第三章 动物细胞工程制药.

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1 第三章 动物细胞工程制药

2 一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找

3 第一节　概 述

4 1665年，英国物理学家Robert Hooke用自制的显微镜首次发现了细胞，奠定了细胞生物学的基础 。

5 荷兰科学家Leeuwen hooke用设计较好的显微镜观察了许多动植物的活细胞与原生动物

6 细胞学说创立

7 动物细胞与组织培养的发展历史 组织和细胞培养的早期萌芽阶段 1885年，德国人Roux用生理盐水培养鸡胚组织，使之存活了数月之久
1897年，Loeb证明从血液和结缔组织中分离到的细胞可在血清和血浆中存活 1903年，Jolly观察到蝾螈细胞在体外可以进行分裂

8 现代细胞培养的新纪元 1907年，美国生物学家Harrison成功地在凹玻片的淋巴液内无菌条件下培养了离体的蛙胚神经组织，并观察到了神经细胞突起的生长过程 法国学者Carrel设计了卡氏培养瓶，自1923年用于培养鸡胚的心肌组织取得成功以后，已使多种动物组织培养获得成功　　

9 细胞工程学 概念 特点 主要研究内容

10 细胞工程概念 应用细胞生物学、分子生物学等理论和 技术，通过类似于工程学的步骤，在细胞整 体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来 改变细胞内的遗传物质，以获得新型生物或 特殊细胞产品的一门综合性科学技术。

11 优势在于避免了分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将细胞遗传物质直接转移到受体细胞中就能够形成杂交细胞，因而能够提高基因的转移效率。
细胞工程特点 优势在于避免了分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，只需将细胞遗传物质直接转移到受体细胞中就能够形成杂交细胞，因而能够提高基因的转移效率。 细胞工程不仅可以在植物与植物之间、动物与动物之间、微生物与微生物之间进行杂交，甚至可以在动物与植物或微生物之间进行融合，形成前所未有的杂交物种。

12 三色“组装鼠”问世

13 sheep ＋ Sheep-goat chimera goat

14 细胞工程主要研究内容 动植物细胞与组织培养 细胞融合 染色体工程 胚胎工程 细胞遗传工程

15 动植物细胞与组织培养 器 官 培 养 细 胞 培 养 组 织 培 养

16 动物细胞大规模培养的细胞株及产品 产品名称 细胞株 适应症 批准年份 组织纤溶酶原激活剂(tPA) CHO 心脏病、中风 1987
产品名称 细胞株 适应症 批准年份 组织纤溶酶原激活剂(tPA) CHO 心脏病、中风 促红细胞生成素(EPO) CHO 贫血 人生长激素(hGF) C 生长缓慢、肾功能不全 粒细胞刺激因子(G-CSF) CHO 中性白细胞减少症 凝血因子III CHO A型血友病 干扰素 CHO 多发性硬化症 单克隆抗体 CHO 血管成形术中血液凝剂 肿瘤坏死因子受体 CHO 类风湿关节炎 CHO：Chinese hamster ovary 中国地鼠卵巢 C127: Mouse fibroblast 小鼠成纤维细胞

17 细胞融合（cell fusion） 采用自然或人工方法使两个或几个不同细胞（或原生质体）融合为一个细胞，用以产生新的物种或品系及产生单克隆抗体。

18 A. Bread wheat ; B. Rye C. Wheat and rye are crossed together to produce the hybrid triticale. The massive taproot of wild radish ,a common naturalized weed in San Diego County, California. Unlike the numerous, tender, cultivated varieties of radishes, wild radish has a tough, woody taproot that is unpalatable

19 单克隆抗体制备

20 染色体工程：按照预先的设计，添加、消除或替代同种或异种染色体的全部或一部分，从而达到定向改变生物遗传性状或选育新品种的目的。
Scientists change the genes in living cells by putting the desired “new” gene into a little virus-like organism which is allowed to get into your cells and which inserts the new gene into the cell along with the “old” genes .

