抗體作為臨床應(yīng)用最廣泛的治療性蛋白藥物，主要是通過CHO（Chinese Hamster Ovary）細(xì)胞培養(yǎng)來表達(dá)生產(chǎn)的。隨著抗體類蛋白藥物市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)抗體行業(yè)由發(fā)展初期的實(shí)驗(yàn)室研究階段，逐步邁入大規(guī)模的臨床實(shí)驗(yàn)及商業(yè)化生產(chǎn)階段。與前一代的生物技術(shù)產(chǎn)品如細(xì)胞因子類藥物相比，抗體類生物藥的主要特點(diǎn)是臨床用藥劑量大，因此需要大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)來滿足市場(chǎng)需求，以及進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。而CHO細(xì)胞培養(yǎng)的工藝放大具有較大的挑戰(zhàn)性，提高細(xì)胞培養(yǎng)工藝表達(dá)量，擴(kuò)大細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)規(guī)模，保證抗體表達(dá)量和質(zhì)量的穩(wěn)定成為目前生物制藥行業(yè)在抗體類蛋白藥物規(guī)?；a(chǎn)過程中亟待解決的問題。我們期望通過高成功率的工藝放大，最終實(shí)現(xiàn)藥品成本降低，開發(fā)生產(chǎn)出患者可負(fù)擔(dān)的高質(zhì)量抗體藥物，提升高端抗體藥物的可及性。

大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器工藝在放大過程中，氧氣和二氧化碳的質(zhì)量傳遞以及控制策略是至關(guān)重要的。溶解氧（DO）是細(xì)胞代謝的基本要素，二氧化碳是細(xì)胞呼吸作用的主要副產(chǎn)物之一，同時(shí)起到調(diào)節(jié)反應(yīng)器中pH的作用。控制這兩種氣體在細(xì)胞培養(yǎng)液中的濃度需要依靠反應(yīng)器中的氣體傳質(zhì)平衡。最適合的溶氧條件因細(xì)胞株自身的代謝特點(diǎn)而定。當(dāng)溶氧水平低于細(xì)胞所需濃度時(shí)，呼吸作用的速率會(huì)開始下降，而后細(xì)胞生長(zhǎng)變緩，細(xì)胞表達(dá)的抗體蛋白的理化屬性也會(huì)發(fā)生改變。在大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)中，高濃度的二氧化碳往往會(huì)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)二氧化碳濃度高于一定水平的時(shí)候，細(xì)胞生長(zhǎng)和抗體產(chǎn)量都會(huì)受到抑制，同時(shí)抗體質(zhì)量屬性，如N糖基化也會(huì)受到影響，主要原因是二氧化碳濃度會(huì)影響到細(xì)胞內(nèi)的pH環(huán)境。除了N糖基化的比例，還有研究表明二氧化碳的積累可以影響到抗體的電荷異質(zhì)性和分子大小變異體。當(dāng)然這兩種質(zhì)量屬性的變化會(huì)受到工藝放大過程中細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境變化的影響?？紤]到這幾種質(zhì)量屬性對(duì)抗體與抗原的結(jié)合能力、穩(wěn)定性、藥物代謝和藥物動(dòng)力學(xué)方面都會(huì)造成影響，N糖基化比例、電荷異質(zhì)性和分子大小變異體是細(xì)胞培養(yǎng)在放大過程中必須要考慮的因素。因此，培養(yǎng)環(huán)境中氧氣的溶解情況以及二氧化碳的儲(chǔ)留情況需要在反應(yīng)器工藝控制條件中進(jìn)行優(yōu)化。

傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)規(guī)模擴(kuò)大都是一個(gè)逐級(jí)放大的過程，在這個(gè)過程中不斷調(diào)整工藝參數(shù)，吸取放大失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，最終完成細(xì)胞培養(yǎng)工藝的放大。培養(yǎng)過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)攪拌速率是非線性放大參數(shù)，無法按照培養(yǎng)體積擴(kuò)大的比例進(jìn)行放大。攪拌速率的設(shè)定會(huì)明顯影響到細(xì)胞密度的生長(zhǎng)，活率的保持及抗體蛋白的產(chǎn)量和質(zhì)量。傳統(tǒng)逐級(jí)放大模式是一個(gè)不斷試錯(cuò)的過程，非常消耗時(shí)間、人力以及物力。因此需要建立一種數(shù)學(xué)模型，對(duì)放大的過程進(jìn)行指導(dǎo)，提高放大成功率，節(jié)省時(shí)間以及成本，確保放大后的抗體生產(chǎn)工藝與小試規(guī)模在抗體產(chǎn)量和抗體質(zhì)量方面保持在同一水平。

