雜交骨髓瘤細(xì)胞培養(yǎng)模型化研究.pdf

1、現(xiàn)代基因工程藥物主要來自于重組微生物和動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)，如單克隆抗體、細(xì)胞生長因子和生長素等。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的突出優(yōu)勢(shì)在于在很多情況下能分泌出具有正確折疊和后修飾的、具有生命活性的蛋白質(zhì)。然而，采用動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)獲取的生物藥品產(chǎn)率相當(dāng)?shù)?。主要的原因有?)培養(yǎng)條件的專一性；2)在培養(yǎng)條件的微小擾動(dòng)下動(dòng)物細(xì)胞的產(chǎn)率變化和細(xì)胞死亡的敏感性增加。欲實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)過程的仿真、優(yōu)化和控制，最終達(dá)到提高產(chǎn)率的目的，模型化是先導(dǎo)。本文以雜交骨髓瘤細(xì)胞培養(yǎng)為例，根據(jù)

2、對(duì)動(dòng)物細(xì)胞代謝機(jī)理和細(xì)胞周期機(jī)理的現(xiàn)有認(rèn)知，研究了在不同應(yīng)用層面上的動(dòng)物細(xì)胞模型化方法，給出了模型的具體數(shù)學(xué)描述，并進(jìn)行了初步驗(yàn)證。詳細(xì)描述如下： 首先，本文研究了雜交骨髓瘤細(xì)胞培養(yǎng)的改進(jìn)的集總參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型(MacrokineticModelwithLumpedParameters)。 傳統(tǒng)的集總參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型，尤其是Monod模型，形式簡單并取得了廣泛應(yīng)用。然而，眾所周知，Monod模型不能描述接種或補(bǔ)料操作后的細(xì)胞

3、生長遲滯現(xiàn)象。為此，本文根據(jù)細(xì)胞代謝酶系調(diào)節(jié)機(jī)理，提出了模仿細(xì)胞內(nèi)酶調(diào)節(jié)的代謝調(diào)節(jié)模型，該代謝調(diào)節(jié)模型與Monod模型相結(jié)合，可以更好的描述細(xì)胞比生長速率。另外，鑒于細(xì)胞培養(yǎng)過程中氨基酸的限制性影響，本文建立了重要氨基酸的代謝模型。通過這兩方面的改進(jìn)，使得集總參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型的實(shí)用性得到了增強(qiáng)，如模型能夠描述氨基酸耗盡后細(xì)胞維持短期生長的現(xiàn)象。 利用上述改進(jìn)模型對(duì)雜交骨髓瘤細(xì)胞間歇培養(yǎng)和脈沖式補(bǔ)料間歇培養(yǎng)進(jìn)行仿真，較好描述了活細(xì)胞

4、和死細(xì)胞的密度以及葡萄糖、谷氨酰胺、賴氨酸和乳酸的濃度的動(dòng)態(tài)變化。論文提供了仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。 論文建立的第二個(gè)模型是基于細(xì)胞周期機(jī)理的雜交骨髓瘤細(xì)胞培養(yǎng)的群體平衡模型(PopulationBalanceModel)。 真實(shí)的細(xì)胞系統(tǒng)往往是一個(gè)異質(zhì)系統(tǒng)，細(xì)胞群體中的個(gè)體表現(xiàn)出不同的細(xì)胞行為或細(xì)胞性狀。獲得細(xì)胞群體關(guān)于這些細(xì)胞行為或細(xì)胞性狀的分布信息，對(duì)于與細(xì)胞周期相關(guān)的重組蛋白(如單抗)的產(chǎn)率優(yōu)化至關(guān)重要。文獻(xiàn)中平

