文献分享 | 二氧化碳分压对细胞培养的影响

乳酸从生成到消耗的代谢转变是哺乳动物细胞培养中一个普遍的特征，这种转变有利于细胞维持活率和提高蛋白产量。研究发现，2000 L一次性生物反应器(Single-Use Bioreactor，SUB)CHO细胞批次流加培养中，高PCO₂下细胞乳酸代谢出现先消耗再生成的现象。杂交瘤细胞连续培养和葡萄糖限制的CHO细胞连续培养中，在高PCO₂情况下乳酸比生成速率增加。原因可能是控制pH的细胞培养中，高PCO₂酸化溶液导致碱液加入，大规模反应器混合不均一性导致加入碱液时局部pH过高，增加了控制pH所需的加碱量，刺激了乳酸再生成。

同时，碱液的加入使 CO₂+H₂O↔H++HCO₃⁻ 的平衡右移，HCO₃⁻ 堆积引起高渗透压，影响细胞乳酸代谢。高PCO₂、低pH和高渗透压三者单独对乳酸再生成的影响不显著，三者共同作用才导致乳酸再生成，这种乳酸再生成现象可以通过增加CO₂逸出消除。杂交瘤细胞2000 L培养中，高PCO₂引起乳酸比生成率增加，通过提高通气速率(从1 LPM(Liter Per Minutes，升/分钟)提高到2.5 LPM)，可以达到降低乳酸(浓度降低50%)的目的。相反，高PCO₂也可能导致乳酸生成速率降低，幼仓鼠肾细胞(Baby Hamster Kidney, BHK)灌流培养中PCO₂从约84mmHg升高到约230mmHg时，乳酸比生成率降低。摇瓶培养中杂交瘤细胞和CHO细胞乳酸比生成率随PCO₂升高而降低。因此不同细胞和不同培养方式中，PCO₂对细胞乳酸代谢的影响不同。

CHO细胞批次流加培养中，同样的pH水平下高PCO₂抑制乳酸代谢状态的转变。PCO₂较高(20% CO₂)的培养组(高PCO₂组)与PCO₂(12.5% CO₂)降低的培养组(对照组)相比，乳酸的代谢没有发生从产生到消耗的转变。高PCO₂组细胞在乳酸代谢转变之前(指对照组乳酸代谢转变之前)糖酵解水平、TCA循环和呼吸作用都降低，代谢转变后高PCO₂组的糖酵解途径水平较对照组高，其他代谢流与对照组一致。最终高PCO₂组的细胞蛋白产量较对照组降低(1.1g/L : 2.0g/L)。

CHO细胞摇瓶培养中，PCO₂设定在76mmHg和152mmHg时相比38mmHg时细胞生长受到严重抑制，密度仅仅为0.5×106 cell/mL(接种密度为0.2×106 cell/mL)；PCO₂为零时，出现同样现象。说明细胞生长初期需要一定浓度CO₂，过高和过低的PCO₂都使细胞无法生长。反应器阶段的细胞培养中，大规模工业化细胞培养PCO₂可达到150 - 200 mmHg，并对细胞生长和蛋白产量产生明显抑制作用。

则抑制细胞生长，降低蛋白产量。PCO₂从38 mmHg升高到148 mmHg左右时蛋白产量降低了70%，产量的降低是蛋白产率降低(降低50%)和细胞密度降低共同的结果。指数生长期CHO细胞在低温(33℃)和高pCO₂(20% CO₂)的不利环境中优先消耗葡萄糖生成乳酸，细胞代谢向低效的无氧途径转变，且大量与抗氧化相关的蛋白上调，细胞处于氧化应激挑战下，细胞生长受到强烈抑制。

不仅仅是CHO细胞，PCO₂升高对其他动物细胞培养也有影响。骨髓瘤细胞批次培养中高PCO₂引起大量碱加入，造成pH波动，增加了细胞的死亡。杂交瘤细胞培养中，高PCO₂和高渗透压共同作用使细胞内pH降低，细胞糖酵解水平降低，谷氨酰胺消耗减少，抑制了细胞的生长但不影响抗体比生成速率。研究表明适当的葡萄糖限制可以补偿较高PCO₂ (190 mbar)导致的细胞生长下降，因为限制葡萄糖使乳酸生成减少，pH调节需加入的碱量(渗透压)减少，细胞生长受到的影响也就减小。

CO₂是哺乳动物细胞中心代谢途径中的重要反应底物和代谢产物，其浓度的高低通过单独和偶联pH、HCO₃^-、渗透压的作用影响细胞的生长、代谢甚至蛋白产量和质量。细胞培养过程中CO₂的的变化一般直观的体现在pH的变化上，良好的pH监控在能够一定程度上消除PCO₂对细胞培养的影响，对pH变化的实时监测有助于对PCO₂变化进行更好处理，百林科生产CytoLinX^® BR一次性罐体式生物反应器，配备pH控制灵敏，反应迅速，pH变化可级联CO₂、碱泵、酸泵实现对pH值的在线监控。