基于機(jī)械攪拌鼓泡式反應(yīng)器內(nèi)氣-液傳質(zhì)理論，我們?yōu)镃HO細(xì)胞開發(fā)了一套傳質(zhì)模型來計(jì)算和預(yù)測(cè)工藝放大過程中的攪拌速度和氣體通氣策略，用來指導(dǎo)反應(yīng)器從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模放大到上千升規(guī)模過程中，氧氣供應(yīng)可以和二氧化碳的去除達(dá)到一個(gè)很好的平衡。傳質(zhì)模型是以細(xì)胞代謝參數(shù)和反應(yīng)器傳質(zhì)屬性作為模型輸入量（圖1）。模型中建立了氧氣消耗和二氧化碳生成之間的物料平衡方程。通過數(shù)值求解，傳質(zhì)模型可以預(yù)測(cè)放大后的大規(guī)模反應(yīng)器中，氣體的流速以及二氧化碳的積累情況。實(shí)際應(yīng)用中，這一物料平衡模型成功地指導(dǎo)了表達(dá)抗體A的CHO細(xì)胞培養(yǎng)工藝放大至1500L培養(yǎng)規(guī)模?；谀Ｐ偷念A(yù)測(cè)，1500L反應(yīng)器選擇了合理的攪拌速率和氣體流速，使得從2L培養(yǎng)規(guī)模直接放大至1500L規(guī)模，同時(shí)保證了細(xì)胞培養(yǎng)數(shù)據(jù)和抗體質(zhì)量數(shù)據(jù)在不同規(guī)模之間的一致性。利用這個(gè)模型，可以使哺乳動(dòng)物細(xì)胞的工藝轉(zhuǎn)移和工藝放大以更高效的方式進(jìn)行。

在細(xì)胞培養(yǎng)過程中，氧氣和二氧化碳在細(xì)胞、培養(yǎng)基、氣泡及上層空間等多相之間相互傳遞（圖2）。氧氣攝入速率（OUR）和二氧化碳生成速率（CER）這兩個(gè)參數(shù)是用來描述細(xì)胞和培養(yǎng)基之間氣體交換的動(dòng)態(tài)過程的。相應(yīng)的，氧氣傳遞速率（OTR）和二氧化碳傳遞速率（CTR）是用來描述培養(yǎng)基和氣泡之間的氣體交換的。為了簡(jiǎn)化物料平衡模型，我們需要先建立幾個(gè)假設(shè)。首先，將大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)的反應(yīng)器認(rèn)為全混流攪拌反應(yīng)器的（CSTR），即反應(yīng)器中不存在不完全的攪拌混合，以及細(xì)胞剪切暫時(shí)被忽略掉了。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)（如攪拌槳、氣體分布器、擋板等）和氣泡大小、分布等因素都由傳質(zhì)系數(shù)k_La來體現(xiàn)，不單獨(dú)計(jì)算與反應(yīng)器幾何設(shè)計(jì)相關(guān)的參數(shù)。其次，反應(yīng)器內(nèi)的細(xì)胞培養(yǎng)被認(rèn)為是處于偽穩(wěn)態(tài)的（Pseudo-steady-state），即質(zhì)量傳遞的動(dòng)態(tài)過程變化要遠(yuǎn)快于細(xì)胞生長(zhǎng)代謝過程中對(duì)氣體需求和二氧化碳生成速率的變化。在此條件基礎(chǔ)上，物料平衡方程中，氧氣傳遞速率于氧氣攝取速率相等，二氧化碳傳遞速率于二氧化碳生成速率相等。第三個(gè)假設(shè)是在氣泡上升的過程中，氣泡內(nèi)氧氣濃度的下降和二氧化碳濃度的上升時(shí)平衡的，即氣泡內(nèi)的氣體摩爾流速是恒定的。

