聶簡(jiǎn)琪,孫 楊, 楊艷坤,劉秀霞,李 業(yè),白仲虎
(1.江南大學(xué) 糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,無(wú)錫 214122; 2.江南大學(xué) 工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,無(wú)錫 214122; 3.江南大學(xué) 生物工程學(xué)院,無(wú)錫 214122)
目前細(xì)胞源疫苗已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于疾病的防疫與治療[1]。隨著細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)在生物制藥領(lǐng)域的不斷發(fā)展,對(duì)細(xì)胞的需求量越來(lái)越大,因而急需發(fā)展大規(guī)模培養(yǎng)細(xì)胞技術(shù)。此外,我國(guó)國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局對(duì)疫苗產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和要求逐漸提高,也對(duì)疫苗生產(chǎn)的裝置裝備提出更高的要求。
固定床生物反應(yīng)器由于其高單位細(xì)胞密度、低剪切力、可低密度接種等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于貼壁細(xì)胞的培養(yǎng)。目前商業(yè)化的固定床反應(yīng)器主要有CelliGen?籃式反應(yīng)器(New Brunswick Scientific,USA)、TideCell?潮汐式反應(yīng)器(CESCO Bioengineering Co.Ltd,Taiwan)和激流式反應(yīng)器(Amprotein Bioengineering Co.Ltd, China)?;@式反應(yīng)器采用具有專利的提升槳驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)基在罐體內(nèi)流動(dòng),但該提升槳結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2]。潮汐式反應(yīng)器與激流式反應(yīng)器分為培養(yǎng)單元與培養(yǎng)基單元,結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。此外,由于固定床中載體對(duì)細(xì)胞的截留作用,細(xì)胞在載體中分布不均勻,無(wú)法充分利用載體,因而需要研發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可無(wú)泡通氣、細(xì)胞分布均勻的新型固定床生物反應(yīng)器。
偽狂犬病(Pseudorabies,PR)是由偽狂犬病毒(Pseudorabies virus,PRV)引起的包括豬、牛、羊、犬、家兔等多種家畜和野生動(dòng)物以發(fā)熱、奇癢(豬除外)、腦脊髓炎、呼吸和神經(jīng)系統(tǒng)疾病為主要癥狀的一種急性傳染病[3-5]。感染PRV導(dǎo)致仔豬死亡率增加、生長(zhǎng)豬生長(zhǎng)遲緩、母豬繁殖障礙等,給全球的養(yǎng)豬業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[6-7]。目前疫苗免疫接種是防控PRV的主要方式及有效手段[4, 8]。PRV能夠在多種細(xì)胞系上進(jìn)行增殖,目前文獻(xiàn)報(bào)道的PRV產(chǎn)毒工藝研究主要基于BHK-21細(xì)胞與雞胚成纖維細(xì)胞。非洲綠猴腎細(xì)胞(Vero細(xì)胞)由于其安全性以及可感染多種病毒,是世界衛(wèi)生組織和《中國(guó)藥典》認(rèn)可的用于人用疫苗和動(dòng)物疫苗生產(chǎn)的細(xì)胞系[9]。
針對(duì)目前固定床生物反應(yīng)器的缺點(diǎn)以及Vero細(xì)胞生產(chǎn)疫苗的安全性以及高產(chǎn)性,本研究設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可無(wú)泡通氣的新型固定床生物反應(yīng)器,并對(duì)其性能(混合時(shí)間、kLa、細(xì)胞分布均勻性、細(xì)胞捕獲能力)進(jìn)行了評(píng)價(jià),建立了基于該反應(yīng)器的低密度接種Vero細(xì)胞進(jìn)行PRV病毒擴(kuò)增的工藝,為PRV疫苗以及其他細(xì)胞源疫苗的生產(chǎn)提供新的思路。
