CHO细胞无血清培养基技术手册

1 CHO细胞
CHO细胞是中国仓鼠卵巢细胞(Chinese Hamster Ovary,CHO),1957年美国科罗拉多大学Dr. Theodore T. Puck从一成年雌性仓鼠卵巢分离获得,为上皮贴壁型细胞,是目前生物工程上广泛使用的细胞系。工业生产上应用较多的是CHO-K1细胞,为转化细胞系,细胞染色体分布频率是2n=22,系亚二倍体细胞。ATCC保存CHO-K1细胞株,编号为CCL-61,被广泛地用于重组DNA蛋白的表达。由于该细胞存在遗传缺陷,无脯氨酸合成基因,不能将谷氨酸转变为谷氨酸-γ-半醛,培养过程中需在培养基中添加L-脯氨酸才能生长。并且由于该细胞已经霍乱毒素适应,形态学有所改变。**初细胞为贴壁型细胞,经多次传代筛选后,也可悬浮生长。
ATCC提供的CHO-K1细胞照片
CHO细胞容易发生基因突变,也较易进行基因转染,是良好的哺乳动物基因表达宿主细胞,代表性细胞有二氢叶酸还原酶(dihydrofolate reductase)营养缺陷型突变细胞株(CHO/dhfr-)、转染谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase,GS)基因的GS-CHO细胞。
二氢叶酸还原酶是真核细胞核苷酸生物合成过程中起着重要作用的一种酶,是常用的遗传选择标记之一,它可催化二氢叶酸还原成四氢叶酸。对于dhfr突变体细胞而言,由于不能够合成四氢叶酸,阻断了正常核酸代谢途径,因此不能在常规培养基上生长,但若在培养基中加入次黄嘌呤(hypoxanthine)和胸苷(thymidine),则突变体细胞可以借助核苷酸的补救合成途径维持生长。利用dhfr基因进行筛选时,首先将重组DNA分子导入dhfr- 表型的受体细胞,然后撤除原培养基中的的次黄嘌呤和胸苷,即可获得dhfr+并能表达外源基因的克隆细胞系。因此在挑选表达外源基因的阳性克隆细胞时需选用不含次黄嘌呤和胸苷的培养基。另外,氨甲喋呤(MTX)选择压力可使CHO/dhfr- 细胞的外源基因的拷贝数扩增并得到较高水平的表达。
CHO-GS细胞是用含单抗蛋白等的目的基因和谷氨酰胺合成酶(GS)基因标记的表达载体,转染宿主细胞CHO,再通过L-氨基亚砜蛋氨酸(methionine sulphoximine,MSX)等化合物选择加压促使GS基因和目的蛋白基因扩增,筛选获得重组细胞株,可在不含谷氨酰胺培养基中生长、增殖,可避免或减少细胞代谢过程中谷氨酰胺降解积累的氨对细胞的损伤、抑制作用。
ATCC提供的CHO/dhfr-细胞照片
2 CHO细胞表达系统的优势与特点
由于哺乳动物细胞结构、功能和基因表达调控的复杂性,外源基因在哺乳动物细胞中的表达与在原核生物中的表达存在较大差异,因而外源基因在哺乳动物细胞中高效表达所需的元件也不同于在原核生物细胞中的表达所需的元件。外源基因在哺乳动物细胞中的表达包括基因的转录、mRNA翻译及翻译后蛋白质的加工等过程,如蛋白质的糖基化、磷酸化、寡聚体的形成以及蛋白质分子内或分子间二硫键的形成等比较复杂,要表达具有生物学功能的蛋白质如膜蛋白、抗体和具有特异性催化功能的酶需要在哺乳动物细胞中进行。
哺乳动物基因表达宿主细胞选择的基本原则是来源丰富、转化效率高、表达效果好,CHO细胞作为表达系统除具有上述的特点要求外,还有以下优势: 
1)外源基因被整合到宿主染色体上后,在没有选择压力的情况下能稳定保持; 
2)适合多种蛋白质的分泌表达和胞内表达,并且很少分泌自身的内源蛋白,便于下游产物分离纯化; 
3)对培养基的要求较低,可在无血清培养基中培养; 
4)细胞可进行贴壁培养也可进行悬浮培养,且具有较高的耐受剪切力和渗透压能力; 
5)可进行高密度大量培养,进行较大规模生产时其培养量可放大到20000L以上,是目前应用**广泛的哺乳动物基因表达受体细胞之一。
另有研究者尝试将类胰岛素生长因子IGF基因和转铁蛋白基因转入CHO细胞获得能自身分泌必需蛋白的“超级CHO”,无需在培养基中转铁蛋白和胰岛素,细胞可在无血清培养基(SFM)中生长良好。

3 CHO细胞在生物制药中的应用
目前已有多种外源基因如人组织性纤溶酶原激活剂(tPA)、人促红细胞生成素(EPO)、乙肝表面抗原(HBsAg)、干扰素γ(IFNγ)、干扰素β(IFNβ)、白细胞介素2(IL2)、凝血因子Ⅷ等在CHO细胞中得到表达。在美国已注册的大约73种蛋白药物生产中,应用哺乳动物细胞培养的有35种,CHO细胞培养的就占27种,其中包括10种单克隆抗体。下表是以CHO细胞培养为基质生产的重组制品。

