细胞培养中的乳酸代谢

乳酸代谢是细胞培养工艺开发和优化中的核心环节，直接影响细胞的生长、存活率以及目标蛋白（如治疗性抗体）的产量和质量。

乳酸是什么？它是如何产生的？

乳酸（Lactate）是糖酵解（Glycolysis）途径的终端产物。在细胞培养中，其生成过程大致如下：

葡萄糖摄入：细胞从培养基中摄取葡萄糖作为主要能量和碳源。
糖酵解：葡萄糖在细胞质中被分解为丙酮酸（Pyruvate），并产生少量的ATP（能量货币）。
乳酸生成：当细胞处于高速增殖阶段、氧气供应相对不足或线粒体功能繁忙时，大量的丙酮酸不会进入线粒体进行高效的有氧代谢（TCA循环），而是在乳酸脱氢酶（LDH）的作用下，被还原为乳酸。这个过程称为“有氧糖酵解”或“Warburg效应”。

可以简单总结为：

葡萄糖 → 丙酮酸 → 乳酸

乳酸积累的负面影响

在细胞培养的早期和中期（指数生长期），乳酸会快速积累，进而对培养过程产生多重不利影响：

降低培养基pH值：乳酸是一种有机酸，它的积累会导致培养基pH值下降。虽然生物反应器有pH自动控制系统（通过添加碱如NaHCO₃来中和），但这会增加渗透压和盐浓度，对细胞造成额外压力。
抑制细胞生长和活力：高浓度的乳酸（通常 > 20-40 mM，因细胞系和工艺而异）对细胞有毒性，会显著抑制细胞增殖，降低细胞存活率（Viability），从而导致最终细胞密度下降。
影响产品质量：乳酸积累改变的代谢环境可能影响蛋白质的糖基化（Glycosylation）等关键质量属性，导致产物异质性增加。
增加代谢负担：细胞需要消耗能量来处理乳酸的毒性，从而减少了用于生长和蛋白合成的能量。

乳酸代谢的转变：从“产生”到“消耗”

一个高效的细胞培养工艺的标志之一，是在培养中后期实现乳酸代谢转换（Lactate Metabolic Shift），即细胞从净乳酸生产者转变为净乳酸消费者。

上述现象通常发生在：

细胞生长减慢或进入稳定期：增殖减缓，能量需求降低。
葡萄糖浓度下降：碳源减少，细胞开始寻找替代能源。
乳酸浓度达到一定水平：高乳酸本身可能作为一种信号或底物。

细胞如何消耗乳酸？

细胞可以通过以下途径重新利用乳酸：

进入TCA循环：乳酸被氧化回丙酮酸，然后进入线粒体，参与三羧酸循环（TCA循环），产生大量能量（ATP）。
糖异生作用：在某些情况下，乳酸可以作为前体物质用于合成葡萄糖或其他氨基酸。

实现乳酸代谢转换的好处：

pH更稳定：乳酸被消耗，减轻了pH控制的压力。
细胞活力维持更久：毒性降低，细胞进入更健康的“维持”阶段，有利于延长生产期（Production Phase）。
提高产量和效率：细胞能更有效地利用营养物质，将更多碳源导向目标蛋白的合成，而不是浪费性地产生乳酸。

如何控制和管理乳酸代谢？

工艺开发人员通过多种策略来最小化乳酸积累并促进其后期消耗：

1. 培养基优化：

控制葡萄糖浓度：采用灌流（Perfusion）工艺或动态补料（Dynamic Feeding）策略，将葡萄糖浓度维持在一个较低但非限制性的水平（例如，~2-4 mM），避免糖浓度过高导致“溢流代谢”（Overflow Metabolism）和乳酸大量生成。
替代碳源：添加谷氨酰胺（Glutamine）、谷氨酸（Glutamate）或其他氨基酸作为替代能量源，可以减少对葡萄糖的依赖。

2. 过程参数控制：

pH：优化pH设定值（通常 around 7.0），略高的pH可能有利于乳酸消耗。
溶解氧（DO）：优化溶解氧水平，避免过低（导致无氧代谢）或过高（产生氧化应激）的情况。

细胞系工程（Metabolic Engineering）

通过基因工程技术改造CHO细胞：

下调LDH活性：降低乳酸脱氢酶的表达或活性，从源头上减少乳酸生成。
引入乳酸转运蛋白：促进乳酸从细胞中排出或摄入，减轻胞内酸中毒。
增强线粒体功能：促进丙酮酸进入线粒体进行氧化代谢，而不是转化为乳酸。

这些改造可以产生“低乳酸”或“乳酸表型转换”的细胞株，显著改善培养性能。

总结

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表1：细胞培养不同时期对应乳酸特征

乳酸代谢是CHO细胞代谢状态的一个关键指示器。理解和控制乳酸代谢是实现高密度、长时间、高效率细胞培养工艺，从而大幅提高生物药产量的核心所在。现代先进的过程分析技术（PAT）和代谢通量分析（MFA）正被用于更精细地实时监控和优化这一过程。

通过将pH维持在最佳水平，可以引导细胞代谢向更高效、废物更少的方向进行，提高营养利用效率，并减少乳酸、铵等抑制性副产物的积累。

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