細(xì)胞培養(yǎng)微載體:不同材料的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用指南
瀏覽次數(shù):191 發(fā)布日期:2025-3-14
來(lái)源:霍爾斯Holves
在前篇綜述中,我們已對(duì)微載體的基礎(chǔ)知識(shí)架構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理,并對(duì)其分類(lèi)進(jìn)行了初步闡釋。微載體作為細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新,憑借其卓越的三維支撐特性,為細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)與增殖提供了理想的微環(huán)境,顯著提升了細(xì)胞培養(yǎng)的效率與質(zhì)量。然而,微載體的種類(lèi)繁多,不同材料的微載體在物理與化學(xué)特性上存在顯著差異,這些特性直接決定了其在特定應(yīng)用場(chǎng)景中的適用性與局限性。本文將聚焦于各類(lèi)不同材料構(gòu)成的微載體,深入剖析其獨(dú)特的性能表現(xiàn),并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行全面評(píng)估,希望可以為大家選擇適宜的微載體提供科學(xué)依據(jù)與支持。
葡萄糖微載體
葡聚糖微載體憑借其天然的生物高分子特性,幾乎能夠滿足所有能在體外貼壁的動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)需求
優(yōu)點(diǎn):
- 比表面積大:此類(lèi)微載體具有極大比表面積,使得單位體積的培養(yǎng)液中能夠培養(yǎng)出更多的細(xì)胞,提高細(xì)胞產(chǎn)率。
- 良好的生物相容性:葡聚糖是一種天然生物高分子,由葡萄糖單體通過(guò)糖苷鍵連接而成,具有良好的生物相容性,對(duì)細(xì)胞和生物體的毒性較低,一般不會(huì)引起免疫反應(yīng)或其他不良生理反應(yīng),有利于細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)和增殖,廣泛應(yīng)用于藥物遞送、細(xì)胞培養(yǎng)和組織修復(fù)等領(lǐng)域。
- 化學(xué)修飾性強(qiáng):葡聚糖分子上含有豐富的羥基等活性基團(tuán),可以通過(guò)化學(xué)方法進(jìn)行修飾,引入各種功能基團(tuán),如靶向基團(tuán)、藥物結(jié)合位點(diǎn)、親水性或疏水性基團(tuán)等,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微載體的功能化定制,滿足不同的應(yīng)用需求,例如提高藥物的負(fù)載量、實(shí)現(xiàn)靶向給藥、增強(qiáng)細(xì)胞的黏附能力等。
缺點(diǎn):
- 分離困難:以葡聚糖為基質(zhì)的微載體溶脹后與生物反應(yīng)器內(nèi)壁具有較強(qiáng)的黏附性,進(jìn)行大規(guī)模微載體細(xì)胞培養(yǎng)后,不易將細(xì)胞從微載體上有效地消化分離,難以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞高效高產(chǎn)回收。
- 增加生產(chǎn)成本和工藝復(fù)雜性:目前一般采用胰酶消化進(jìn)行分離,在小規(guī)模培養(yǎng)階段也可使用葡聚糖酶降解微載體,給細(xì)胞回收帶來(lái)較大浪費(fèi),也給工藝放大帶來(lái)一些技術(shù)障礙,增加了生產(chǎn)成本和工藝的復(fù)雜性。
- 某些環(huán)境中的穩(wěn)定性問(wèn)題:在一些極端的條件下,如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫或高鹽濃度等環(huán)境中,葡聚糖基質(zhì)微載體可能會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)的改變、降解速度的變化或功能的喪失等,從而限制了其在某些特殊環(huán)境中的應(yīng)用。
明膠微載體
與葡聚糖微載體不同,明膠微載體主要適用于貼壁依賴型細(xì)胞和懸浮培養(yǎng)細(xì)胞,如人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞等。
優(yōu)點(diǎn):
- 生物相容性:明膠是一種生物相容性好的材料,主要為豬源性明膠或牛源性,對(duì)人體幾乎無(wú)毒性。明膠基質(zhì)微載體以交聯(lián)明膠蛋白為基質(zhì),。明膠具有生物相容性、多微孔、非剛性、無(wú)毒性、活性好、易降解、可回收的特點(diǎn)。較大的比表面積能滿足哺乳動(dòng)物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng),對(duì)于貼壁依賴型細(xì)胞和懸浮培養(yǎng)細(xì)胞均有較好的承載效果。
