代為俊,劉旭平,周燕
(華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)
基于MDCK懸浮細(xì)胞生產(chǎn)禽流感疫苗的放大工藝開發(fā)
代為俊,劉旭平,周燕
(華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)
為放大流感疫苗生產(chǎn)工藝至1500 L反應(yīng)器規(guī)模,通過冷模實(shí)驗(yàn)研究了不同體積反應(yīng)器條件下的混合時間、流體剪切力、體積氧傳遞系數(shù)和二氧化碳傳遞系數(shù)的區(qū)別。在1500 L反應(yīng)器中進(jìn)行培養(yǎng)時,轉(zhuǎn)速為60 r/min,深層通氣速率控制在22.5 L/min能夠較好的滿足供氧需求和提高CO2的移除效果,同時也避免了剪切力對細(xì)胞的損傷。在1500 L反應(yīng)器中病毒感染細(xì)胞60 h后,病毒滴度為211HA units/25 μL,單位細(xì)胞病毒產(chǎn)量(Svy)為13145.05 virions/cell,2 L反應(yīng)器的Svy為13298.70 virions/cell,兩者僅相差1.16%。
流感疫苗;MDCK細(xì)胞;生物反應(yīng)器;冷模實(shí)驗(yàn);放大
傳統(tǒng)的流感疫苗是基于雞胚工藝生產(chǎn),然而由于其成本高、產(chǎn)量有限、生產(chǎn)周期長等缺點(diǎn),已慢慢被淘汰[1]。近年來,基于動物細(xì)胞培養(yǎng)的生產(chǎn)工藝已經(jīng)可以取代雞胚培養(yǎng)工藝,并逐漸成為生產(chǎn)流感疫苗最主要的主流技術(shù)。一些歐美國家,已經(jīng)批準(zhǔn)基于動物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)的流感疫苗上市[2-4]。MDCK細(xì)胞最適于生產(chǎn)甲型流感病毒和乙型流感病毒的三種細(xì)胞之一[5-6],可以生產(chǎn)安全有效的人用和獸用疫苗,具有很高的產(chǎn)毒能力。而隨著病毒類疫苗的市場需求量的不斷擴(kuò)大,產(chǎn)能不足使得動物細(xì)胞大規(guī)模高密度培養(yǎng)顯得更為重要。在搖瓶到大型生物反應(yīng)器的放大過程中,混合和氣液傳質(zhì)是最關(guān)鍵的問題。與微生物發(fā)酵不同,動物細(xì)胞培養(yǎng)既涉及O2的供應(yīng)速率,又涉及過量CO2積累后的移除速率。O2和CO2傳遞表現(xiàn)出不同的特征,但兩者又都受攪拌轉(zhuǎn)速、深層通氣速率、溫度、裝液量、氣泡直徑的影響,且在不同尺寸反應(yīng)器內(nèi)表現(xiàn)出不同的特征。因此,有必要對其進(jìn)行詳細(xì)的研究,通過揭示兩者的氣液傳質(zhì)規(guī)律,指導(dǎo)生物反應(yīng)器內(nèi)氧供應(yīng)和二氧化碳移除策略及生物反應(yīng)器的放大。
本文通過冷模實(shí)驗(yàn)對反應(yīng)器內(nèi)部流體混合、流體剪切和氣液傳質(zhì)特性進(jìn)行考察,在此基礎(chǔ)上選取關(guān)鍵放大參數(shù),將2 L反應(yīng)器細(xì)胞培養(yǎng)和接毒工藝放大至1500 L規(guī)模,并將兩者最后的血凝值(HA)和單細(xì)胞病毒產(chǎn)量Svy相比較,為流感疫苗工藝放大提供數(shù)據(jù)支持。
1.1 細(xì)胞株、培養(yǎng)基和病毒株 實(shí)驗(yàn)所用細(xì)胞株為本實(shí)驗(yàn)室對貼壁型MDCK細(xì)胞進(jìn)行馴化得到的懸浮型MDCK細(xì)胞株。培養(yǎng)基為Driving-M MDCK細(xì)胞無血清培養(yǎng)基,購自上海倍諳基生物科技有限公司。病毒株為H9亞型禽流感病毒株,由肇慶大華農(nóng)生物藥品有限公司提供,實(shí)驗(yàn)環(huán)境為P2實(shí)驗(yàn)室。
1.2 冷模實(shí)驗(yàn)材料 1 mol/L NaOH溶液、1 mol/L HCl溶液。測試培養(yǎng)基:LB培養(yǎng)基。
1.3 冷模實(shí)驗(yàn)測定方法
1.3.1 混合時間測定方法 反應(yīng)器內(nèi)混合特性常用混合時間tmix表征,即反應(yīng)器內(nèi)流體混合均勻性達(dá)到95%所需的時間[7]。將LB培養(yǎng)基加入到反應(yīng)器內(nèi),控制一定條件。在反應(yīng)器的頂部和底部對角位置分別裝上一個pH電極,穩(wěn)定時記錄初始值pHi。