21 胚胎工程：对哺乳动物的胚胎进行某种人为的工程技术操作获得人们所需的成体动物。
Manipulation of a cattle embryo and twin calves Test- tube baby

22 细胞遗传工程

23 第二节　细胞生物学基础

24 细胞的基本共性 细胞表面都有细胞膜（磷脂双分子层与蛋白质） 细胞都含有两种核酸（DNA与RNA） 细胞蛋白质合成的机器─核糖体
细胞增殖都以一分为二的方式进行分裂

25 原核细胞结构特点 无核膜 遗传信息载体仅是一个裸露的环状DNA分子（类核体或拟核）
除核糖体与细胞膜及其特化结构外，几乎不存在其他复杂的细胞器

26 真核细胞结构特点 生物膜体系以及以生物膜为基础构建的各种独立的细胞器 遗传信息表达的结构体系 细胞骨架体系

27 由一个环状DNA分子构成的单个染色体，DNA不与或很少与蛋白质结合
原核细胞与真核细胞基本特征的比较 特征 原核细胞 真核细胞 细胞膜 核膜 染色体 核仁 线粒体 内质网 高尔基体 溶酶体 核糖体 细胞壁 细胞骨架 细胞增殖（分裂）方式 有（多功能性） 无 由一个环状DNA分子构成的单个染色体，DNA不与或很少与蛋白质结合 70S 主要成分是氨基酸与壁酸 无丝分裂（直接分裂） 有 2个染色体以上，染色体由线 状DNA与蛋白质结合组成 80S 动物细胞无细胞壁，植物细胞 壁的主要成分为纤维素与果胶 以有丝分裂（间接分裂）为主

28 原核细胞与真核细胞的比较 生物膜系统结构与功能的比较 细胞器 结构合理、功能有序 细胞质部分：蛋白质合成、能量代谢 细胞骨架 生物膜
细胞核部分：遗传物质的复制和转录 生物膜系统结构与功能的比较

29 遗传结构装置的扩增与基因表达方式的比较 单倍性 多倍性 结构上的复杂化 DNA发生结构和数量上的变化 环状 线状 基因表达调控的多层次性
转录前水平 转录水平 转录后水平 翻译水平 遗传信息传递的准确性和确定性 遗传结构装置的扩增与基因表达方式的比较

30 细胞周期 G1期：DNA复制期 S期：DNA合成期 G2期：DNA合成后期 M期：有丝分裂期 Tc ＝ G1 + S + G2 + M

31 第三节　体外培养的动物细胞的特性

32 动物细胞的生长方式及类型

33 细　胞　特　化 红细胞 肌肉细胞 神经细胞 脂肪细胞 精子细胞 细菌

34 贴附依赖型（anchorage-dependent）
非贴附依赖型（anchorage-independent） 兼性贴附型

35 贴附依赖型细胞（贴附型细胞） 概念 细胞的生长必须有给予贴附的支持物表面，细胞依赖自身分泌的或培养基中提供的贴附因子才能在该表面上生长。
概念 细胞的生长必须有给予贴附的支持物表面，细胞依赖自身分泌的或培养基中提供的贴附因子才能在该表面上生长。 贴附含义 一是细胞之间相互接触；二是细胞与细胞外基质结合 形态 成纤维细胞型细胞 上皮型细胞 游走型细胞 多形型细胞

36 成纤维细胞型细胞 （fibroblast – like cell type）
特点：细胞生长时胞体呈棱形或不规则的三角形，中央有圆形核，胞质向外伸出2～3个突起。细胞群常借该突起连接成网，生长时呈放射状、漩涡状或火焰状走行。 来源：中胚层组织来源的细胞，如成纤维细胞、心肌细胞、平滑肌细胞和成骨细胞等。

37 上皮型细胞 （epithilium-like cell type）
特点：细胞贴附后呈三角形及不规则扁平的多角形，中央有扁圆形核，生长是彼此紧密连接成单层细胞。因为相互拥挤而呈现“铺路石状”，局部可以形成单层的上皮状“膜片组织”。 来源：外胚层和内胚层来源的细胞，如皮肤的表皮细胞、消化管与呼吸道的上皮细胞、肺泡上皮细胞、消化腺上皮细胞、血管内皮细胞等。

38 游走型细胞 特点：在支持物上分散生长，一般不连接成片、形成群落；胞质常伸出伪足和突起；生长位置不固定，呈活跃的游走和变形运动，外形不规则且不断变化，当细胞密度增大、连接成片时，形状类似于成纤维细胞型或上皮细胞型。 来源：主要是具有吞噬作用的单核巨噬细胞系统的细胞，如白细胞、淋巴细胞、单核细胞、巨噬细胞、肿瘤细胞等。