4 无血清细胞培养基
无血清培养基的出现是培养基发展历程上的一个里程碑,其一般是在合成培养基的基础上,引入成分完全明确的或部分明确的血清替代成分,使培养基能满足动物细胞培养的要求,又可有效的克服因使用血清所引发的问题。进入20 世纪80 年代后,新的无血清培养基不断问世,人们经过研究发现,只要在培养基中增加某些适于细胞生长的成分,如纤连蛋白(fibronectin)、转铁蛋白(Transferrin, TRF)、胰岛素(Insulin)和表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF)等,不少细胞即能在无血清供应的情况下生长,尤其是CHO、杂交瘤、骨髓瘤细胞以及BHK21 细胞等。某些细胞在无血清的条件下,其生长和抗体的产量甚**较有血清培养时高出数倍。
目前,无血清培养基的研究有两个方向:一是培养基中不含有任何动物来源的添加组分;二是培养基中不含有不明确的添加组分。依此可以将当前应用较多的无血清培养基归纳为以下四种: 
(1)无血清培养基,为一般意义上无血清培养基,用各类可替代血清功能的生物材料配制细胞培养基,如牛血清白蛋白(BSA) 、转铁蛋白、胰岛素等生物大分子物质,以及从血清中提取的去除蛋白质的混合脂类以及水解蛋白等。其特点是培养基中的蛋白含量较高,添加物质的化学成分不明确,其中含有大量的动物来源蛋白。
(2)无动物来源培养基,许多商业公司开发的无动物来源培养基是基于生产重组药物的安全考虑,培养基中的添加组分无动物来源,需要的蛋白来源于重组蛋白或者蛋白水解物,这些组分可以保障细胞生长及增殖的需要。
(3)无动物蛋白培养基,培养基完全不用动物来源的蛋白,但仍有部分添加物是来源于植物蛋白的水解片段或合成多肽片段等其他衍生物。此类培养基组分相对稳定,但必须添加类固醇激素和脂类前体,并且对培养的细胞是高度特异性的。
(4)化学组分限定培养基,此类培养基是目前**安全、**为理想的培养基,首先可以保证培养基批次间的一致性,其中所添加的少量动物来源的蛋白水解物、蛋白都是成分明确的组份。其特点是培养基的性质明确,有利于进行细胞培养的代谢研究,同时分离纯化也比较方便。
研究者对CHO细胞无血清培养基的开发比较深入,目前有多种用于CHO细胞无血清培养的培养基面世,形成了很多固定的商业配方,这些配方有的是**保护的,有的是商业秘密。国外有部分优秀的无血清培养基,但价格昂贵。
CHO细胞存在多种克隆细胞系,仅ATCC保存的CHO细胞就多达38种,再加上各公司或研究单位构建的细胞,其克隆细胞数量远不止这些。对于CHO细胞无血清培养而言,由于构建的各种高性能CHO细胞系不同,不同克隆细胞的营养要求也都非常的不同,对营养要求往往是个性化的。另外,CHO细胞培养过程的不同培养阶段、重组CHO细胞构建的各个阶段,细胞代谢所需的营养或限制因素也是不同的,即同一细胞系在整个培养过程也需要使用不同的培养基,需要与之相对应的个性化培养基(Customed Cell Culture Medium)。

5 CHO细胞无血清无动物组分培养基(SAF-CHO-G-004)
其实个性化培养基并不新鲜,在国外生物制药企业普遍采用个性化培养基,世界**的生物制药公司(如Amgen、Genetech)往往和培养基企业合作,通过细胞培养基的客户定制方式,研制**适合自身细胞特点的个性化细胞培养基应用于生产实践,用于提高细胞产率和生产效率。另有数据显示,国际上的细胞培养基生产企业,个性化、定制培养基占其培养基业务的90%以上,目录培养基不足10%。
北京清大天一生物技术有限公司依托于在细胞培养基研发和动物细胞大规模培养方面具有丰富经验的研发团队,潜心研究,开发研制了多种个性化培养基,通过在生产实践中的应用已取得可喜的成果,如CHO细胞无血清无动物组分细胞培养基(SAF-CHO-G-004)就是其中之一。

5.1 CHO细胞无血清无动物组分培养基(SAF-CHO-G-004)的特点
SAF-CHO-G-004(代码:SAF108)是北京清大天一生物技术有限公司开发的新一代CHO细胞无血清无动物组分细胞培养基,能支持多种CHO细胞的生长维持,可广泛应用于CHO细胞的无血清悬浮培养及抗体、重组蛋白的生产过程。细胞培养基产品的生产、检验严格执行GMP管理和ISO9001管理体系,符合生物制药原辅料要求,质量稳定可靠。
1)SAF-CHO-G-004细胞培养基系无血清无动物组分培养基,不含有血清替代物、动物来源蛋白等动物来源组分,化学成分明确,保证了细胞培养中原辅料的使用安全性;
2)SAF-CHO-G-004细胞培养基能支持多种CHO细胞的生长、维持,具有较为广泛的适用性;
3)适用于实验研究和大规模培养应用;
4)根据用户的不同使用,可定制SAF-CHO-G-004培养基,以满足CHO/dhfr-