CHO 細胞（中國倉鼠卵巢細胞）是生物制藥領域生產重組蛋白（如單克隆抗體、細胞因子）的 “黃金細胞株”，其傳統培養以二維貼壁培養（如 T 型瓶、細胞工廠）為主，但存在細胞密度低、功能模擬不足、規模化難等局限。三維細胞培養儀通過構建立體微環境，支持 CHO 細胞在三維結構中貼壁生長，既保留其貼壁依賴性，又能模擬體內細胞間相互作用，顯著提升培養效率和產物質量。

一、三維細胞培養儀支持 CHO 細胞貼壁培養的核心原理

CHO 細胞為貼壁依賴性細胞，需附著于固體表面才能增殖分化。三維培養儀的核心是提供立體貼附支架和動態微環境調控，實現：

1.立體附著位點：通過支架材料（如微載體、水凝膠、多孔支架）提供比二維平面更大的比表面積，供細胞貼壁生長；

2.模擬體內微環境：通過動態流場、營養梯度、氣體交換等調控，減少二維培養中的 “接觸抑制”，促進細胞形成更接近體內的聚集體或組織樣結構；

3.均一化培養條件：通過攪拌、 perfusion（灌注）等方式，解決三維結構中營養 / 氧氣傳遞不均的問題，維持細胞活性。

二、常用三維細胞培養儀類型及適配性

根據 CHO 細胞貼壁需求，主流設備可分為支架依賴型和動態貼附型兩類：

1. 微載體攪拌式生物反應器（最常用）

核心結構：由攪拌系統（槳葉 / 磁力攪拌）、溫控模塊（37℃）、氣體調控（5% CO?）、pH / 溶氧傳感器組成，內懸浮大量微載體（直徑 50-300 μm 的球形顆粒）。

貼壁機制：微載體表面經改性（如包被膠原、明膠、聚賴氨酸），CHO 細胞貼附于微載體表面生長，隨攪拌緩慢懸浮（轉速 10-60 rpm，避免剪切力損傷），形成 “細胞 - 微載體” 復合體。

優勢：

比表面積大（1 g 微載體≈500 cm2，相當于 10 個 T25 瓶），細胞密度可達 10?-10? cells/mL（是二維培養的 10-100 倍）；

易于規模化（從實驗室級 50 mL 到生產級 2000 L），適合重組蛋白量產；

微載體可通過離心 / 過濾分離，便于細胞收集和產物純化。

關鍵參數：

微載體材質：優選生物相容性好、易降解（如明膠微載體）或可回收（如聚苯乙烯微載體）；

攪拌速率：CHO 細胞對剪切力敏感，需控制在 10-30 rpm（貼壁階段低速，增殖階段逐步提高）。

2. 固定床生物反應器

核心結構：內置多孔固定床（如聚酯纖維、陶瓷支架），CHO 細胞貼附于支架孔隙內生長，培養基通過 perfusion 系統持續流過床層，實現營養供應和代謝物移除。

貼壁特點：支架為三維網狀結構（孔徑 50-200 μm），細胞可在孔隙內多層貼壁，形成類似組織的密集生長（避免懸浮剪切力），更適合模擬細胞天然表型。

優勢：細胞密度極高（可達 10? cells/mL），產物（如抗體）分泌量更高；適合對剪切力敏感的 CHO 細胞株。

局限：支架清洗和滅菌難度較高，規模化放大時需優化流場分布（避免局部缺氧）。

3. 旋轉壁式生物反應器（RWV）

核心結構：由內外兩個同心圓筒組成，外筒旋轉產生低剪切力流場，CHO 細胞貼附于微載體或自身分泌的基質上，在 “近零重力” 環境中生長。

貼壁優勢：低剪切力保護細胞貼壁穩定性，同時促進細胞 - 細胞、細胞 - 基質間相互作用，更易形成三維聚集體（如類器官樣結構），適合研究 CHO 細胞的功能分化（如提高復雜糖基化蛋白的表達）。

適用場景：實驗室級功能研究或小批量高價值蛋白生產，規模化能力弱于攪拌式反應器。

4. 水凝膠包埋式培養系統

核心原理：將 CHO 細胞包埋于生物相容性水凝膠（如 Matrigel、海藻酸鈉）中，水凝膠的三維網絡為細胞提供貼附位點（通過 RGD 等黏附肽修飾），并允許營養和氧氣滲透。

貼壁特點：細胞在水凝膠內貼壁生長，形成三維立體結構，更接近體內組織微環境，可顯著提升細胞的分化功能和產物活性（如抗體的正確折疊率）。

局限：水凝膠降解速率需匹配細胞生長周期，且大規模培養時細胞回收難度高，更適合實驗室機理研究。

三、CHO 細胞三維貼壁培養的關鍵優化點

1.貼壁效率提升：

微載體 / 支架表面改性：包被纖連蛋白、層粘連蛋白等細胞外基質（ECM）成分，或通過等離子體處理增加表面親水性；

接種密度：初始密度需達 1-5×10? cells/mL，確保細胞快速附著（避免懸浮死亡）。

2.微環境調控：

營養供應：采用 perfusion 系統（而非批次培養），持續補充葡萄糖、氨基酸，移除乳酸等代謝廢物；

溶氧控制：維持 30%-50% 飽和度（CHO 細胞為兼性厭氧，過高溶氧會導致氧化損傷）；

pH 穩定：通過 CO?和碳酸氫鈉緩沖系統維持 pH 7.2-7.4。

3.產物收獲優化：

對于微載體培養：通過離心分離微載體與培養基，或使用孔徑大于微載體的濾膜過濾；

對于水凝膠包埋：可通過酶解（如膠原酶）降解支架后收集細胞或產物。

四、與傳統二維貼壁培養的對比優勢

指標 二維貼壁培養（T 瓶） 三維貼壁培養（微載體反應器）

細胞密度 10?-10? cells/mL 10?-10? cells/mL

產物產量（抗體） 1-5 g/L 5-20 g/L

細胞功能模擬 差（扁平化生長，表型漂移） 好（接近體內形態，功能穩定）

規模化能力 低（依賴人工操作，空間有限） 高（自動化控制，可放大至千升級）

五、應用場景

生物制藥量產：通過攪拌式微載體反應器大規模培養 CHO 細胞，生產單克隆抗體（如抗癌藥 PD-1 抑制劑）、疫苗等；

細胞表型研究：利用水凝膠或固定床系統，研究 CHO 細胞在三維環境中糖基化修飾、信號通路的變化（優化蛋白產物質量）；

藥物篩選：構建三維 CHO 細胞模型，評估藥物對細胞增殖、產物分泌的影響（更接近體內藥效）。

六、挑戰與解決方向

挑戰：三維培養中細胞代謝更復雜（需精準調控營養梯度）；微載體 / 支架成本較高；細胞與支架的分離效率影響下游純化。

趨勢：開發可降解、低成本微載體；結合 AI 算法實時調控培養參數（如攪拌速率、灌注速度）；通過基因編輯增強 CHO 細胞在三維環境中的貼壁和增殖能力。

總之，三維細胞培養儀通過為 CHO 細胞提供立體貼附微環境，突破了傳統二維培養的局限，是生物制藥領域提升產量和產物質量的核心技術之一，同時為細胞功能研究提供了更接近體內的模型。