39 多形型细胞 特点：形态不规则，一般分胞体和胞突两部分，其中胞突为细长形，类似丝状伪足；胞体虽然也略呈现多角形，但没有成纤维细胞那样不规则。
来源：最常见的是神经元和神经胶质细胞。

40 培养细胞形态的不稳定性 Hela 血清 高血清 低血清 3T3 细胞密度 低密度 高密度 成纤维细胞样 上皮样细胞
成纤维细胞样 上皮样细胞 pH 太酸或太碱 标准pH 成纤维细胞样 上皮样细胞 3T3 细胞密度 低密度 高密度 成纤维细胞样 上皮样细胞 生长状态改变 悬浮 贴附 圆形 成纤维或上皮样 转化与否 未转化 转化后 成纤维细胞样 上皮样细胞

41 非贴附依赖型细胞（悬浮型细胞） 概念：细胞的生长不依赖支持物表面，可在培养液中呈悬浮状态生长。 形态：始终为球形（圆形）。
来源：白血病细胞、淋巴组织细胞、某些肿瘤细胞、杂交瘤细胞、转化细胞系等。

42 兼性贴附型细胞 概念：有些细胞并不严格地依赖支持物，既可以贴附于支持物表面生长，但在一定条件下还可以在培养基中呈悬浮状态良好的生长。 CHO
L929

43 动物细胞的生理特点 细胞的分裂周期长 细胞生长需贴附于基质，并有接触抑制现象 正常二倍体细胞的生长寿命是有限的 动物细胞对周围的环境十分敏感
动物细胞对培养基的要求高 动物细胞的合成途经和修饰功能与细菌不同

44 一般为12～48小时，随细胞种属的不同而不同，同一种属，不同部位的细胞所需时间也不同。
此外，培养条件如温度、pH、培养基的成分等，也会影响分裂周期的长短。

45 正常细胞在基质上分裂增殖，逐渐汇合成片时，由于细胞的相互接触而抑制细胞运动的特点，即接触抑制现象( contact inhibition）。

46 接触抑制可作为区别正常与癌细胞标志之一

47 细胞接触汇合成片后，虽发生接触抑制，只要营养充分，细胞仍然能够进行增殖分裂，因此细胞数量仍在增多。但当细胞密度进一步增大，培养液中营养成分减少，代谢产物增多时，细胞因营养的枯竭和代谢物的影响，则发生密度抑制（density inhibition），导致细胞分裂停止。

48 “Hayflick”极限 脊椎动物成纤维细胞在体外培养条件下只能进行有限次的分裂

49 动物细胞比较“娇弱”，对周围环境敏感，包括各种理化因素，如渗透压、pH值、离子浓度、剪切力等。
主要原因是动物细胞只有细胞膜而没有细胞壁，且细胞膜是由脂质分子镶嵌着某些蛋白构成的，一切能影响脂质和蛋白变性的因素都会影响动物细胞的存活。

50 原核生物：对营养的要求低 碳源、氮源和无机盐 植物细胞：对营养的要求相对不高 动物细胞：对营养的要求很高 12种必需氨基酸、8种以上维生素、 多种无机盐、微量元素、葡萄糖、 细胞生长因子和贴壁因子等

51 动物细胞的蛋白质合成可以在游离的核糖体上和与糙面内质网结合的核糖体上进行。蛋白质的糖基化与细胞的许多生理功能密切相关，如细胞识别、表面受体、胞内消化和外排分泌物等。
原核细胞缺少粗面内质网和高尔基复合体结构，无法对蛋白质进行糖基化和其他一系列翻译后加工修饰。这就决定了某些生物药品不能用原核细胞表达。

52 （Life Span of Culture Cells）
体外培养细胞的生长与增殖过程 原代培养期 传代期 衰退期 培养细胞的生命期 （Life Span of Culture Cells）

53 原代培养期 概念 也称初代培养，即直接取自动物组织、器官，经过粉碎、消化，接种培养到第一次传代阶段，一般持续1～4周。

54 原代培养期 特点 原代培养细胞呈活跃的移动，细胞分裂不旺盛，并多呈二倍体核型
由于原代培养细胞与体内细胞在形态结构和功能活动上相似性大，故是检测药物很好的实验对象 细胞群是异质的，即各细胞的遗传性状互不相同，细胞相互依存性强

55 原代培养期 来源 肾小管上皮细胞 淋巴细胞 鸡胚细胞

56 传代期 概念 原代培养细胞经过传代、筛选、克隆，从而从多种细胞成分的组织中挑选并纯化出某种具有一定特征的细胞株称做细胞系（cell line）。在全生命期中此期的持续时间最长。

