CHO 細(xì)胞（中國倉鼠卵巢細(xì)胞）是生物制藥領(lǐng)域生產(chǎn)重組蛋白（如單克隆抗體、細(xì)胞因子）的 “黃金細(xì)胞株”，其傳統(tǒng)培養(yǎng)以二維貼壁培養(yǎng)（如 T 型瓶、細(xì)胞工廠）為主，但存在細(xì)胞密度低、功能模擬不足、規(guī)?；y等局限。三維細(xì)胞培養(yǎng)儀通過構(gòu)建立體微環(huán)境，支持 CHO 細(xì)胞在三維結(jié)構(gòu)中貼壁生長，既保留其貼壁依賴性，又能模擬體內(nèi)細(xì)胞間相互作用，顯著提升培養(yǎng)效率和產(chǎn)物質(zhì)量。

一、三維細(xì)胞培養(yǎng)儀支持 CHO 細(xì)胞貼壁培養(yǎng)的核心原理

CHO 細(xì)胞為貼壁依賴性細(xì)胞，需附著于固體表面才能增殖分化。三維培養(yǎng)儀的核心是提供立體貼附支架和動態(tài)微環(huán)境調(diào)控，實現(xiàn)：

1.立體附著位點：通過支架材料（如微載體、水凝膠、多孔支架）提供比二維平面更大的比表面積，供細(xì)胞貼壁生長；

2.模擬體內(nèi)微環(huán)境：通過動態(tài)流場、營養(yǎng)梯度、氣體交換等調(diào)控，減少二維培養(yǎng)中的 “接觸抑制”，促進(jìn)細(xì)胞形成更接近體內(nèi)的聚集體或組織樣結(jié)構(gòu)；

3.均一化培養(yǎng)條件：通過攪拌、 perfusion（灌注）等方式，解決三維結(jié)構(gòu)中營養(yǎng) / 氧氣傳遞不均的問題，維持細(xì)胞活性。

二、常用三維細(xì)胞培養(yǎng)儀類型及適配性

根據(jù) CHO 細(xì)胞貼壁需求，主流設(shè)備可分為支架依賴型和動態(tài)貼附型兩類：

1. 微載體攪拌式生物反應(yīng)器（最常用）

核心結(jié)構(gòu)：由攪拌系統(tǒng)（槳葉 / 磁力攪拌）、溫控模塊（37℃）、氣體調(diào)控（5% CO?）、pH / 溶氧傳感器組成，內(nèi)懸浮大量微載體（直徑 50-300 μm 的球形顆粒）。

貼壁機(jī)制：微載體表面經(jīng)改性（如包被膠原、明膠、聚賴氨酸），CHO 細(xì)胞貼附于微載體表面生長，隨攪拌緩慢懸?。ㄞD(zhuǎn)速 10-60 rpm，避免剪切力損傷），形成 “細(xì)胞 - 微載體” 復(fù)合體。

優(yōu)勢：

比表面積大（1 g 微載體≈500 cm2，相當(dāng)于 10 個 T25 瓶），細(xì)胞密度可達(dá) 10?-10? cells/mL（是二維培養(yǎng)的 10-100 倍）；

易于規(guī)?；◤膶嶒炇壹?50 mL 到生產(chǎn)級 2000 L），適合重組蛋白量產(chǎn)；

微載體可通過離心 / 過濾分離，便于細(xì)胞收集和產(chǎn)物純化。

關(guān)鍵參數(shù)：

微載體材質(zhì)：優(yōu)選生物相容性好、易降解（如明膠微載體）或可回收（如聚苯乙烯微載體）；

攪拌速率：CHO 細(xì)胞對剪切力敏感，需控制在 10-30 rpm（貼壁階段低速，增殖階段逐步提高）。

2. 固定床生物反應(yīng)器

核心結(jié)構(gòu)：內(nèi)置多孔固定床（如聚酯纖維、陶瓷支架），CHO 細(xì)胞貼附于支架孔隙內(nèi)生長，培養(yǎng)基通過 perfusion 系統(tǒng)持續(xù)流過床層，實現(xiàn)營養(yǎng)供應(yīng)和代謝物移除。

貼壁特點：支架為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（孔徑 50-200 μm），細(xì)胞可在孔隙內(nèi)多層貼壁，形成類似組織的密集生長（避免懸浮剪切力），更適合模擬細(xì)胞天然表型。

優(yōu)勢：細(xì)胞密度極高（可達(dá) 10? cells/mL），產(chǎn)物（如抗體）分泌量更高；適合對剪切力敏感的 CHO 細(xì)胞株。

局限：支架清洗和滅菌難度較高，規(guī)?；糯髸r需優(yōu)化流場分布（避免局部缺氧）。

3. 旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器（RWV）

核心結(jié)構(gòu)：由內(nèi)外兩個同心圓筒組成，外筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生低剪切力流場，CHO 細(xì)胞貼附于微載體或自身分泌的基質(zhì)上，在 “近零重力” 環(huán)境中生長。

