CHO 細胞（中國倉鼠卵巢細胞）是生物制藥領(lǐng)域生產(chǎn)重組蛋白（如單克隆抗體、細胞因子）的 “黃金細胞株”，其傳統(tǒng)培養(yǎng)以二維貼壁培養(yǎng)（如 T 型瓶、細胞工廠）為主，但存在細胞密度低、功能模擬不足、規(guī)模化難等局限。三維細胞培養(yǎng)儀通過構(gòu)建立體微環(huán)境，支持 CHO 細胞在三維結(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、三維細胞培養(yǎng)儀支持 CHO 細胞貼壁培養(yǎng)的核心原理
CHO 細胞為貼壁依賴性細胞，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”，促進細胞形成更接近體內(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，維持細胞活性。
二、常用三維細胞培養(yǎng)儀類型及適配性
根據(jù) CHO 細胞貼壁需求，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）。
貼壁機制：微載體表面經(jīng)改性（如包被膠原、明膠、聚賴氨酸），CHO 細胞貼附于微載體表面生長，隨攪拌緩慢懸浮（轉(zhuǎn)速 10-60 rpm，避免剪切力損傷），形成 “細胞 - 微載體” 復合體。
優(yōu)勢：
比表面積大（1 g 微載體≈500 cm2，相當于 10 個 T25 瓶），細胞密度可達 10?-10? cells/mL（是二維培養(yǎng)的 10-100 倍）；
易于規(guī)模化（從實驗室級 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），更適合模擬細胞天然表型。
優(yōu)勢：細胞密度極高（可達 10? cells/mL），產(chǎn)物（如抗體）分泌量更高；適合對剪切力敏感的 CHO 細胞株。
局限：支架清洗和滅菌難度較高，規(guī)模化放大時需優(yōu)化流場分布（避免局部缺氧）。
3. 旋轉(zhuǎn)壁式生物反應器（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：低剪切力保護細胞貼壁穩(wěn)定性，同時促進細胞 - 細胞、細胞 - 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 細胞的功能分化（如提高復雜糖基化蛋白的表達）。
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)模化能力弱于攪拌式反應器。
4. 水凝膠包埋式培養(yǎng)系統(tǒng)
核心原理：將 CHO 細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胞生長周期，且大規(guī)模培養(yǎng)時細胞回收難度高，更適合實驗室機理研究。
三、CHO 細胞三維貼壁培養(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 1-5×10? cells/mL，確保細胞快速附著（避免懸浮死亡）。
2.微環(huán)境調(diào)控：
營養(yǎng)供應：采用 perfusion 系統(tǒng)（而非批次培養(yǎng)），持續(xù)補充葡萄糖、氨基酸，移除乳酸等代謝廢物；
溶氧控制：維持 30%-50% 飽和度（CHO 細胞為兼性厭氧，過高溶氧會導致氧化損傷）；
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 二維貼壁培養(yǎng)（T 瓶） 三維貼壁培養(yǎng)（微載體反應器）
細胞密度 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)模化能力 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、應用場景
生物制藥量產(chǎn)：通過攪拌式微載體反應器大規(guī)模培養(yǎng) CHO 細胞，生產(chǎn)單克隆抗體（如抗癌藥 PD-1 抑制劑）、疫苗等；
細胞表型研究：利用水凝膠或固定床系統(tǒng)，研究 CHO 細胞在三維環(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 細胞模型，評估藥物對細胞增殖、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)中細胞代謝更復雜（需精準調(diào)控營養(yǎng)梯度）；微載體 / 支架成本較高；細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 CHO 細胞在三維環(huán)境中的貼壁和增殖能力。
總之，三維細胞培養(yǎng)儀通過為 CHO 細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，同時為細胞功能研究提供了更接近體內(nèi)的模型。