57 传代期 特点 在培养条件较好情况下，细胞增殖旺盛，并能维持二倍体（2n）核型，呈二倍体核型的细胞称二倍体细胞系（diploid cell line） 具有明显的贴壁依赖和接触抑制的特性 由于细胞增殖能力有限，一般可连续传代培养50代，故一般均从动物的胚胎组织中获取 无致瘤性

58 传代期 来源 MRC-5 WI-38

59 衰退期 细胞仍然生存，但增殖很慢或不增殖 细胞形态轮廓增强，最后衰退凋亡

60 转化（transformation）细胞系
特点 核型大多变成异倍体 失去正常细胞贴壁依赖和接触抑制的特性 细胞倍增时间较短，获得了无限增殖的能力（永生性）或恶性性质 对培养条件和生长因子等要求较低，故更适于大规模工业化生产的需要

61 转化细胞系 来源 自发转化：啮齿动物 人工转化：采用某些病毒如SV40或某些化学试剂 如甲基胆蒽等 直接从动物的肿瘤组织中建立的细胞系

62 293T （human embryonal kidney, SV40 and large T antigen transformed）
Vero（monkey kidney） BHK-21（Kidney Fibroblast Cells） CHO-K1

63 体外培养细胞一代生存期 细胞传代数（passage number） 从细胞接种到分离再培养时的次数
细胞倍增代数（generation number） 表示细胞分裂的次数

64 细胞转代经历的阶段 游离期（悬浮期） 贴壁期 潜伏期 对数生长期 停滞期（平顶期）

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66 细胞转代经历的阶段 游离期（悬浮期） 贴壁期 潜伏期 对数生长期 停滞期（平顶期）

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68 第四节 动物细胞的培养条件和培养基

69 基本条件 所有的与细胞接触的设备、器材和溶液，都必须保持绝对无菌，避免细胞外微生物的污染
必须有足够的营养供应，绝对不可有有害的物质，避免即使是极微量的有害离子的掺入 保证有适量的氧气供应 需随时清除细胞代谢中产生的有害产物 有良好的适于生存的外界环境，包括pH、渗透压和离子浓度等 及时传代，保持合适的细胞密度

70 细胞培养的无菌环境 水质 pH 渗透压 温度 空气 营养

71 超净工作台 无菌室

72 蒸馏器 超纯水器

73 抽气泵 高压蒸汽锅

74 电热恒温干燥箱 CO2培养箱

75 水浴箱 液氮生物容器

76 倒置显微镜 离心机

77 一次性滤器 不锈钢微孔滤膜单层滤器

78 血球计数板 超声波洗涤机 全自动微量血球计数仪

79 细胞污染

80 念珠菌污染 丝状菌污染

81 培养基 天然培养基 合成培养基 无血清培养基

82 血清的分类 小牛血清 新生牛血清 胎牛血清

83 血清的作用机制 提供基本营养物质 提供有利于细胞增殖所需的各种生长因子和激素 提供有利于细胞贴壁所需的贴附因子和伸展因子
提供可识别金属、激素、维生素和脂类的结合蛋白 提供细胞生长所必需的脂肪酸和微量元素

84 合成培养基 种类：MEM、DMEM、IMDM、 RPMI1640、 基本组分：氨基酸、维生素、糖类、无机盐等
199、109培养基、HamF12等 基本组分：氨基酸、维生素、糖类、无机盐等 优点：维持细胞体外长期生存，成分已知，便于 控制实验条件，培养基种类很多，可根据 细胞的类型选择适合的培养基。

85 无血清培养基 优点 完全采用人工合成的化合物，是成分确定的培养基 提高细胞培养的可重复性，避免血清不同批次之间的差异影响
减少了由血清带来病毒、真菌、支原体等微生物的影响 细胞产品易于纯化 避免血清中某些毒素对细胞的毒性 减少血清中某些蛋白对某些生物测定的干扰，便于实验结果的分析

86 无血清培养基 缺点 成本相对较高 针对性强，一种培养基仅适于某一类细胞的培养

87 其它培养用液 平衡盐溶液（BBS）Hanks液、Earle液 pH值调整液 NaHCO3、HEPES 细胞消化液 胰酶、EDTA、胶原酶
抗生素液 青-链霉素（双抗） 谷氨酰胺补充液