貼壁依賴型Vero細(xì)胞購(gòu)于ATCC(CCL-81);豬偽狂犬病毒Bathar-K61弱毒株,由浙江諾倍威生物技術(shù)有限公司提供。
Portavo手持校準(zhǔn)器(德國(guó)Knick公司);CKX31SF倒置顯微鏡(日本奧林巴斯公司);HERACELL CO2培養(yǎng)箱(美國(guó)Thermo公司);L535R離心機(jī)(湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司);BSC-1300IA2生物安全柜(蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司);LDZX-50KBS立式壓力蒸汽滅菌器(上海申安醫(yī)療器械廠);HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋(金壇市榮華儀器制造有限公司)。
DMEM高糖培養(yǎng)基,美國(guó)Hyclone公司;胎牛血清(FBS),以色列Biological Industries公司;胰酶,美國(guó)Sigma-Aldrich公司;D-PBS,杭州吉諾生物醫(yī)藥技術(shù)有限公司;結(jié)晶紫、檸檬酸、NaOH,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。BioNOC II片狀載體,CESCO Bioengineering公司;T-175細(xì)胞培養(yǎng)瓶,德國(guó)Eppendorf公司;96孔細(xì)胞培養(yǎng)板,美國(guó)Thermo公司。
細(xì)胞生長(zhǎng)培養(yǎng)基:DMEM高糖培養(yǎng)基添加10%FBS;病毒維持培養(yǎng)基:DMEM高糖培養(yǎng)基添加2%FBS。
潮汐式反應(yīng)器與激流式反應(yīng)器主要包括培養(yǎng)單元與培養(yǎng)基單元,兩個(gè)單元通過(guò)硅膠管連接,并以蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)基在兩個(gè)單元中進(jìn)行循環(huán)。該結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,且存在硅膠管磨損的風(fēng)險(xiǎn)?;@式反應(yīng)器采用提升槳驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)基流經(jīng)片狀載體,提升槳結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此外,籃式反應(yīng)器采用底層通氣,會(huì)產(chǎn)生大量泡沫,泡沫通過(guò)提升槳頂部的消泡腔去除,提升槳與泡腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
新型固定床生物反應(yīng)器為射流式反應(yīng)器,由本實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示,主要包括玻璃罐體、法蘭、固定床模塊等3個(gè)部分。固定床模塊底部的葉輪旋轉(zhuǎn)形成射流,將培養(yǎng)基壓入固定床模塊中并流經(jīng)載體,然后從固定床模塊頂端溢流并沿外壁回落至玻璃罐體(圖1中箭頭所示)。液體在固定床外壁形成液膜,通入罐體的氣體在該液膜中完成氣體交換(“瀑布式”傳氧)。該反應(yīng)器采用表層通氣,無(wú)泡沫產(chǎn)生。新穎的射流設(shè)計(jì)與“瀑布式”傳氧保證反應(yīng)器的kLa滿足細(xì)胞培養(yǎng)所需。
圖1 新型固定床生物反應(yīng)器罐體示意圖
采用動(dòng)態(tài)法測(cè)定反應(yīng)器在非培養(yǎng)系統(tǒng)條件下kLa[10-11]。在反應(yīng)器罐體內(nèi)加入500 mL PBS溶液,并設(shè)定轉(zhuǎn)速及空氣進(jìn)氣量。通入空氣直至DO電極指數(shù)恒定,將DO電極校準(zhǔn)為100%。停止通空氣并立即通入高純氮?dú)猓鼶O電極示數(shù)為0%(或者示數(shù)接近于0%且穩(wěn)定不變)時(shí),停止通高純氮?dú)?,并立即通入潔凈空氣,記錄DO隨時(shí)間的變化,待DO電極示數(shù)為100%(或示數(shù)接近100%并保持穩(wěn)定不變),停止記錄。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)對(duì)固定床反應(yīng)器的kLa進(jìn)行衡算。
