生物制药与疫苗生产中的细胞培养全流程解决方案

在生物制药与疫苗生产领域，细胞培养技术占据着核心地位。从早期简单的细胞维持培养，到如今高度复杂、精准控制的工业化生产体系，细胞培养技术的发展日新月异。它不仅是生产重组蛋白、单克隆抗体、病毒载体疫苗等高价值生物制品的关键手段，也是推动生物医药产业创新发展的重要引擎。

不同的细胞类型具有各自的特点，适用于不同的产物生产。哺乳动物细胞，如中国仓鼠卵巢细胞（CHO），因其具有复杂的蛋白应用广泛。人胚肾细胞（HEK293）则因其易于转染、生长迅速等特点，在病质翻译后修饰能力，能够生产出结构和功能与人源蛋白高度相似的产物，所以在重组蛋白和单克隆抗体生产中毒载体生产方面表现出色。非洲绿猴肾细胞（Vero）具有良好的病毒耐受性和高病毒产量，是多种疫苗生产的首选细胞系，如流感疫苗、狂犬疫苗等。在选择细胞类型时，需要综合考虑产物的特性、细胞的生长特性、培养条件要求、安全性以及法规合规性等多方面因素。

将编码目标产物的基因导入宿主细胞是细胞系开发的关键步骤。常用的转染方法有化学转染（如脂质体转染、PEI转染）、物理转染（如电穿孔法）以及病毒转导。转染后，细胞群体中仅有一小部分细胞成功摄取并稳定表达目标基因，因此需要进行筛选。通过在培养基中添加特定的选择标记（如抗生素抗性基因），只有成功转染并表达选择标记的细胞才能存活并继续生长。在此基础上，进一步通过有限稀释法、单细胞克隆挑选等技术，从混合细胞群体中分离出单个细胞，培养建立单克隆细胞株。单克隆细胞株具有遗传背景一致、产物表达稳定均一的优点，能够保证产品质量的一致性和稳定性。

培养基是细胞生长的"土壤"，其配方优化对细胞培养至关重要。由于胎牛血清（FBS）存在风险，无血清培养基（SFM）发展迅速，，从"简单替代"到"功能优化"演进。早期替代品仍含动物成分，存在风险。现代无血清培养基为"化学成分确定"型，不含动物成分，通过代谢组学和系统生物学方法设计配方，满足细胞不同生长阶段需求。定制化培养基是发展趋势，根据特定细胞系和产品类型设计配方。高通量筛选技术进步和AI驱动的培养基设计系统缩短了开发周期，快速找到最优解。在疫苗生产中，培养基选择需考虑病毒复制效率和抗原性。哺乳动物细胞培养基产生的病毒抗原更接近天然构象，免疫原性更高。

1、科兴中维新冠灭活疫苗：Vero 细胞培养的规模化突破，Vero 细胞培养工艺支撑科兴疫苗实现年产能超 20 亿剂，体现了贴壁细胞培养在应急疫苗生产中的关键价值。

科兴中维在新冠疫苗生产中，采用非洲绿猴肾上皮细胞（Vero 细胞）作为病毒宿主，通过微载体悬浮培养技术实现工业化生产。在 2000L 一次性生物反应器中，Vero 细胞密度可达 1×10⁷ cells/mL 以上，病毒滴度较传统细胞工厂提升 10 倍。其关键技术包括：

微载体优化：选用 Dextran 基质微载体，表面改性后比表面积达 1500cm²/mL，细胞附着效率提升 40%；

病毒扩增工艺：采用分批补料（Fed-batch）模式，通过实时监测葡萄糖消耗动态调整补料策略，使病毒产量稳定在 10⁸ PFU/mL 以上；

灭活与纯化：β- 丙内酯灭活结合层析纯化技术，确保疫苗抗原纯度 > 95%，内毒素 < 0.1EU/mg。

2. 默克 Gardasil 九价 HPV 疫苗：昆虫细胞表达系统的创新，该工艺突破了哺乳动物细胞培养的限制，为多价疫苗生产提供了高效平台。

默克的九价 HPV 疫苗采用昆虫细胞（sf-9）- 杆状病毒表达系统生产病毒样颗粒（VLPs）。通过密码子优化的 HPV L1 基因转染 sf-9 细胞，在无血清培养基中实现 L1 蛋白高效表达，电镜下可见直径 55nm 的 VLPs 颗粒。技术特色包括：