- 生物可降解性:在生物體內(nèi)或特定的環(huán)境中,明膠可以逐漸降解,其降解產(chǎn)物通常是一些無(wú)毒的氨基酸等小分子物質(zhì),能夠被生物體代謝和吸收,不會(huì)在體內(nèi)長(zhǎng)期殘留,減少了對(duì)機(jī)體的潛在危害,這使得明膠類(lèi)微載體在藥物緩釋和組織工程等領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。
- 多孔結(jié)構(gòu):明膠基質(zhì)的大孔球狀微載體具有多孔性特點(diǎn),增加了培養(yǎng)表面積,可為細(xì)胞提供更多的黏附位點(diǎn)和生長(zhǎng)空間,并且可以使細(xì)胞在載體內(nèi)部獲得相對(duì)穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境,減少外界因素對(duì)細(xì)胞的影響。
缺點(diǎn):
- 外源成分:動(dòng)物源性的明膠微載體這些污染物可能會(huì)對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)造成不良影響。如果明膠的來(lái)源動(dòng)物種類(lèi)或提取工藝不當(dāng),可能攜帶病毒、細(xì)菌或其他微生物污染物,從而引發(fā)免疫反應(yīng),導(dǎo)致細(xì)胞的免疫激活或產(chǎn)生炎癥反應(yīng),影響細(xì)胞的正常生長(zhǎng)和功能,尤其在一些對(duì)免疫反應(yīng)敏感的細(xì)胞培養(yǎng)或體內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景中需要特別注意。
- 批次差異:由于動(dòng)物源性明膠的來(lái)源和提取方法的不同,以及制備過(guò)程中的一些因素影響,可能具有批次間的不一致性,這會(huì)影響細(xì)胞培養(yǎng)的重復(fù)性和結(jié)果的一致性。
- 成本問(wèn)題:動(dòng)物源性的明膠微載體通常價(jià)格較高,這可能會(huì)增加細(xì)胞培養(yǎng)的成本。
纖維素微載體
與上述兩種動(dòng)物源性微載體相比,纖維素微載體則完全由100%纖維素組成,適合貼壁依賴型細(xì)胞,也適合懸浮培養(yǎng)細(xì)胞。主要應(yīng)用于通過(guò)培養(yǎng) CHO、BHK、NSO 和雜交瘤細(xì)胞生產(chǎn)重組產(chǎn)品和單克隆抗體。
優(yōu)點(diǎn):
- 無(wú)毒且可生物降解:纖維素基質(zhì)微載體由 100%纖維素組成,對(duì)細(xì)胞無(wú)毒,可生物降解。
- 多微孔結(jié)構(gòu):由交聯(lián)纖維素構(gòu)成,呈多微孔結(jié)構(gòu),硬度高,細(xì)胞在接種后容易進(jìn)入微載體內(nèi)部,在增加細(xì)胞培養(yǎng)表面積的同時(shí),減少剪切力對(duì)細(xì)胞的機(jī)械損傷。
- 高密度細(xì)胞培養(yǎng):由于細(xì)胞在微載體內(nèi)受到很好的保護(hù),可以增加通氣和攪拌速度,使用更高濃度的載體,進(jìn)行高密度培養(yǎng)。
缺點(diǎn):
- 在線監(jiān)測(cè)和分析困難:由于細(xì)胞大多生長(zhǎng)在孔內(nèi),不利于直接對(duì)細(xì)胞進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和分析。
- 細(xì)胞收獲困難:細(xì)胞在孔內(nèi)生長(zhǎng),也增加了細(xì)胞收獲的難度。
聚苯乙烯微載體
聚苯乙烯微載體不同于天然材料微載體,在流化床灌注培養(yǎng) CHO 細(xì)胞應(yīng)用較多,也可用于培養(yǎng)貼壁和半貼壁細(xì)胞。
優(yōu)點(diǎn):
- 透明度高:聚苯乙烯具有良好的光學(xué)透明性,便于在顯微鏡下觀察細(xì)胞在微載體表面的生長(zhǎng)情況,監(jiān)控細(xì)胞的生長(zhǎng)狀態(tài)。
- 不吸附血清:聚苯乙烯微載體不吸附血清,這有助于收獲細(xì)胞的特殊代謝產(chǎn)物,同時(shí)減少了對(duì)培養(yǎng)液中營(yíng)養(yǎng)成分的攝取,使得培養(yǎng)基的利用率提高。
- 可重復(fù)使用:經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚恚郾揭蚁┪⑤d體可以重復(fù)使用,這降低了細(xì)胞培養(yǎng)的成本。
- 表面性質(zhì)可調(diào)節(jié):通過(guò)化學(xué)或物理方式得到聚合物微球,表面覆蓋一些蛋白涂層或功能基團(tuán),也可以改變表面性質(zhì),如電荷分布、親疏水性、粗糙度等,以滿足不同細(xì)胞類(lèi)型對(duì)基質(zhì)表面的特異性要求,增強(qiáng)細(xì)胞的黏附、增殖和分化效果。
缺點(diǎn):