反應(yīng)器混合時(shí)間的測(cè)定參考Xing等[12]的傳感器法。在固定床生物反應(yīng)器罐體內(nèi)加入PBS,并安置兩根pH電極于液面下的兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處,用Portavo手持校準(zhǔn)器實(shí)時(shí)記錄兩根pH電極的示數(shù)。設(shè)定所需轉(zhuǎn)速,待pH值計(jì)示數(shù)穩(wěn)定不變后,向罐體內(nèi)迅速加入3 mL的NaOH溶液(4 mol/L),檢測(cè)溶液pH值隨時(shí)間變化曲線?;旌蠒r(shí)間定義為加入堿液后達(dá)到95%均質(zhì)所需的時(shí)間,試驗(yàn)重復(fù)3次,混合時(shí)間取兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的平均值。
反應(yīng)器的固定床模塊裝填11.05 g載體,并在罐體內(nèi)加入1 L PBS溶液,罐體管線安裝好后置于滅菌鍋中滅菌,121 ℃滅菌30 min。待回復(fù)室溫后,用蠕動(dòng)泵將PBS泵出罐體,將400 mL培養(yǎng)基(DMEM+10% FBS)泵入罐體。按照接種量為0.2×106cells/mL接種Vero細(xì)胞,補(bǔ)加培養(yǎng)基至500 mL。將轉(zhuǎn)速設(shè)置為580 r/min,溫度設(shè)置為37 ℃,pH值設(shè)置為7.2,DO設(shè)置為50%。待細(xì)胞貼附于載體(5.5 h)后,將轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 200 r/min。待培養(yǎng)基中葡萄糖濃度低于1 g/L時(shí),按照每天1.5倍體積的灌流速度進(jìn)行灌流培養(yǎng)。
反應(yīng)器中Vero細(xì)胞接種量為5×104cells/mL,待細(xì)胞生長(zhǎng)至第5.5 d后,吸去反應(yīng)器中舊培養(yǎng)基,并替換為病毒維持培養(yǎng)基。按照MOI=0.001接入毒種,接毒后每天收獲培養(yǎng)基并替換為新鮮的病毒維持培養(yǎng)基,利用TCID50方法檢測(cè)收獲培養(yǎng)基中的病毒滴度。
待細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)束后,取出反應(yīng)器中的固定床模塊。分別于頂層、中層、底層等3個(gè)高度取樣,每個(gè)高度選取前、中、后等3個(gè)取樣點(diǎn),共計(jì)9個(gè)取樣點(diǎn),每個(gè)取樣點(diǎn)分別取10片載體。將片狀載體放置于10 mL離心管中,并加入4 mL結(jié)晶紫溶液。37 ℃水浴2 h,用移液槍吸吹數(shù)次使得載體上細(xì)胞充分脫落,將結(jié)晶紫溶液適當(dāng)稀釋后用血球計(jì)數(shù)板進(jìn)行計(jì)數(shù)。
待細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)束后,將固定床模塊中的片狀載體轉(zhuǎn)移至1 L塑料容器中,加入250 mL結(jié)晶紫溶液,完全浸泡載體,置于37 ℃中水浴,每隔0.5 h振蕩數(shù)次。2 h后充分振蕩使細(xì)胞充分從片狀載體上脫落,將結(jié)晶紫溶液轉(zhuǎn)移至新的塑料容器中。分別取250 mL PBS溶液沖洗片狀載體上殘余的細(xì)胞,合并2次溶液并充分振蕩混勻,適當(dāng)稀釋后采用血球計(jì)數(shù)板進(jìn)行計(jì)數(shù)。
將樣品3 000 r/min離心10 min后取上清,采用TCID50(Tissue culture′s infectious dose,半數(shù)組織培養(yǎng)感染劑量)法檢測(cè)病毒滴度。參考Ru[13]等和Liu等[14]的實(shí)驗(yàn)方法,結(jié)果以log10TCID50/mL表示。病毒顆粒數(shù)為病毒滴度(TCID50/mL)與收獲培養(yǎng)基體積(mL)的乘積,累積病毒顆粒數(shù)為每天收獲病毒顆粒數(shù)的累加。
本研究設(shè)計(jì)了后彎式葉輪、平板式葉輪(部分)、平板式葉輪(完整)等3種槳葉結(jié)構(gòu)(圖2),并以磁力棒為對(duì)照,對(duì)4的射流效果進(jìn)行分析(圖3)。在本研究中,規(guī)定液體完全充滿固定床模塊的腔體而不溢出時(shí)所需的葉輪轉(zhuǎn)速稱之為溢出臨界轉(zhuǎn)速,規(guī)定保持穩(wěn)定射流狀態(tài)下的葉輪最高轉(zhuǎn)速稱之為最大穩(wěn)定運(yùn)行速度。磁力棒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但射流效率較差,最大穩(wěn)定運(yùn)行速度為1 300 r/min,此時(shí)最大射流量為18.3 mL/s。后彎式葉輪與平板式葉輪的溢出臨界轉(zhuǎn)速無(wú)顯著差異,均為580 r/min。但后彎式葉輪的最大穩(wěn)定運(yùn)行速度可達(dá)1 450 r/min,最大射流流量可達(dá)29.1 mL/s(圖3)。通過(guò)線性擬合后彎式葉輪轉(zhuǎn)速與射流流量,兩者呈線性關(guān)系(R2>0.99),即可通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速對(duì)射流流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。綜合以上研究結(jié)果,固定床模塊的葉輪采用后彎式結(jié)構(gòu)。
