CHO 细胞（中国仓鼠卵巢细胞）是生物制药领域生产重组蛋白（如单克隆抗体、细胞因子）的 “黄金细胞株”，其传统培养以二维贴壁培养（如 T 型瓶、细胞工厂）为主，但存在细胞密度低、功能模拟不足、规模化难等局限。三维细胞培养仪通过构建立体微环境，支持 CHO 细胞在三维结构中贴壁生长，既保留其贴壁依赖性，又能模拟体内细胞间相互作用，显著提升培养效率和产物质量。

一、三维细胞培养仪支持 CHO 细胞贴壁培养的核心原理

CHO 细胞为贴壁依赖性细胞，需附着于固体表面才能增殖分化。三维培养仪的核心是提供立体贴附支架和动态微环境调控，实现：

1.立体附着位点：通过支架材料（如微载体、水凝胶、多孔支架）提供比二维平面更大的比表面积，供细胞贴壁生长；

2.模拟体内微环境：通过动态流场、营养梯度、气体交换等调控，减少二维培养中的 “接触抑制”，促进细胞形成更接近体内的聚集体或组织样结构；

3.均一化培养条件：通过搅拌、 perfusion（灌注）等方式，解决三维结构中营养 / 氧气传递不均的问题，维持细胞活性。

二、常用三维细胞培养仪类型及适配性

根据 CHO 细胞贴壁需求，主流设备可分为支架依赖型和动态贴附型两类：

1. 微载体搅拌式生物反应器（最常用）

核心结构：由搅拌系统（桨叶 / 磁力搅拌）、温控模块（37℃）、气体调控（5% CO₂）、pH / 溶氧传感器组成，内悬浮大量微载体（直径 50-300 μm 的球形颗粒）。

贴壁机制：微载体表面经改性（如包被胶原、明胶、聚赖氨酸），CHO 细胞贴附于微载体表面生长，随搅拌缓慢悬浮（转速 10-60 rpm，避免剪切力损伤），形成 “细胞 - 微载体” 复合体。

优势：

比表面积大（1 g 微载体≈500 cm²，相当于 10 个 T25 瓶），细胞密度可达 10⁷-10⁸ cells/mL（是二维培养的 10-100 倍）；

易于规模化（从实验室级 50 mL 到生产级 2000 L），适合重组蛋白量产；

微载体可通过离心 / 过滤分离，便于细胞收集和产物纯化。

关键参数：

微载体材质：优选生物相容性好、易降解（如明胶微载体）或可回收（如聚苯乙烯微载体）；

搅拌速率：CHO 细胞对剪切力敏感，需控制在 10-30 rpm（贴壁阶段低速，增殖阶段逐步提高）。

2. 固定床生物反应器

核心结构：内置多孔固定床（如聚酯纤维、陶瓷支架），CHO 细胞贴附于支架孔隙内生长，培养基通过 perfusion 系统持续流过床层，实现营养供应和代谢物移除。

贴壁特点：支架为三维网状结构（孔径 50-200 μm），细胞可在孔隙内多层贴壁，形成类似组织的密集生长（避免悬浮剪切力），更适合模拟细胞天然表型。

优势：细胞密度极高（可达 10⁹ cells/mL），产物（如抗体）分泌量更高；适合对剪切力敏感的 CHO 细胞株。

局限：支架清洗和灭菌难度较高，规模化放大时需优化流场分布（避免局部缺氧）。

3. 旋转壁式生物反应器（RWV）

核心结构：由内外两个同心圆筒组成，外筒旋转产生低剪切力流场，CHO 细胞贴附于微载体或自身分泌的基质上，在 “近零重力” 环境中生长。

贴壁优势：低剪切力保护细胞贴壁稳定性，同时促进细胞 - 细胞、细胞 - 基质间相互作用，更易形成三维聚集体（如类器官样结构），适合研究 CHO 细胞的功能分化（如提高复杂糖基化蛋白的表达）。

适用场景：实验室级功能研究或小批量高价值蛋白生产，规模化能力弱于搅拌式反应器。

4. 水凝胶包埋式培养系统

核心原理：将 CHO 细胞包埋于生物相容性水凝胶（如 Matrigel、海藻酸钠）中，水凝胶的三维网络为细胞提供贴附位点（通过 RGD 等黏附肽修饰），并允许营养和氧气渗透。

贴壁特点：细胞在水凝胶内贴壁生长，形成三维立体结构，更接近体内组织微环境，可显著提升细胞的分化功能和产物活性（如抗体的正确折叠率）。

局限：水凝胶降解速率需匹配细胞生长周期，且大规模培养时细胞回收难度高，更适合实验室机理研究。

三、CHO 细胞三维贴壁培养的关键优化点

1.贴壁效率提升：

微载体 / 支架表面改性：包被纤连蛋白、层粘连蛋白等细胞外基质（ECM）成分，或通过等离子体处理增加表面亲水性；

接种密度：初始密度需达 1-5×10⁵ cells/mL，确保细胞快速附着（避免悬浮死亡）。

2.微环境调控：

营养供应：采用 perfusion 系统（而非批次培养），持续补充葡萄糖、氨基酸，移除乳酸等代谢废物；

溶氧控制：维持 30%-50% 饱和度（CHO 细胞为兼性厌氧，过高溶氧会导致氧化损伤）；

pH 稳定：通过 CO₂和碳酸氢钠缓冲系统维持 pH 7.2-7.4。

3.产物收获优化：

对于微载体培养：通过离心分离微载体与培养基，或使用孔径大于微载体的滤膜过滤；

对于水凝胶包埋：可通过酶解（如胶原酶）降解支架后收集细胞或产物。

四、与传统二维贴壁培养的对比优势

指标 二维贴壁培养（T 瓶） 三维贴壁培养（微载体反应器）

细胞密度 10⁶-10⁷ cells/mL 10⁷-10⁸ cells/mL

产物产量（抗体） 1-5 g/L 5-20 g/L

细胞功能模拟 差（扁平化生长，表型漂移） 好（接近体内形态，功能稳定）

规模化能力 低（依赖人工操作，空间有限） 高（自动化控制，可放大至千升级）

五、应用场景

生物制药量产：通过搅拌式微载体反应器大规模培养 CHO 细胞，生产单克隆抗体（如抗癌药 PD-1 抑制剂）、疫苗等；

细胞表型研究：利用水凝胶或固定床系统，研究 CHO 细胞在三维环境中糖基化修饰、信号通路的变化（优化蛋白产物质量）；

药物筛选：构建三维 CHO 细胞模型，评估药物对细胞增殖、产物分泌的影响（更接近体内药效）。

六、挑战与解决方向

挑战：三维培养中细胞代谢更复杂（需精准调控营养梯度）；微载体 / 支架成本较高；细胞与支架的分离效率影响下游纯化。

趋势：开发可降解、低成本微载体；结合 AI 算法实时调控培养参数（如搅拌速率、灌注速度）；通过基因编辑增强 CHO 细胞在三维环境中的贴壁和增殖能力。

总之，三维细胞培养仪通过为 CHO 细胞提供立体贴附微环境，突破了传统二维培养的局限，是生物制药领域提升产量和产物质量的核心技术之一，同时为细胞功能研究提供了更接近体内的模型。