本實(shí)驗(yàn)從反應(yīng)器的上端(遠(yuǎn)離pH電極)迅速加入V0體積的示蹤劑(1 mol/L NaOH,V0<0.5%V),分別記錄反應(yīng)器上下pH隨時間的變化。pH電極記錄下的原始數(shù)據(jù)用公式(1)進(jìn)行歸一化處理,其中H(t)為標(biāo)準(zhǔn)化pH,pH(t)為實(shí)時pH,pHi為初始pH值,pHf為最終pH。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的流體完全混合均勻,則穩(wěn)定后的H(t)值為1.0。實(shí)際上,當(dāng)H(t)=1.0±0.5時,即可認(rèn)為混合均一。
t1、t2分別表示上下兩個電極測得混合均勻度達(dá)95%時所需的時間,混合時間tmix可表示
tmix=(t1+t2)/2 (2)
在反應(yīng)器內(nèi)加入等量1 mol HCl,調(diào)整測試培養(yǎng)至初始狀態(tài);重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
按照上述方法,分別測定不同操作條件下的tmix。
1.3.2 體積氧傳質(zhì)系數(shù)(kLa)的測定[7-8]校正溶氧電極。將測試培養(yǎng)基加入到反應(yīng)器內(nèi),設(shè)置一定操作參數(shù)。底層通氮?dú)?,排凈培養(yǎng)基中的氧氣(實(shí)際只需DO<10%即可)。轉(zhuǎn)換到深層通氣為空氣,記錄不同時刻的DO,直至DO>60%后結(jié)束實(shí)驗(yàn),繪制DO-t(10%≤DO≤60%)曲線。通過以下公式計(jì)算氣液傳質(zhì)系數(shù)kLa:
積分,得
其中,C0為初始氧濃度,Ct為t時刻的氧濃度,C*為飽和氧濃度。
利用對t做曲線,斜率即為kLa。
1.3.3 剪切力,渦流尺寸,葉端速率的計(jì)算 剪切力和渦流尺寸的計(jì)算公式如下[9]:
τk=ρL(εv)1/2,τik=ρL(εiv)1/2(6)
η=(v3/ε)1/4,ηi=(v3/εi)1/4(7)
當(dāng)V=D3時,εi、τik和ηi分別為局部能量耗散率、局部剪切力和局部湍流尺寸。式中,ε為單位體積內(nèi)的能量耗散率(W/kg),V為反應(yīng)器中的液體體積(m3),ρL為液體密度(kg/m3),NP為功率準(zhǔn)數(shù),N為轉(zhuǎn)速(s-1),D為攪拌槳直徑(m),ν為流體的運(yùn)動粘度(m2/s)。
UT=πND(8)
其中,UT為葉端速率,N為轉(zhuǎn)速。
1.3.4 CO2傳質(zhì)系數(shù)的測定[7-8]先通CO2至反應(yīng)器內(nèi)pCO2>150 mmHg。改通空氣并開始計(jì)時。記錄pCO2隨時間的變化曲線。直到pCO2<100 mmHg停止實(shí)驗(yàn)。
CO2氣液傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算方法與O2相似,公式為:
其中,C*為飽和二氧化碳濃度。
1.4 細(xì)胞培養(yǎng)
1.4.1 種子細(xì)胞復(fù)蘇 取出液氮罐中凍存的懸浮MDCK種子細(xì)胞,置于37 ℃水浴槽中快速孵化,離心棄上清,使用新鮮無血清培養(yǎng)進(jìn)行細(xì)胞重懸,以0.8×106~1.0×106cells/mL的密度在125 mL的搖瓶內(nèi)復(fù)蘇。每隔48 h,使用新鮮培養(yǎng)基以1︰3~1︰4(V/V)比例進(jìn)行稀釋傳代。
1.4.2 2 L反應(yīng)器種子培養(yǎng) 取對數(shù)生長期的全懸浮MDCK細(xì)胞,以2.0×106cells/mL的活細(xì)胞密度接種至反應(yīng)器,培養(yǎng)體積為2 L。反應(yīng)器操作如下,pH為7.0,DO為40%空氣飽和度,溫度為37 ℃,攪拌轉(zhuǎn)速為120 r/min。當(dāng)密度達(dá)到8.0×106cells/mL時,種子細(xì)胞懸液以1∶3~1∶4(V/V)比例稀釋,放大到下一級種子細(xì)胞反應(yīng)器中。30 L反應(yīng)器種子由2 L反應(yīng)器提供,200 L反應(yīng)器由30 L反應(yīng)器提供,500 L反應(yīng)器種子由200 L反應(yīng)器提供,1500 L反應(yīng)器種子由500 L反應(yīng)器提供。
1.4.3 反應(yīng)器接毒培養(yǎng) 當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)至9.0×106~10.0×106cells/mL時,添加新鮮的Driving-M MDCK細(xì)胞無血清培養(yǎng)基,使細(xì)胞密度維持在6.0×106cells/mL,并且按照MOI=0.001接入病毒種子液進(jìn)行培養(yǎng)。TPCK-胰酶終濃度為5 μg/mL。同時,反應(yīng)器的參數(shù)也進(jìn)行變化,溫度為34 ℃,pH為7.2±0.2。培養(yǎng)過程中,每隔24 h取樣計(jì)數(shù),培養(yǎng)懸液經(jīng)10000 r/min離心5 min后取上清于-20 ℃保存,用于病毒滴度檢測。