- 生物相容性有限:聚苯乙烯是一種合成聚合物,可能缺乏一些生物活性分子和信號(hào),對(duì)細(xì)胞的長(zhǎng)期生長(zhǎng)和功能維持可能產(chǎn)生一定的影響,在一些對(duì)生物相容性要求極高的細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用中可能受到限制。
- 細(xì)胞黏附性相對(duì)較弱:聚苯乙烯本身具有一定的疏水性,對(duì)于一些細(xì)胞類(lèi)型,其黏附性可能不足,需要對(duì)微載體表面進(jìn)行復(fù)雜的改性或預(yù)處理,增加了實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性和成本。
- 不適合原代細(xì)胞培養(yǎng):由于,聚苯乙烯微載體可能不適合用于原代細(xì)胞的培養(yǎng)。
- 細(xì)胞損傷風(fēng)險(xiǎn):在培養(yǎng)過(guò)程中,由于貼壁速度慢和微載體的剛性結(jié)構(gòu)和攪拌產(chǎn)生的碰撞,可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞受到損傷。
聚酯纖維微載體
聚酯纖維微載體是用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞貼壁培養(yǎng)的載體。
優(yōu)點(diǎn):
- 無(wú)動(dòng)物源性成分:聚酯纖維微載體無(wú)動(dòng)物源性成分,生物安全性高。
- 良好的化學(xué)穩(wěn)定性:聚酯纖維具有優(yōu)異的耐酸堿性和耐熱性,在細(xì)胞培養(yǎng)的常見(jiàn)環(huán)境中,如不同的 pH 值、溫度和培養(yǎng)基成分條件下,能保持其化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定,不易發(fā)生降解、變形或與培養(yǎng)基中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而為細(xì)胞培養(yǎng)提供一個(gè)穩(wěn)定的物理支撐和化學(xué)環(huán)境。
- 三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu):聚酯纖維微載體一般呈菱形或片狀扇葉型,一些具有三維網(wǎng)狀空間立體結(jié)構(gòu),可為細(xì)胞提供更大的生長(zhǎng)空間和更多的黏附位點(diǎn)。
- 減少剪切力影響:由于其多層張力結(jié)構(gòu),攪拌剪切力和通氣產(chǎn)生的氣泡對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)不產(chǎn)生影響,細(xì)胞生長(zhǎng)類(lèi)似于轉(zhuǎn)瓶的靜止?fàn)顟B(tài),可保證培養(yǎng)基和細(xì)胞充分接觸。
缺點(diǎn):
- 黏附性不足:聚酯纖維本身的疏水性較強(qiáng),表面能低,不具備細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn),可能影響細(xì)胞的黏附及生長(zhǎng)。在培養(yǎng)后期,細(xì)胞也可能會(huì)從聚酯纖維基質(zhì)微載體上脫落下來(lái),影響細(xì)胞的收獲效率和純度。
- 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)困難:在培養(yǎng)過(guò)程中無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài),且細(xì)胞位于纖維微結(jié)構(gòu)深處,可能導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣供應(yīng)不充分,細(xì)胞生長(zhǎng)不均勻。
- 分離困難:聚酯纖維基質(zhì)微載體與細(xì)胞之間的分離可能比較困難,特別是在細(xì)胞聚團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí),會(huì)增加細(xì)胞收獲的復(fù)雜度和勞動(dòng)強(qiáng)度。
還有聚氨酯泡沫微載體、藻酸鹽凝膠微載體、磁性微載體等,這些微載體因其不同的物理和化學(xué)特性,能夠支持不同類(lèi)型細(xì)胞的貼壁和生長(zhǎng)。
綜上所述,不同類(lèi)型微載體的特性決定了其在細(xì)胞培養(yǎng)領(lǐng)域的多樣化應(yīng)用前景。在選擇微載體時(shí),我們需要綜合考慮細(xì)胞類(lèi)型、培養(yǎng)條件、成本以及最終應(yīng)用需求等因素。未來(lái)我們期待通過(guò)跨學(xué)科的協(xié)同合作,進(jìn)一步突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸,開(kāi)發(fā)出更高效、安全、更具成本效益的微載體,推動(dòng)細(xì)胞治療、組織工程和生物制藥等領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)步。