5、衡模型的優(yōu)勢(shì)正是在于描述細(xì)胞系統(tǒng)的各類分布信息。然而，目前動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的平衡模型研究還有很大的提升空間，如細(xì)胞周期特性信息的充實(shí)和模型的驗(yàn)證。為此，本文根據(jù)細(xì)胞周期和周期調(diào)控機(jī)理的生物學(xué)信息，把細(xì)胞體積和DNA含量作為細(xì)胞周期時(shí)相以及時(shí)相內(nèi)細(xì)胞與細(xì)胞之間的區(qū)分標(biāo)志，進(jìn)而建立了雜交骨髓瘤細(xì)胞群體平衡模型。這個(gè)模型能夠直接仿真DNA和體積分布的動(dòng)態(tài)變化。論文利用DNA分布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了上述細(xì)胞群體平衡模型。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是文獻(xiàn)中現(xiàn)有平衡模型未能做

6、到的事。細(xì)胞群體平衡模型還能用來計(jì)算細(xì)胞周期各時(shí)相的細(xì)胞分率(各時(shí)相細(xì)胞數(shù)目占總細(xì)胞數(shù)量的百分比)的動(dòng)態(tài)變化，以及活細(xì)胞和死細(xì)胞密度、底物(葡萄糖和氨基酸)濃度以及副產(chǎn)物(乳酸)的濃度。對(duì)此，論文也給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。 與集總參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型相比，平衡模型能提供更多的用于細(xì)胞培養(yǎng)過程優(yōu)化和控制的信息，如細(xì)胞周期各時(shí)相的細(xì)胞分率和DNA分布的動(dòng)態(tài)變化，可以為細(xì)胞群體周期動(dòng)力學(xué)的控制提供理論依據(jù)。同時(shí)，DNA分布的模型仿真有助于更好的

7、設(shè)計(jì)細(xì)胞周期控制過程。然而，由于模型本身數(shù)學(xué)描述的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)平衡模型仿真的計(jì)算負(fù)擔(dān)遠(yuǎn)比集總參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型大得多，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的難度。 論文建立的第三個(gè)模型是基于酶系調(diào)控的雜交骨髓瘤細(xì)胞培養(yǎng)控制論模型(CyberneticModel)。 控制論模型是從動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)部代謝和代謝酶調(diào)節(jié)的機(jī)理分析出發(fā)，研究細(xì)胞生長、消耗底物和生成副產(chǎn)物的情況?？刂普撃Ｐ偷那疤峒僭O(shè)為生物系統(tǒng)經(jīng)過長期的進(jìn)化，已經(jīng)形成了一套自我優(yōu)化的策略。基于

8、這個(gè)前提，細(xì)胞可以通過對(duì)酶水平和酶活性的控制來調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)生化反應(yīng)的進(jìn)行。在控制論代謝網(wǎng)絡(luò)中，酶系根據(jù)最優(yōu)化原則競爭利用胞內(nèi)物質(zhì)資源。根據(jù)文獻(xiàn)中代謝機(jī)理的分析，谷氨酰胺的利用過程中存在轉(zhuǎn)氨和脫氨作用的競爭，這種競爭直接影響到副產(chǎn)物氨和丙氨酸的生成，以往的控制論模型沒有考慮到這一競爭關(guān)系。另外，以往的控制論模型往往忽略了氨基酸的(谷氨酰胺除外)競爭性利用。本文提出的控制論模型重點(diǎn)考慮了這兩方面因素的影響。該模型不但能描述細(xì)胞生長、底物

9、(葡萄糖和谷氨酰胺)代謝和副產(chǎn)物(乳酸、氨和丙氨酸)形成等宏觀變量的動(dòng)態(tài)變化，還能仿真細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)(代謝中間產(chǎn)物和酶)的動(dòng)態(tài)變化，為細(xì)胞培養(yǎng)提供了胞內(nèi)水平的控制變量?？刂普撃Ｐ涂紤]細(xì)胞代謝酶調(diào)節(jié)機(jī)理，因而能描述細(xì)胞生長對(duì)營養(yǎng)擾動(dòng)的延遲響應(yīng)。從這一點(diǎn)來看，控制論模型相比其它類型的代謝機(jī)理模型更具優(yōu)勢(shì)。 以上三種模型化方法各有優(yōu)勢(shì)，適用于不同的場(chǎng)合：集總參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適于環(huán)境擾動(dòng)不太明顯、不確定因素較少的培養(yǎng)過程