无血清培养基定制：添加酵母提取物和植物源水解物，使 L1 蛋白表达量达 200mg/L，较含血清体系提升 3 倍；

病毒样颗粒自组装：L1 蛋白在昆虫细胞内自发组装成 VLPs，无需额外纯化步骤，纯度达 99% 以上；

规模化生产：采用 500L 气升式生物反应器，利用杆状病毒感染复数（MOI）动态调控技术，实现批次间 VLPs 产量变异系数 < 5%。

1. 药明生基慢病毒载体生产：HEK293 悬浮培养的工艺革新，悬浮培养技术使慢病毒载体生产成本降低 35%，为基因治疗产业化提供了关键支撑。

药明生基在 CAR-T 细胞治疗的慢病毒载体生产中，开发了无血清悬浮培养 HEK293 细胞的全流程方案。通过四质粒瞬转系统和自主优化的悬浮细胞株，实现慢病毒滴度 > 5×10⁷ TU/mL，下游回收率达 40%。核心技术包括：

细胞株工程：敲除 HEK293 细胞中的 SV40 LT 基因，降低致瘤风险，同时过表达转录因子提高病毒包装效率；

灌流培养工艺：采用中空纤维截留技术，维持细胞密度 > 30×10⁶ cells/mL，培养周期延长至 21 天，较批次培养产能提升 5 倍；

一次性生产系统：从细胞培养到病毒纯化全流程使用一次性设备，缩短清洁验证时间 60%，满足紧急临床需求。

2. 再生元 REGEN-COV 抗体：CHO 细胞无血清培养的规模化，该工艺支撑 REGEN-COV 在新冠疫情期间实现全球供应，体现了 CHO 细胞培养在治疗性抗体生产中的主流地位。

再生元的 REGEN-COV 抗体鸡尾酒采用 CHO-K1 细胞无血清培养工艺，通过 CRISPR 敲除 GS 基因并整合双抗表达盒，在 Fed-batch 模式下实现抗体浓度 > 6g/L。其培养基优化策略包括：

代谢流重编程：用半乳糖替代 30% 葡萄糖，乳酸积累降低 50%，pH 波动控制在 ±0.2 范围内；

补料策略优化：基于拉曼光谱实时监测氨基酸消耗，采用分段补料模式，谷氨酰胺利用率提升 35%；

下游纯化创新：Protein A 亲和层析结合低 pH 病毒灭活，单步纯化收率 > 90%，宿主细胞蛋白残留 < 20ppm。

诺华 Kymriah：CAR-T 细胞的自动化封闭培养，自动化细胞培养技术解决了 CAR-T 生产的个体化瓶颈，支撑 Kymriah 在全球治疗超 5 万例患者，展现了细胞培养技术在精准医疗中的革命性价值。

诺华的 CAR-T 疗法 Kymriah 采用患者自体 T 细胞体外培养工艺，通过慢病毒转染和无血清培养基扩增，实现 CD19 特异性 CAR-T 细胞的规模化生产。关键技术包括：

个体化细胞处理：采用 CliniMACS Prodigy 自动化系统，从患者外周血单核细胞（PBMC）分离到 CAR-T 细胞回输全程封闭，培养周期从传统的 14 天缩短至 7 天；

培养基创新：添加 IL-7 和 IL-15 细胞因子，维持 T 细胞干性，扩增后 CAR+ T 细胞比例 > 90%，杀伤活性较血清培养提升 2 倍；

质量控制体系：建立实时活细胞成像系统，监测 T 细胞形态和增殖动力学，确保每剂产品的 CD19 + 细胞清除率 > 95%。

中国科学院肝类器官模型：药物肝毒性筛选的新范式，3D 类器官培养技术为药物安全性评估提供了更接近人体生理的体外模型，推动 FDA 逐步淘汰动物毒理学实验。

中科院上海营养与健康研究所开发的人多能干细胞（hPSCs）衍生肝类器官（HLOs），包含肝细胞、胆管细胞和星状细胞等，可模拟药物性肝损伤（DILI）。其技术突破包括：

类器官构建：通过 Wnt/β-catenin 信号通路调控，诱导 hPSCs 分化为具有胆小管结构的 3D 类器官，白蛋白分泌量达 500ng/mL/24h；

毒理学筛选平台：采用 TGFβ 诱导肝纤维化模型，结合高内涵成像系统，每孔提取 16 个纤维化特征参数，成功筛选出 SD208 等抗纤维化化合物；

临床相关性验证：对乙酰氨基酚处理 HLOs 后，ALT/AST 升高幅度与临床 DILI 患者一致性达 82%，优于传统 2D 肝细胞模型。