1.5 病毒滴度測定 測定流感病毒血凝滴度(HA滴度)所用血凝板是“U”形底96微孔反應(yīng)板自左至右各孔以微量移液器加入25 μL生理鹽水;于左側(cè)第1孔加25 μL病毒樣品,混勻后吸25 μL至第2孔,依次2倍比系列稀釋至第11孔,吸棄25 μL,第12孔為無病毒陰性對照;自右至左(防止竄孔)依次向各孔加入1.0% (V/V)雞紅細(xì)胞懸液(約5×107cells/mL)25 μL,振蕩混勻,室溫靜置30 min左右后觀察結(jié)果。
1.6 單位細(xì)胞產(chǎn)毒量的計(jì)算 單位細(xì)胞的產(chǎn)毒量(Svy)表征單個細(xì)胞的產(chǎn)毒能力[10],通過以下公式計(jì)算:
其中,RBC是雞紅細(xì)胞的密度(RBC/mL),HA是病毒的血凝值(HA units/25 μL),Xv是活細(xì)胞密度(106cells/mL)。
2.1 生物反應(yīng)器中流體的混合時間 26.7 ℃ 50 r/min條件下1500 L反應(yīng)器的混合時間如圖1所示。從中可以看出當(dāng)堿加入反應(yīng)器時,頂部的pH會有一個突躍,隨后下降,而底部的pH反應(yīng)較慢但一直持續(xù)上升,直至達(dá)到均勻。頂部與底部的混合時間差異明顯,頂部的混合時間為32 s,底部的為63 s。
圖1 1500 L反應(yīng)器中混合時間測定曲線Fig 1 Representative normalized pH(H) response curves from the top and bottom probes in 1500 L bioreacter during the mixing time experiment
根據(jù)式(2)可知,在該條件下混合時間為47.5 s。同理測定了不同轉(zhuǎn)速下的混合時間,其結(jié)果如下表1,可以發(fā)現(xiàn)頂部的混合時間都小于底部的混合時間隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高,單體體積輸入功率(P/V)增加,加速流體的混合,混合時間變短。
表1 不同攪拌轉(zhuǎn)速下頂部和底部混合時間差異Tab 1 Difference of top and bottom mixing time under different agitation speed
t1、t2分別表示上下兩個電極測得混合均勻度達(dá)95%時所需的時間,混合時間tmix=(t1+t2)/2
2.2 生物反應(yīng)器的流體剪切 隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高,反應(yīng)器內(nèi)流體剪切力τk增加,η渦流尺寸減小。研究報(bào)道,剪切力大于1 N/m2就會對細(xì)胞造成損傷,而湍流尺寸接近或者小于細(xì)胞直徑時,將會對細(xì)胞產(chǎn)生損傷[11]。因此,通過提高攪拌轉(zhuǎn)速對混合效果進(jìn)行改善,還要考慮流體剪切力和渦流尺寸分布。
通過計(jì)算,得到200 L、500 L和1500 L反應(yīng)器內(nèi)局部剪切力和湍流尺寸的分布如圖2所示。隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高,流體局部剪切力增大。當(dāng)500 L和1500 L反應(yīng)器的攪拌轉(zhuǎn)速為100 r/min時,流體局部剪切力已經(jīng)大于1 N/m2,繼續(xù)提高攪拌轉(zhuǎn)速可能對細(xì)胞造成損傷。而200 L反應(yīng)器100 r/min條件下剪切力仍在細(xì)胞可承受的范圍內(nèi),為0.749 N/m2。哺乳動物細(xì)胞直徑一般在10~20 μm,當(dāng)湍流尺寸接近20 μm時就有可能對細(xì)胞造成損傷[11]。本實(shí)驗(yàn)中200 L、500 L和1500 L反應(yīng)器在攪拌轉(zhuǎn)速為150 r/min時局部湍流尺寸均已經(jīng)小于20 μm,因此,實(shí)際操作時攪拌轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過150 r/min。
圖2 攪拌轉(zhuǎn)速對局部Kolmogorov剪切力和渦旋尺度的影響Fig 2 Influence of agitation speed on Kolmogorov shear stress and eddy size