氧氣物料平衡

在氧氣的物質(zhì)平衡中，OUR 是細(xì)胞消耗氧氣的速率，是細(xì)胞比耗氧速率（q_O2）和活細(xì)胞密度（X_V）組成的函數(shù)：

在攪拌式反應(yīng)器系統(tǒng)中，氧氣主要通過底層氣體分布器和上層空間溶解進(jìn)入 培養(yǎng)基。因此 OTR 應(yīng)該等于所有使得氣體從氣泡或者液體表面向液體內(nèi)部傳遞 質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)力之和。

在等式 3.2 中, κ_{LαB，x}代表氣體 X 的氣泡傳質(zhì)系數(shù)，可以用以下等式 表示：

二氧化碳?xì)馀輦髻|(zhì)系數(shù)和氧氣氣泡傳質(zhì)系數(shù)用 Calderbank 常數(shù)表示有如下 比例關(guān)系：kLa_B,CO2/kLa_B,O2=0.89

二氧化碳表層傳質(zhì)系數(shù)和氧氣表層傳質(zhì)系數(shù)用Calderbank常數(shù)表示有如下比例關(guān)系: kLa_S,CO2/kLa_S,O2=0.91

在等式3.2中,C^*_L,O2可以由反應(yīng)器控制參數(shù)中的溶解氧設(shè)定值計(jì)算得到，而C^*_B,in,O2可以通過深層通氣的氣體組成比例計(jì)算得到。反應(yīng)器頂層空間的氧氣濃度C^*_H,O2和氣泡中到達(dá)液體表面的氣體濃度C^*_B,out,O2這兩個(gè)參數(shù)需要通過整個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的氧氣物料平衡方程和頂部空間的氧氣物料平衡方程分別求解得到。

考慮到整個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的氧氣物料平衡，我們可以簡(jiǎn)單的概括為，除了從尾氣中排放除去的氧氣，所有供應(yīng)進(jìn)入反應(yīng)器的氧氣都被細(xì)胞消耗掉了。

在方程式3.5中，Hⅹ (L×atm/mol)  代表在室溫條件下培養(yǎng)基中氣體X的亨利定律常數(shù)。根據(jù)亨利定律，有如下方程式：

其中，氧氣的亨利定律常數(shù) H₀₂ = 986L.atm/mol，二氧化碳的亨利定律常數(shù) H_C02 = 41.5L.atm/mol。

 方程式3.5中， F_H (mol/hr) 代表頂層空間中，表層通氣中的氣體摩爾流速；Q_H (slpm)代表表層通氣中氣體的質(zhì)量流速； F_B (mol/hr)  代表深層通氣中氣體的摩爾流速；Q_B (slpm)代表深層通氣中氣體的質(zhì)量流速；F_H,in,X（mol/hr）代表頂層空間中，表層通氣進(jìn)入反應(yīng)器系統(tǒng)的氣體X的摩爾流速；F_H,out,X (mol/hr)代表反應(yīng)器頂層空間中從尾氣排放掉的氣體X的摩爾留宿。Y_H,in,X (%)代表氣體X在表層通氣中的摩爾比例。

在考慮反應(yīng)器頂層空間中的部分物料平衡時(shí)，通過氣泡進(jìn)入頂層空間的氧氣，聯(lián)合通過表層通氣進(jìn)入頂層的氧氣，除去溶解進(jìn)入培養(yǎng)液體的氧氣以外，應(yīng)與尾氣排放中的氧氣含量相等。

在方程式3.5和3.7中， Y_B,in,O2 可以通過深層通氣中不同氣體的比例含量計(jì)算出來的，而像Y_H,in,O2，Q_H, OUR .V, P_out 和 H_O2  這些參數(shù)是已知的或者可以直接計(jì)算出來的。將參數(shù) C^*_H,O2和 C^*_B,out,O2 代入方程3.2，同時(shí) OTR 可以改寫為參數(shù) Q_B 的一元函數(shù)，根據(jù)穩(wěn)態(tài)的假設(shè)，OUR=OTR，深層氣體的氣體通量 Q_B 可以進(jìn)行數(shù)值求解。

二氧化碳物料平衡

另一方面，二氧化碳的物料平衡要比氧氣復(fù)雜得多。主要原因是培養(yǎng)基中添加了碳酸氫鈉作為緩沖體系的一部分，并且在反應(yīng)器pH控制系統(tǒng)中，會(huì)在深層通氣中加入二氧化碳來調(diào)節(jié)pH平衡。因此，二氧化碳的物料平衡中包括了細(xì)胞呼吸、深層通氣輸入和培養(yǎng)基中碳酸氫根濃度的變化：

