生化工程讲稿

大家好，今天我给大家介绍的是生化反应器在干细胞培养中的进展。

主要分为以下几个内容，分别是：。

那么我介绍的重点肯定就是围绕着生化反应器和干细胞这两个关键词。

那我们首先就来看一下什么是干细胞。

干细胞是机体内。

这个是干细胞的分类。

我画星号的两类是我之后在具体应用中要涉及到的，到时候我再详细说明。

下面来看一下什么是生化反应器。

好的生化反应器能够大大提高生物化工产品的质量，收率以及降低能耗。

干细胞是一种动物细胞，具体到动物细胞反应器的要求有以下几点。

是跟动物细胞的特点相适应，比如动物细胞没有细胞壁，所以不能承受大的剪切力的作用，所以动物细胞反应器要有低剪切力。

那么我们为什么要研究用生物反应器培养干细胞呢？那是因为干细胞具有的能够稳定生存增殖并保持多向分化潜能的特性，使其在遗传性疾病和组织器官移植领域有着巨大的应用前景。

但是通过目前的干细胞分离培养技术可获得的干细胞数量极少, 远远不能满足临床需要，而生物反应器却能实现干细胞在体外的大规模扩增。

下面是几种生物反应器的介绍。

滚瓶式生物反应器
他就是利用转瓶培养器在不断摇动的细胞培养箱中进行细胞培养。

此种方法操作最简单,具有使用方便、价格低廉等特点。

但此种培养体系只适合于贴壁依赖型细胞的培养。

搅动悬浮培养生物反应器
这是最经典、最早被采用的一种生物反应器。

搅动顾名思义，就是由马达带动桨叶混合培养液, 通过搅拌器的作用使细胞和养分在培养液中均匀分布, 他可以在罐体上安装的不同传感器在线持续检测培养液的pH、温度、溶氧等参数。

此法操作也较简单, 既适用于以细胞团块或单细胞形式进行的悬浮细胞培养, 也适合贴壁型细胞的微载体培养。

但是机械搅动会对细胞造成一定的损伤, 死细胞比较多。

中空纤维反应器
动物细胞贴附在中空纤维管外壁生长,管壁是多孔膜,O2和C02等小分子可以自由透过膜扩散,可以很方便地获取氧。

膜式生物反应器
膜式生物反应器主要特点是有一个起传质作用的透析性膜。

是一种由半透膜传递营养物质并将细胞分离的生物反应器。

摇袋式生物反应器
细胞及培养液被置于一个预先消过毒的无菌一次性塑料袋中,袋子被置于一个摇动的平台上,随着摇动平台的左右摇动, 培养基液体在袋子中形成波浪式的运动, 起到良好的混合作用。

此种方法通过一次性耗材进行细胞培养, 使污染的可能性降到最低,但是操作中细胞的放取及监控细胞培养状态等具有不简便性, 同时成本花费比较大。

平板型生物反应器
此系统通常由多层平板、中空支架和外壳三部分组成，可实现细胞的大规模培养,其培养过程中细胞新陈代谢产生的副产物可以随时去除, 使其有毒代谢物含量比较低, 但是同时细胞培养中产生的分泌性因子也随之减少, 对细胞培养也有一定的害处。

固定流化床式生物反应器
细胞被固定在多孔的载体上, 载体固定在中空管中, 培养基在管内流动。

在此种体系中细胞与细胞间、细胞与基质间的相互作用能更好地模仿生物体内的复杂结构, 更有助于细胞的生长。

但相比于其他生物反应器, 不能进行大规模的扩增细胞。

气升式生物反应器
它的工作状况柔和,操作简单,有较好的传热、传质和混合特性,培养液的浓度也比较均匀,
因此比较适合动物细胞的培养。

但气泡上升时产生的涡流以及气泡破裂时产生的瞬间张力将对它附近的细胞产生很大的破坏作用。

旋转壁式生物反应器
旋转壁式生物反应器是目前组织工程领域最为广泛应用的生物反应器。

主要由培养室,供应室和半透膜三部分组成。

它的主要特点就是培养器在动力带动下绕水平轴或垂直轴旋转,带动容器内培养液和培养物作旋转层流运动,通过气液两相膜进行气体交换,以无菌注射器换液来补充养分。

它可为细胞提供一个与体内生长环境非常相似的体外生长环境。

气体是通过渗透膜进入培养室,因此反应器对细胞产生的剪切力较小。

最后，我介绍两个具体应用。

第一个是旋转壁式生物反应器培养兔骨髓间充质干细胞。

先看一下什么是间充质干细胞。

间充质干细胞（MSCs)是中胚层来源的具有定向分化能力的干细胞,以骨髓组织中含量最为丰富。

他是一种典型的贴壁生长的干细胞。

所以在旋转壁式反应器中培养时要依附于微载体。

这是生物反应器内和静态培养下的细胞生长形态图。

可以看出在生物反应器中培养的细胞通过细胞基质黏附在一起,有搭桥现象；而在静态培养条件下细胞分散分布。

这说明,骨髓间充质干细胞在旋转壁式生物反应器中培养时,细胞借助于该系统所提供的三维生长环境大大的提高了细胞之间获取联系的机会,而细胞之间的信号传递更有利于细胞的快速扩增。

这是兔骨髓间充质干细胞的生长曲线。

可以看出细胞在旋转壁式生物反应器中的倍增时间远远小于在培养瓶内培养的倍增时间,而比生长速率也明显高于后者。

这是兔骨髓间充质干细胞扩增倍数比较。

细胞在生物反应器中扩增了10倍而在静态培养中仅扩增了3倍。

以上两个数据都说明了说明三维培养环境由于与体内微环境相似而更适合细胞在体外的培养。

最后我们来看一下营养物质的代谢。

葡萄糖含量持续下降，且低于静态培养，乳酸含量持续上升，且高于静态培养说明在旋转壁式生物反应器中培养的细胞代谢更为旺盛。

可能是由于可能是由于培养基的不断循环及培养室内流体的旋转层流运动,使得生物反应器内的养分供应充足、均匀,反应器内的传质性能优越。

最后小结一下就是，旋转壁式生物反应器内培养的骨髓间充质干细胞显示了较好的生长状态、扩增能力和细胞活性。

下一个应用还是应用旋转壁式生物反应器但是是培养神经干细胞。

神经干细胞在我们人体中发挥了非常重要的作用，且不能再生，但是把它移植入脑后可替代损伤和死亡的神经元,重建神经元回路,恢复损伤的脑功能。

它为重建受损的神经系统组织、治疗以帕金森症为代表的神经退行性疾病带来了可能。

具有十分大的应用前景。

以下还是从它与静态培养下的细胞在生长曲线，倍增时间和营养物质代谢方面的比较，我就不再赘述了。

旋转壁式生物反应器依旧表现出了优势。

最后我想说的是，随着生物反应器在培养干细胞研究方面的深入，为许多重大疾病(如帕金森病、心血管病、糖尿病等)的细胞治疗提供了细胞来源, 为组织工程和再生医学的发展提供了一个重要的技术支撑。

不久的将来可以在临床诊断和产业应用方面发挥重要作用。

谢谢大家。