此外,攪拌槳葉端速率對細(xì)胞的損傷作用也不可忽視。動物細(xì)胞能耐受的葉端速率一般不大于2 m/s[12]。由圖3可知,2 L和30 L反應(yīng)器內(nèi)攪拌轉(zhuǎn)速達(dá)到200 r/min時,UT均未超過細(xì)胞的耐受極限。但是200 L、500 L和1500 L反應(yīng)器內(nèi)攪拌轉(zhuǎn)速分別在130 r/min、100 r/min和70 r/min時,UT已經(jīng)接近2 m/s。這些攪拌轉(zhuǎn)速可以作為反應(yīng)器操作過程中設(shè)定的極限值,所以1500 L生物反應(yīng)器內(nèi)最大攪拌轉(zhuǎn)速不能超過70 r/min。
圖3 攪拌轉(zhuǎn)速對攪拌槳葉端速率的影響Fig 3 Influence of agitation speed on impeller tip speed
2.3 深層通氣和攪拌轉(zhuǎn)速對體積氧傳質(zhì)速率的影響
從圖4看出,隨著深層通氣的增加,kLa大致呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于實(shí)驗(yàn)所用的microsparager,通氣量較大時,氣泡發(fā)生聚并,反而減小了氣泡的表面積,從而使得kLa減小。所以在選用microsparager作為鼓泡環(huán)的時候要選擇合適的通氣量。同時,隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高,傳質(zhì)系數(shù)不斷增大。這主要是因?yàn)椋孩贁嚢柁D(zhuǎn)速的提高加強(qiáng)了流體湍流特性,使液膜厚度變薄,從而減小了傳質(zhì)阻力,強(qiáng)化了傳質(zhì);②對于深層通氣而言,攪拌轉(zhuǎn)速的提高還會延長氣泡在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間,從而增大了氣液接觸面積,起到了提高傳質(zhì)系數(shù)的作用。
圖4 深層通氣速率和攪拌轉(zhuǎn)速對kLa的影響Fig 4 Influence of aeration rate and agitation speed on kLa
2.4 小泡在大型反應(yīng)器對氣液傳質(zhì)的影響 在1500 L生物反應(yīng)器中固定攪拌轉(zhuǎn)速為60 r/min,用microsparager進(jìn)行深層通空氣,研究深層通氣速率對CO2的移除速率的影響,結(jié)果見圖5??梢钥闯?,通氣速率從7.5 L/min增加到22.5 L/min,pCO2的移除速率隨著增加,但是到30 L/min時pCO2移除速率反而降低。在20~60 r/min都出現(xiàn)這種現(xiàn)象。這是因?yàn)椋孩偻饬吭龃螅瑲馀菰趍icrosparager開孔處產(chǎn)生聚并現(xiàn)象導(dǎo)致速率的下降;②在1500 L反應(yīng)器中液面高度接近2 m,從microsparager出來的氣泡較小,在上升過程發(fā)生溶解導(dǎo)致速率的變慢。
圖5 深層通氣對二氧化碳移除速率的影響Fig 5 Influence of aeration rate on CO2 remove rate
通過式(9)計(jì)算得到了不同攪拌轉(zhuǎn)速、不同深層通氣量條件下kLaCO2,如圖6所示。結(jié)果表明,深層通氣對改善二氧化碳的移除效果不明顯,當(dāng)轉(zhuǎn)速為30 r/min和通氣速率為15 L/min時,kLaCO2最大為1.3 h-1。所以在用microsparager作為鼓泡環(huán)時并不是攪拌轉(zhuǎn)速越大通氣速率越快,二氧化碳的移除效果越好。
圖6 攪拌轉(zhuǎn)速通氣速率對CO2移除速率的影響Fig 6 Influence of agitation speed and aeration speed on CO2 remove rate
2.5 反應(yīng)器病毒增值結(jié)果 根據(jù)上述研究結(jié)果,在1500 L反應(yīng)器中進(jìn)行培養(yǎng)時,轉(zhuǎn)速為60 r/min,深層通氣速率控制在22.5 L/min,能夠較好的滿足供氧需求和提高CO2的移除效果,同時也降低了剪切力對細(xì)胞的損傷。
圖7 2 L和1500 L反應(yīng)器流感病毒增殖結(jié)果Fig 7 Influenza virus production between 2 L and 1500 L bioreactor
