由生长 环境均一 取样简单 操作简单 放大方便 污染率低 成本低	大部分细胞不能悬浮培养，需要大量工作去做改造驯化
微载体培养	环境均一 取样简单 可以直接观察细胞状态	消化放大困难 操作复杂 成本高
固定床培养	剪切力小 纸片载量大	消化放大困难 操作复杂 不可以直接观察

2.3.2 生物反应器培养工艺选择

培养方式	优点	缺点
批次培养	能直接反映细胞在反应器中的生长、代谢变化，操作简单	代谢产物多，抑制细胞生长，细胞密度低
流加培养	操作简单、产率高、容易放大、应用广泛	需要流加设计
灌流培养	培养体积小，回收体积大，产品在罐内停留时间短，可及时回收低温保存利于产品活性	操作繁杂、培养基利用率低、过滤器容易堵塞

 
2.3.3生物反应器培养过程参数选择
选择合适的工艺后，过程控制成为关键。为了保持最优环境中培养细胞，需要利用在线监控功能控制各种运行参数。
动物细胞对温度敏感，需要采用合适的加热或冷却方式控制培养温度在35-37℃，避免细胞受到损伤。
动物细胞适宜的PH生长范围一般在6.8-7.3之间，低于6.8或高于7.3都可能对细胞生长产生不利影响。
溶氧控制同样重要，其范围通常为20-60%的空气饱和度，应该注意通气量，避免气泡的破裂对细胞造成损伤，同时通气量会影响PH值，需要综合考虑。
培养过程中还要注意渗透压，大多数动物细胞适宜的渗透压范围是280-320mosm/kg H₂O左右，加碱控制PH值时要注意监测。
此外，还要进行流加方式、灌流速率及代谢产物的控制等，在整个工艺优化过程中，各个参数不是单一运行，且相互影响，需要进行全面控制。