方程式3.10中，反應(yīng)器表層二氧化碳濃度C^*_H,CO2以及通過氣泡到達(dá)液體表面的二氧化碳濃度C^*_B,out,CO2，這兩個(gè)參數(shù)需要通過系統(tǒng)二氧化碳物料平衡和反應(yīng)器頂部空間二氧化碳物料平衡來分別求解。除此之外方程式3.10中的其他變量都是已知的或者可以被直接計(jì)算出來的。

根據(jù)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中的二氧化碳物料平衡，排放至反應(yīng)器系統(tǒng)以外的二氧化碳?xì)怏w的量，減去通過深層通氣以及表層通氣進(jìn)入系統(tǒng)的二氧化碳?xì)怏w的量應(yīng)該等于細(xì)胞代謝產(chǎn)生的二氧化碳:

類似于氧氣在反應(yīng)器頂層空間的物料平衡，通過深層通氣以及表層通氣進(jìn)入頂層空間的二氧化碳減去通過液體表面溶解進(jìn)入培養(yǎng)液的二氧化碳，應(yīng)該就等于排放尾氣的中的二氧化碳：

為了對(duì)培養(yǎng)基液體中的二氧化碳濃度參數(shù)C_L,CO2進(jìn)行數(shù)值求解，需要利用穩(wěn)態(tài)條件下CTR=CER的關(guān)系式，解出關(guān)于C^*_H,CO2和C^*_B,out,CO2這兩個(gè)參數(shù)的方程。

將整個(gè)質(zhì)量傳遞模型在Excel表格中建立完整后，輸入?yún)?shù)主要分為物理常數(shù)、反應(yīng)器和工藝參數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)和細(xì)胞代謝參數(shù)這四大類。在這些輸入?yún)?shù)中，傳質(zhì)系數(shù)可以通過在大規(guī)模反應(yīng)器中的動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。而細(xì)胞代謝數(shù)據(jù)則可以通過在小試反應(yīng)器中進(jìn)行的細(xì)胞培養(yǎng)進(jìn)行測(cè)定。最終通過物料平衡模型將未來大規(guī)模反應(yīng)器細(xì)胞培養(yǎng)過程中的深層氧氣流速Q(mào)_B和二氧化碳濃度C_L,CO2分別求解出來，作為指導(dǎo)反應(yīng)器工藝放大的重要參數(shù)。

反應(yīng)器傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定

傳質(zhì)系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)是在1500L賽多利斯反應(yīng)器中完成的，實(shí)驗(yàn)過程中反應(yīng)器中裝滿了沒有細(xì)胞的培養(yǎng)基，培養(yǎng)基中含有PBS緩沖液以及1 g/L的Pluronic F68以及30 ppm的消泡劑，用來模擬實(shí)際細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中的離子強(qiáng)度以及表面活性劑的濃度。1500L反應(yīng)器的幾何參數(shù)總結(jié)在表格1中。1500L反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)裝有1120L測(cè)試培養(yǎng)基，分別在不同的攪拌速度、通氣流量和培養(yǎng)基體積下對(duì)深層通氣傳質(zhì)系數(shù)和表層通氣傳質(zhì)系數(shù)分別進(jìn)行了測(cè)定。深層通氣和表層通氣傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定方式大體相同。測(cè)試開始階段，向反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)基中通入氮?dú)庵敝寥苎蹼姌O讀數(shù)顯示小于5%，然后向反應(yīng)器頂層空間通入空氣以掃除多余的氮?dú)?。然后按照預(yù)先設(shè)定好的通氣流速向深層氣體分布器和表層空間通入空氣，同時(shí)打開攪拌轉(zhuǎn)速。持續(xù)收集溶氧電極的讀數(shù)，直至讀數(shù)大于90%（圖4）。將數(shù)據(jù)輸入excel表格中計(jì)算傳質(zhì)系數(shù)。

傳質(zhì)系數(shù)測(cè)定結(jié)果

1500L反應(yīng)器傳質(zhì)系數(shù)測(cè)定，通過將(C^*-C₀）/（C^*-C_L） 對(duì)時(shí)間作圖，傳質(zhì)系數(shù)kLa即為此直線的斜率（圖5）。傳質(zhì)系數(shù)是關(guān)于單位體積輸入功率（P/V）和表層氣體流速（Q）的函數(shù)：