病毒感染細(xì)胞24 h、48 h和60 h后,病毒滴度分別為29、211和211HA units/25 μL;單位細(xì)胞的病毒產(chǎn)率Svy為13298.70 virions/cell,與2 L反應(yīng)器單位細(xì)胞病毒產(chǎn)率僅相差1.16%(圖7)。因此,可以認(rèn)為2 L反應(yīng)器接毒結(jié)果順利放大到1500 L反應(yīng)器,工藝從2 L實(shí)驗(yàn)室規(guī)模成功放大到1500 L規(guī)模。
混合與傳質(zhì)是細(xì)胞培養(yǎng)過程中的兩大問題,是細(xì)胞培養(yǎng)過程中重要的環(huán)節(jié),反應(yīng)器的混合傳質(zhì)的效果直接影響細(xì)胞培養(yǎng)過程。本文通過冷模實(shí)驗(yàn)對1500 L反應(yīng)器的混合和傳質(zhì)進(jìn)行了測定,結(jié)果表明大罐中存在混合不均一現(xiàn)象,提高轉(zhuǎn)速能加快液體的混合;隨著反應(yīng)器規(guī)模的增大,流體剪切力和葉端速度也隨之增大,所以在細(xì)胞培養(yǎng)過程中要選擇合適的攪拌轉(zhuǎn)速;由于鼓泡環(huán)為microsparager,體積氧傳遞系數(shù)kLa在一定范圍內(nèi)隨著深層通氣速率的提高而增加,當(dāng)深層通氣速率較大時,kLa減小。同時,隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高,傳質(zhì)系數(shù)不斷增大;深層通氣速率和CO2移除速率的關(guān)系并不呈線性關(guān)系,在實(shí)際生產(chǎn)中需要具體考察,選取合理的深層通氣速率,滿足CO2移除要求。1500 L反應(yīng)器最終HA為211HA units/25 μL,單位細(xì)胞的病毒產(chǎn)量為13298.70 virions/cell,與2 L反應(yīng)器單位細(xì)胞病毒產(chǎn)率僅相差1.16%,基本重現(xiàn)2 L反應(yīng)器接毒結(jié)果。
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(編輯:李文平)
Development of Scale up for the Production of Influenza Vaccine Based on MDCK Suspension Cells
DAI Wei-jun, LIU Xu-ping, ZHOU Yan
(State Key Laboratory of Bioreacter Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)
LIU Xuping, E-mail: xupingliu@ecust.edu.cn
In order to scale up the flu vaccine production to 1500 L animal cell culture bioreactor, cold form experiment was carried out in 1500 L bioreactor, including mixing time, liquid shear force, volumetric oxygen transfer coefficient and volumetric carbon dioxide transfer coefficient. When cultured in a 1500 L bioreactor, agitation speed and aeration rate was 60 r/min, and 22.5 L/min, respectively, which could meet the oxygen requirement, improve the effect of CO2remove and reduce the shear force on cells. Virus-infected cells after 60 h in a 1500 L bioreactor, the virus titer was 211HA units/25 μL, the specific virus yield (Svy) was 13298.70 virions/cell, which is the difference of 1.16% in 2 L bioreactor.
influenza vaccine; MDCK cell; bioreactor; cold form experiment; scale up
10.11751/ISSN.1002-1280.2017.8.08
代為俊,碩士研究生,從事動物細(xì)胞的培養(yǎng)研究。
劉旭平。E-mail: xupingliu@ecust.edu.cn
2017-02-17
A
1002-1280 (2017) 08-0046-06
S852.5