貼壁優(yōu)勢：低剪切力保護(hù)細(xì)胞貼壁穩(wěn)定性，同時促進(jìn)細(xì)胞 - 細(xì)胞、細(xì)胞 - 基質(zhì)間相互作用，更易形成三維聚集體（如類器官樣結(jié)構(gòu)），適合研究 CHO 細(xì)胞的功能分化（如提高復(fù)雜糖基化蛋白的表達(dá)）。

適用場景：實驗室級功能研究或小批量高價值蛋白生產(chǎn)，規(guī)?；芰θ跤跀嚢枋椒磻?yīng)器。

4. 水凝膠包埋式培養(yǎng)系統(tǒng)

核心原理：將 CHO 細(xì)胞包埋于生物相容性水凝膠（如 Matrigel、海藻酸鈉）中，水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)為細(xì)胞提供貼附位點（通過 RGD 等黏附肽修飾），并允許營養(yǎng)和氧氣滲透。

貼壁特點：細(xì)胞在水凝膠內(nèi)貼壁生長，形成三維立體結(jié)構(gòu)，更接近體內(nèi)組織微環(huán)境，可顯著提升細(xì)胞的分化功能和產(chǎn)物活性（如抗體的正確折疊率）。

局限：水凝膠降解速率需匹配細(xì)胞生長周期，且大規(guī)模培養(yǎng)時細(xì)胞回收難度高，更適合實驗室機(jī)理研究。

三、CHO 細(xì)胞三維貼壁培養(yǎng)的關(guān)鍵優(yōu)化點

1.貼壁效率提升：

微載體 / 支架表面改性：包被纖連蛋白、層粘連蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）成分，或通過等離子體處理增加表面親水性；

接種密度：初始密度需達(dá) 1-5×10? cells/mL，確保細(xì)胞快速附著（避免懸浮死亡）。

2.微環(huán)境調(diào)控：

營養(yǎng)供應(yīng)：采用 perfusion 系統(tǒng)（而非批次培養(yǎng)），持續(xù)補(bǔ)充葡萄糖、氨基酸，移除乳酸等代謝廢物；

溶氧控制：維持 30%-50% 飽和度（CHO 細(xì)胞為兼性厭氧，過高溶氧會導(dǎo)致氧化損傷）；

pH 穩(wěn)定：通過 CO?和碳酸氫鈉緩沖系統(tǒng)維持 pH 7.2-7.4。

3.產(chǎn)物收獲優(yōu)化：

對于微載體培養(yǎng)：通過離心分離微載體與培養(yǎng)基，或使用孔徑大于微載體的濾膜過濾；

對于水凝膠包埋：可通過酶解（如膠原酶）降解支架后收集細(xì)胞或產(chǎn)物。

四、與傳統(tǒng)二維貼壁培養(yǎng)的對比優(yōu)勢

指標(biāo) 二維貼壁培養(yǎng)（T 瓶） 三維貼壁培養(yǎng)（微載體反應(yīng)器）

細(xì)胞密度 10?-10? cells/mL 10?-10? cells/mL

產(chǎn)物產(chǎn)量（抗體） 1-5 g/L 5-20 g/L

細(xì)胞功能模擬 差（扁平化生長，表型漂移） 好（接近體內(nèi)形態(tài)，功能穩(wěn)定）

規(guī)?；芰?低（依賴人工操作，空間有限） 高（自動化控制，可放大至千升級）

五、應(yīng)用場景

生物制藥量產(chǎn)：通過攪拌式微載體反應(yīng)器大規(guī)模培養(yǎng) CHO 細(xì)胞，生產(chǎn)單克隆抗體（如抗癌藥 PD-1 抑制劑）、疫苗等；

細(xì)胞表型研究：利用水凝膠或固定床系統(tǒng)，研究 CHO 細(xì)胞在三維環(huán)境中糖基化修飾、信號通路的變化（優(yōu)化蛋白產(chǎn)物質(zhì)量）；

藥物篩選：構(gòu)建三維 CHO 細(xì)胞模型，評估藥物對細(xì)胞增殖、產(chǎn)物分泌的影響（更接近體內(nèi)藥效）。

六、挑戰(zhàn)與解決方向

挑戰(zhàn)：三維培養(yǎng)中細(xì)胞代謝更復(fù)雜（需精準(zhǔn)調(diào)控營養(yǎng)梯度）；微載體 / 支架成本較高；細(xì)胞與支架的分離效率影響下游純化。

趨勢：開發(fā)可降解、低成本微載體；結(jié)合 AI 算法實時調(diào)控培養(yǎng)參數(shù)（如攪拌速率、灌注速度）；通過基因編輯增強(qiáng) CHO 細(xì)胞在三維環(huán)境中的貼壁和增殖能力。

總之，三維細(xì)胞培養(yǎng)儀通過為 CHO 細(xì)胞提供立體貼附微環(huán)境，突破了傳統(tǒng)二維培養(yǎng)的局限，是生物制藥領(lǐng)域提升產(chǎn)量和產(chǎn)物質(zhì)量的核心技術(shù)之一，同時為細(xì)胞功能研究提供了更接近體內(nèi)的模型。