圖2 葉輪設(shè)計(jì)圖
圖3 轉(zhuǎn)速與射流流量相關(guān)性
kLa通常被用來(lái)評(píng)價(jià)反應(yīng)器提供氧氣的能力,也通常被用作規(guī)模放大/縮小的準(zhǔn)則。Xing等[12]測(cè)得用于細(xì)胞培養(yǎng)的STR的kLa為2.1~7.6。在通氣量為1 vvm的條件下,CelliGen?籃式反應(yīng)器反應(yīng)器的kLa可以達(dá)到8/h[15]。本研究中反應(yīng)器的kLa如圖4所示,在通氣量為1 vvm,轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí),新型固定床生物反應(yīng)器的kLa為7.1/h,與CelliGen?籃式反應(yīng)器相當(dāng)。此外,由于本研究的反應(yīng)器采用無(wú)泡通氣策略,可通過(guò)提高通氣量或使用純氧進(jìn)一步提高反應(yīng)器的kLa。
圖4 轉(zhuǎn)速與通氣量對(duì)kLa的影響
為了避免出現(xiàn)濃度或者溫度梯度,反應(yīng)器必須充分混合確保均質(zhì)性。反應(yīng)器的混合時(shí)間是評(píng)價(jià)反應(yīng)器性能的重要參數(shù)之一。本研究測(cè)定反應(yīng)器在不同轉(zhuǎn)速下的混合時(shí)間,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。轉(zhuǎn)速越高,液體混合均勻所需的時(shí)間越短。轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)混合時(shí)間為48 s,轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)混合時(shí)間為38 s,與STR混合性能相當(dāng)。
圖5 轉(zhuǎn)速對(duì)混合時(shí)間的影響
細(xì)胞接種至反應(yīng)器的固定床模塊后,細(xì)胞通過(guò)流體驅(qū)動(dòng)與載體接觸,并被載體捕獲進(jìn)而貼附于載體上進(jìn)行生長(zhǎng)。反應(yīng)器對(duì)細(xì)胞的捕獲能力可以表征反應(yīng)器對(duì)細(xì)胞種子的利用率。本研究通過(guò)測(cè)定培養(yǎng)1 d后固定床中載體的細(xì)胞數(shù),用來(lái)評(píng)價(jià)反應(yīng)器對(duì)細(xì)胞的捕獲能力。結(jié)果經(jīng)過(guò)1 d培養(yǎng),反應(yīng)器的固定床模塊所捕獲的細(xì)胞密度為0.24×106cells/mL,細(xì)胞擴(kuò)增1.2倍,表明該反應(yīng)器對(duì)細(xì)胞捕獲性能良好。
為了實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在固定床載體中的均勻分布,本研究探索了細(xì)胞接種位置(固定床頂部接種、固定床中部接種、固定床底部接種)對(duì)細(xì)胞在反應(yīng)器中分布的影響。經(jīng)過(guò)7 d培養(yǎng),細(xì)胞在載體中的分布如表1所示。當(dāng)采用頂部接種方案時(shí),頂部的載體貼附的細(xì)胞數(shù)最高,底部的載體貼附的細(xì)胞數(shù)最低,這主要是由于種子細(xì)胞從固定床模塊頂部進(jìn)入,片狀載體對(duì)細(xì)胞有一定的截留作用。此時(shí)固定床底部與頂部的細(xì)胞密度差異為1.9倍,在接受范圍內(nèi)。當(dāng)采用中間接種時(shí),細(xì)胞在固定床模塊的中部與底部的分布比例增加,細(xì)胞密度最大差異為1.9倍,但中間接種會(huì)增加罐體操作與使用的復(fù)雜性。當(dāng)采用底部接種時(shí),固定床模塊底部的載體貼附的細(xì)胞數(shù)最高,頂部載體貼附的細(xì)胞數(shù)最低,細(xì)胞密度最大差異2.3倍。綜合考慮,采取固定床頂部接種的策略。
表1 接種位置對(duì)細(xì)胞在反應(yīng)器中分布的影響