所有常數(shù)的計(jì)算結(jié)果都總結(jié)在表1中。圖6和圖7展示了傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果和測(cè)量結(jié)果之間良好的重復(fù)性。1500L反應(yīng)器的傳質(zhì)系數(shù)是作為傳質(zhì)模型的輸入?yún)?shù)的。根據(jù)測(cè)量結(jié)果及計(jì)算結(jié)果，當(dāng)反應(yīng)器中培養(yǎng)基體積為1456L時(shí)，氣體表面?zhèn)髻|(zhì)效果大概占深層氣體傳質(zhì)效果的7.4%（圖8）。當(dāng)培養(yǎng)基體積降至1200L以下時(shí)，表層氣體傳質(zhì)和深層氣體傳質(zhì)的比例可以高達(dá)50%，導(dǎo)致這一變化的主要因素是培養(yǎng)基體積的降低使得反應(yīng)器頂層空間顯著增大，增強(qiáng)了表層氣體傳質(zhì)。

細(xì)胞代謝參數(shù)的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)中所到的細(xì)胞株是由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)篩選的CHO-K1細(xì)胞株，該細(xì)胞株用于表達(dá)抗體A。細(xì)胞擴(kuò)種階段使用來自多寧生物的無血清，化學(xué)成分限定培養(yǎng)基。通過不同體積的搖瓶逐步擴(kuò)增種子體積，反應(yīng)器細(xì)胞培養(yǎng)使用Applikon公司的2L玻璃攪拌式反應(yīng)器。

細(xì)胞比耗氧速率_qO₂是在2L反應(yīng)器的細(xì)胞培養(yǎng)過程中測(cè)定的，在培養(yǎng)至第3~13天之間時(shí)，每天進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試開始時(shí)，將反應(yīng)器溶氧設(shè)定值改為65%，當(dāng)溶氧電極讀數(shù)穩(wěn)定后，停止反應(yīng)器內(nèi)所有的氣體供應(yīng)，然后每5秒鐘記錄一次溶氧電極讀數(shù)，直至讀數(shù)小于20%。將氧氣濃度對(duì)時(shí)間作圖，根據(jù)公式OUR=-d[O₂ ]/dt作圖曲線的斜率即為氧氣攝入速率OUR。根據(jù)方程式3.1，細(xì)胞比攝氧速率_qO₂等于氧氣攝入速率OUR除以細(xì)胞密度。

細(xì)胞代謝參數(shù)測(cè)定結(jié)果

在2L反應(yīng)器中進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，每天進(jìn)行取樣檢測(cè)活細(xì)胞密度、活率和細(xì)胞代謝數(shù)據(jù)。可以觀察到，乳酸在細(xì)胞培養(yǎng)的早期可以積累到3~4 g/L的濃度，隨著細(xì)胞培養(yǎng)的進(jìn)行，乳酸作為能量碳源之一會(huì)被繼續(xù)消耗直至培養(yǎng)第8天殆盡。在細(xì)胞培養(yǎng)過程中，細(xì)胞比耗氧速率這一參數(shù)是很容易隨著生長(zhǎng)階段的變化而產(chǎn)生波動(dòng)的。根據(jù)前文中我們做出的假設(shè)，在偽穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中，培養(yǎng)液中質(zhì)量傳質(zhì)環(huán)境的變化速度明顯快于細(xì)胞代謝速率的改變，因此細(xì)胞對(duì)氧氣需求和二氧化碳生成速率的波動(dòng)被暫時(shí)忽略了。表達(dá)抗體A的細(xì)胞的比耗氧速率平均值為3.8 × 10-¹³ mol/cell/hr。二氧化碳比生成速率可以利用文獻(xiàn)報(bào)道中的呼吸商0.79這一數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

