使用一次性表面增氧摇床生物反应器扩大量产CHO细胞重组α-1 抗胰蛋白酶的补料批法

这种蛋白对患者为何重要

α-1 抗胰蛋白酶（A1AT）是一种保护性蛋白，能帮助保护肺和其他器官免受炎性酶造成的损伤。天生缺乏A1AT的人可能会早发严重的肺部疾病及其他并发症。目前，他们的主要治疗手段是定期输注从人类血浆中提纯的A1AT——这是一种终生且费用高昂的疗法，并依赖于有限的血浆供应。本研究探讨了在可控的工厂化细胞培养系统中制造A1AT的方法，这可能为这种重要药物将来提供更可靠、更具可扩展性的来源。

从血浆捐赠到基于细胞的“工厂”

目前的A1AT治疗依赖于从捐献人血浆中提取的蛋白质。除了成本高以外，这种方法还容易受供应短缺影响，并且存在残余的病毒传播风险。与此同时，科学家不断发现A1AT的潜在新用途，包括抑制有害炎症、保护移植器官，以及帮助治疗糖尿病、关节炎、心梗、中风和急性肝衰竭等疾病。这些发现都增加了需求。为摆脱对人类供体的依赖，研究者希望制造重组人源A1AT（rhA1AT）——与人体相同的蛋白，但由工程化细胞在生物反应器中生产。

为何选择CHO细胞与摇动塑料罐

研究团队选用了中国仓鼠卵巢（CHO）细胞，这是现代生物制药制造的主力细胞系。CHO 细胞易于在大规模无血清悬浮培养中生长，能为蛋白添加类人糖基化结构，并将产物分泌到培养基中，从而简化纯化工序。研究者没有使用传统的不锈钢搅拌罐，而是采用一次性、轨道式摇床生物反应器（SB10-X）。该系统本质上是一个大型经灭菌的塑料容器，以圆周运动被摇动，同时气体在液面上方流动。与机械搅拌罐相比，这类摇动系统安装更简单、在小规模下运行成本更低，对剪切敏感的细胞更温和，同时仍然类似于早期实验使用的标准摇瓶的混合和增氧条件。

挑选优胜的细胞系克隆

研究者从先前工程化、能表达rhA1AT的CHO细胞出发，分离出十个单细胞克隆并监测了三个月。对于每个克隆，他们评估了细胞生长速度以及随时间每个细胞产生的A1AT量，分别在有或无常用筛选药物（甲氨蝶呤）的条件下进行。虽然有些克隆产量更高，但往往生长较慢。其中一个克隆——命名为Clone 2——提供了较好的折衷：它生长相对较快，并在12周内保持稳定且可观的A1AT产出。基于这些综合特性，Clone 2 被选为放大培养和后续工艺开发的对象。

放大规模并调节细胞环境

以Clone 2 为基础，团队首先在标准摇瓶中开展补料批培养，向细胞随时间补充额外营养以提高产量。随后他们将相同工艺转移到10升的SB10-X一次性摇床生物反应器。在两种体系中，细胞都达到了高密度，但由于对氧和pH的更好控制，生物反应器的最高A1AT水平比摇瓶高出约20%。细胞特异性产能——即每个细胞每天产生的蛋白量——在两种体系间相近（约10–12皮克克/细胞/日），这证实了工艺放大后性能没有丧失。科学家还密切监测了葡萄糖和谷氨酰胺等营养物质，以及乳酸和铵盐等废物。通过在第二次生物反应器运行中降低初始谷氨酰胺水平，他们将铵盐积累大致减少了一半而未损害产能，尽管这导致乳酸增加，强调了对营养与代谢副产物需进行仔细平衡。

制备安全且有功能的最终产物

收获后，rhA1AT 经澄清并通过两步层析纯化，HPLC 显示为单一、清晰的蛋白峰，总回收率约为70%。重要的是，蛋白的生物活性——抑制弹性蛋白酶（对肺有损伤作用的酶）的能力——从起始物料中约三分之一的活性提升到第一步纯化后约三分之二，并在后续步骤中维持较高水平。团队还测试了rhA1AT 在常用于抗体生产中的酸性灭活病毒条件下的耐受性。结果显示该蛋白在接近中性pH时稳定，但在较低pH值下会丧失可回收量，表明标准的低pH病毒灭活可能会损害产品，需要采用替代的病毒去除或灭活策略。

这对未来疗法意味着什么

简而言之，这项工作表明在一次性、低剪切的摇床生物反应器中培养工程化CHO细胞以生产医学相关量的活性α-1 抗胰蛋白酶在技术上是可行的。尽管通过改进补料策略、温度或pH调整以及代谢物控制等进一步优化可以提升产量，该研究确立了一个可放大且灵活的平台，有望减少对血浆来源A1AT 的依赖。如果此类工艺能成功转化并扩大规模，可能有助于为遗传性缺陷患者及正在探索的新治疗用途提供更稳定、更安全且潜在更可负担的A1AT 供应。

引用: Tang, W.Q., Jiang, C.Q.Z., Zheng, Z.Y. et al. Scaled up fed-batch production of recombinant alpha-1-antitrypsin by CHO cells in single-use surface aerated orbital shaken bioreactor. Sci Rep 16, 7790 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37353-w

关键词: α-1 抗胰蛋白酶, CHO 细胞, 生物反应器, 重组蛋白, 生物制剂制造