88 第五节 动物细胞培养的方法 和操作方式

89 动物细胞大规模培养的方法 悬浮培养（suspension culture）
贴壁培养（anchorage-dependent culture） 贴壁—悬浮培养，或称假悬浮培养

90 悬浮培养 适用细胞类型：悬浮细胞、兼性贴壁细胞 优点：操作简便，培养条件比较均一，传质和传 缺点：细胞密度较低
氧较好，产量高 缺点：细胞密度较低 设备：通气搅拌罐式生物反应器 气升式生物反应器

91 贴壁培养 适用细胞类型：贴壁细胞、兼性贴壁细胞 优点：适用的细胞种类广，较容易采用灌流培养 的方式使细胞达到高密度。
优点：适用的细胞种类广，较容易采用灌流培养 的方式使细胞达到高密度。 缺点：操作比较麻烦，需要合适的贴附材料和足 够的面积，培养条件不易均一，传质和传 氧较差。

92 贴壁—悬浮培养，或称假悬浮培养 微载体培养（microcarrier culture）
多孔微载体培养（porous microcarrier） 微囊化培养

93 微载体培养

94 理想的微载体特征 生物相容性 材料无毒性 材料惰性 良好的机械稳定性 粒径分布均一 良好的光学透明性 保护细胞免受机械损伤 高压灭菌
反复利用，易于清洗 原料充分，制作简便，价廉

95 多孔微载体培养优点 细胞在网状结构的小孔内部生长，可降低血清用量 过程简单，增加细胞固定化稳定性 大的比表面积保证细胞充分的生长空间
细胞生长在载体内部，能使细胞免受机械损 提高搅拌强度和通气量，强化传质

96 微囊化培养优点 微囊内的细胞可获得保护，避免了剪切力的损害 可以获得较高的细胞密度
当控制微囊膜的孔径后，可使产品浓缩在微囊内，从而有利于下游产物的纯化 可采用多种生物反应器进行大规模培养，如搅拌罐式生物反应器、气升式反应器等

97 动物细胞培养的操作方式 分批式操作（batch） 流加式操作（fed-batch） 半连续式操作（semi-continuous）
灌流式操作（perfusion）

98 分批式操作 操作简单 直观的反应细胞生长代谢的过程 可直接放大

99 半连续式操作 培养物的体积逐步增加 可进行多次收获 细胞可持续指数生长，并可保持产物和细胞在 较高的浓度水平，培养过程可延续到很长时间

100 灌流式操作 细胞罐流系统可使细胞或酶保留在反应器内，维持较高的细胞密度，一般可达107～109/ml，从而较大的提高了产品的产量
连续灌流系统，使细胞稳定的处在较好的的营养环境中，有害代谢废物浓度积累较低 反应速率容易控制，培养周期较长，可提高生产率，目标产品回收率高 产品在罐内停留时间短，可及时回收到低温下保存，有利于保持产品的活性

101 第六节 动物细胞生物反应器

102 理想的动物细胞生物反应器具备的基本条件 制造生物反应器所采用的一切材料无毒性 生物反应器的结构具有良好的传质、传热和混合的性能
密封性能良好，可避免一切外来微生物的污染 对培养环境中多种物理化学参数能自动检测和调节控制，控制的精确度高，而且能保持环境质量的均一 可长期连续运转 容器加工制造时要求内面光滑，无死角，以减少细胞或微生物的沉积 拆装、连接和清洁方便，能耐高压蒸汽消毒，便于操作维修 设备成本尽可能低

103 动物细胞培养生物反应器的类型及其特点 搅拌罐式生物反应器 气升式生物反应器 中空纤维式生物反应器 透析袋或膜式生物反应器
固定床或流化式生物反应器

104 动物细胞生物反应器的检测控制系统 培养过程中需检测的物化参数 主要参数的检测和控制方法

105 动物细胞培养生物反应器大规模培养的应用 激素 肿瘤特异性抗原 单克隆抗体 病毒杀虫剂 病毒疫苗 非抗体免疫调节剂 多肽生长因子 酶类

106 第七节 细胞工程在传统制药 工业中的应用

107 提高代谢产物的产量 改变抗生素的组分 产生新化合物

108 第八节 动物细胞制药的前景与展望

109 提高质量，降低成本和改进质量方面的研究 转基因动物的研究 组织工程的研究