傳質(zhì)模型模擬結(jié)果

經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)，傳質(zhì)模型中所有的輸入?yún)?shù)都已測(cè)定完畢，將數(shù)據(jù)代入模型中后，深層氧氣通量和二氧化碳積累水平作為模型的輸出量已經(jīng)可以計(jì)算出來。當(dāng)我們調(diào)節(jié)傳質(zhì)模型中的攪拌速率和深層空氣等輸入?yún)?shù)，可以看到輸出參數(shù)的相應(yīng)變化。為了指導(dǎo)工藝放大，傳質(zhì)模型模擬的目的就是找到適合1500L反應(yīng)器的攪拌參數(shù)和深層通氣流量，可以使1500L反應(yīng)器中細(xì)胞培養(yǎng)的氧氣和二氧化碳代謝數(shù)據(jù)與2L反應(yīng)器處于同一水平。同時(shí)也可以檢驗(yàn)1500L反應(yīng)器的氣體質(zhì)量流量?jī)x是否有足夠的量程來滿足未來的生產(chǎn)培養(yǎng)?；谝陨夏Ｐ偷哪M，1500L反應(yīng)器應(yīng)當(dāng)選用40 rpm的攪拌速度和8 slpm的氣體流速來進(jìn)行大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)。

細(xì)胞培養(yǎng)工藝放大結(jié)果

利用傳質(zhì)模型模擬得到的反應(yīng)器控制參數(shù)，表達(dá)抗體A的CHO細(xì)胞在1500L反應(yīng)器中成功的連續(xù)進(jìn)行了三批培養(yǎng)。實(shí)際培養(yǎng)中的氧氣氣體流量和二氧化碳數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的可比性。細(xì)胞生長(zhǎng)方面，活細(xì)胞密度，抗體產(chǎn)量在2L和1500L兩種規(guī)模下表現(xiàn)出很好的重復(fù)性。會(huì)對(duì)抗體A的功能造成影響的關(guān)鍵質(zhì)量屬性如G0F和MAN5兩種糖基化比例在不同規(guī)模下也有良好的可比性，其他抗體數(shù)據(jù)也表現(xiàn)出一定的相似性。

總結(jié)

在傳統(tǒng)的攪拌式反應(yīng)器中，氣體傳質(zhì)主要依靠攪拌和通氣來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)這兩項(xiàng)操作也會(huì)帶來剪切力的問題。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞工藝放大的過程中，需要同時(shí)滿足高傳質(zhì)和低剪切損傷的需求。當(dāng)細(xì)胞馴化進(jìn)入無血清培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)后，Pluronic F68類的表面活性劑可以有效保護(hù)細(xì)胞不受剪切力的損傷。已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證明在2L反應(yīng)器中CHO細(xì)胞可以耐受600 rpm的攪拌而不會(huì)產(chǎn)生明顯的細(xì)胞損傷。在小型反應(yīng)器中，由于較大的比表面積，氣體表層傳質(zhì)可以起到主要作用，從而降低對(duì)深層氣體流量的需求。當(dāng)反應(yīng)器規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，比表面積的明顯降低會(huì)導(dǎo)致氣體表層傳質(zhì)的效果減弱。而深層氣體流量在培養(yǎng)基中產(chǎn)生的氣泡，在到達(dá)液體表面破裂時(shí)產(chǎn)生的剪切力是哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過程中細(xì)胞損傷的主要原因。因此在工藝放大過程中，需要將深層氣體流量盡量限制在較低水平。我們開發(fā)的傳質(zhì)模型可以模擬不同通氣條件下的細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)，從而使控制參數(shù)在氣體需求和剪切損傷之間選擇一個(gè)合適平衡點(diǎn)。同時(shí)傳質(zhì)模型還可以在反應(yīng)器設(shè)計(jì)階段起到一定的指導(dǎo)作用，協(xié)助設(shè)計(jì)反應(yīng)器的攪拌系統(tǒng)和氣體流量計(jì)，以及制定合理的二氧化碳去除策略。

我們利用傳質(zhì)模型對(duì)MAb A細(xì)胞的工藝放大進(jìn)行了預(yù)測(cè)。最終細(xì)胞生長(zhǎng)、抗體產(chǎn)量和抗體質(zhì)量在小試規(guī)模和商業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模之間保持了一致。總的來說，傳質(zhì)模型是依據(jù)細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中的氣體物料平衡關(guān)系建立的，主要用于預(yù)測(cè)大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)過程中的氣體需求。在這一模型的指導(dǎo)下，細(xì)胞培養(yǎng)的工藝放大可以更容易地保持與小試規(guī)模中細(xì)胞培養(yǎng)相同水平的工藝表現(xiàn)，使得工藝放大工作可以以更高效的方式成功進(jìn)行。