高密度细胞培养技术是一种通过优化培养条件和反应器设计，使细胞密度达到10⁷–10⁸ cells/mL（哺乳动物细胞）或50–200 g/L DCW（微生物）的先进生物工艺。该技术广
泛应用于单克隆抗体、疫苗、重组蛋白及细胞治疗产品的工业化生产，可显著提高产量并降低生产成本。
一、关键技术与设备组成
1. 培养系统类型：
- 灌流培养：连续补充新鲜培养基并移除代谢废物（细胞截留装置：中空纤维、离心或沉降系统）。
- 流加培养：间歇补料（葡萄糖、氨基酸等），延长培养周期至10-14天。
- 固定化培养：微载体（如Cytodex）或3D支架（如海藻酸钙）提供高比表面积。
2. 核心设备：
- 生物反应器：搅拌罐（带细胞截留）、波浪式反应器（低剪切）、气升式反应器（微生物）。
- 在线监测系统：代谢物分析（葡萄糖、乳酸、氨离子）、细胞密度传感器（电容法或光学检测）。
二、工作原理
1. 营养与氧气供应：
- 灌流模式：培养基置换率0.5-2 RV/day，维持营养稳定（如Glc >2 mM）。
- 高kLa设计：微泡通气（kLa >20 h⁻¹）或膜氧合（避免气泡损伤）。
2. 代谢废物控制：乳酸<4 mM、氨<2 mM（通过灌流或代谢工程调控）。
3. 细胞截留策略：中空纤维（截留分子量100-300 kDa）或声学沉降器（非接触式分离）。
三、操作流程
1. 种子扩增：摇瓶→5L反应器→50L反应器（接种密度0.5-1×10⁶ cells/mL）。
2. 高密度培养：
- 灌流启动时机：细胞密度达2-3×10⁶ cells/mL时开启截留系统。
- 补料策略：葡萄糖限制性补加（维持2-4 mM），避免乳酸积累。
3. 收获：哺乳动物细胞：离心或深层过滤；微生物：连续离心或膜过滤。
四、维护与挑战
1. 关键维护点：细胞截留装置定期反冲洗（防堵塞）、pH/DO传感器每日校准（高代谢负荷易导致信号漂移）。
2. 技术挑战：
- 缺氧问题：高密度下需增强氧传递（如纯氧通气）。
- 泡沫控制：添加消泡剂（如Antifoam C）或机械消泡。
五、应用场景
- 生物制药：CHO细胞生产单抗（灌流工艺可达15 g/L）。
- 细胞治疗：CAR-T细胞扩增（>1×10⁹ cells/批次）。
- 食品工业：微生物蛋白（如Quorn™真菌蛋白）。