為了驗(yàn)證該新型固定床生物反應(yīng)在低密度接種下細(xì)胞培養(yǎng)性能以及用于病毒擴(kuò)增的可行性,利用該反應(yīng)器進(jìn)行Vero細(xì)胞的培養(yǎng)以及PRV病毒的擴(kuò)增。當(dāng)采用低密度接種時(shí),Vero細(xì)胞仍能夠在該固定床反應(yīng)器中進(jìn)行良好的擴(kuò)增。待細(xì)胞生長(zhǎng)5.5 d后進(jìn)行接毒,接毒后收獲的病毒滴度如圖6所示。每日收獲的病毒滴度于2 dpi達(dá)到最大,為7.5 log10TCID50/mL。接毒5 d后累計(jì)收獲2.5 L含病毒的培養(yǎng)基,收獲病毒的總顆粒數(shù)達(dá)到10.37 log10TCID50,相當(dāng)于2.3×105劑量疫苗(每劑量疫苗需要7.5 log10TCID50/mL[16]),為常規(guī)細(xì)胞密度接種條件下收獲病毒總滴度的1.3倍。試驗(yàn)結(jié)果表明,在該新型固定床生物反應(yīng)器中,采用低密度細(xì)胞接種進(jìn)行PRV產(chǎn)毒時(shí)仍能獲得較高的病毒滴度。
圖6 低密度接種的PRV產(chǎn)毒曲線
固定床生物反應(yīng)器由于低剪切力、可獲得較高細(xì)胞密度、可低密度接種等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)。基于現(xiàn)有固定床生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細(xì)胞分布不均等缺點(diǎn),研發(fā)了新型固定床生物反應(yīng)器。相對(duì)于籃式反應(yīng)器復(fù)雜的提升槳結(jié)構(gòu),該反應(yīng)器采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且新穎的“瀑布式”傳氧,可實(shí)現(xiàn)無(wú)泡通氣?;旌蠒r(shí)間、kLa是反應(yīng)器設(shè)計(jì)以及反應(yīng)器規(guī)模放大的關(guān)鍵參數(shù)[12]。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)所需的kLa范圍通常在1~25/h[17-18]。本研究測(cè)得的該新型固定床生物反應(yīng)器的kLa在該范圍之內(nèi),且混合時(shí)間與STR相當(dāng)[19]。結(jié)果表明該反應(yīng)器可以提供良好的氧傳遞性能以及混合特性,也為規(guī)模放大提供了參考數(shù)據(jù)。
由于Vero細(xì)胞生產(chǎn)疫苗的安全性與高產(chǎn)性,Vero細(xì)胞廣泛地用于人用疫苗以及動(dòng)物疫苗的生產(chǎn)[9]。本研究進(jìn)一步驗(yàn)證了該反應(yīng)器用于低密度接種Vero細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)以及進(jìn)行PRV病毒擴(kuò)增的可行性。當(dāng)?shù)兔芏冉臃NVero細(xì)胞時(shí),細(xì)胞在反應(yīng)器中仍生長(zhǎng)良好。當(dāng)進(jìn)一步進(jìn)行PRV病毒擴(kuò)增時(shí),與在常規(guī)密度接種條件下收獲病毒總顆粒數(shù)相當(dāng)。疫苗生產(chǎn)過(guò)程常用的細(xì)胞接種密度一般為0.2×106cells/mL(甚至更高)[20],這通常需要利用大量方瓶、滾瓶、細(xì)胞工程進(jìn)行種子鏈擴(kuò)增。本研究采用低密度接種進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)以及病毒擴(kuò)增,該工藝收獲培養(yǎng)基中病毒的滴度為采用BHK 21懸浮細(xì)胞的產(chǎn)毒工藝的2.9倍[16]。此外,該工藝將所需種子細(xì)胞數(shù)縮減4倍,大大簡(jiǎn)化種子細(xì)胞的制備工藝,降低了種子制備過(guò)程中人工操作可能引起的污染風(fēng)險(xiǎn)。
本研究在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模(培養(yǎng)體積為500 mL)固定床生物反應(yīng)器上成功地實(shí)現(xiàn)了PRV病毒的擴(kuò)增,驗(yàn)證了該新型固定床生物反應(yīng)器用于病毒擴(kuò)增的可行性。本研究以病毒滴度為指標(biāo),后續(xù)研究可增加抗原含量、DNA殘留等其他參數(shù)指標(biāo),進(jìn)而從多尺度評(píng)價(jià)該反應(yīng)器用于生產(chǎn)高質(zhì)量疫苗工藝研發(fā)與生產(chǎn)的可行性。本研究為細(xì)胞源疫苗的生產(chǎn)提供了新的反應(yīng)器與方案。