传统的实验室生物学是一种小规模操作；组织培养器皿很少会大于实验者的手掌，容量度量以“毫升”为单位，蛋白纯化能够产出几微克就算大功告成。随着人们越来越关注转化研究、结构生物学和再生医学，很多科学家开始从“大”处着眼。无论是试着纯化几克蛋白进行结晶实验，还是测试全新基因产物发展成新药的可行性，这些研究者很快就会发现自己开始思索复杂的大规模细胞培养。
 

    多亏了生物技术工业的成就，细胞培养的纵向扩展已经是一条康庄大道。“这个领域已经迸发出来，因为大量的产品层出不穷，在非常大的生物反应器中，药物能够在哺乳动物细胞中大批量的生产出来。”位于美国马里兰州贝塞斯达市的国家糖尿病、消化与肾病研究所生物技术核心实验室主任 Joseph Shiloach 补充道，取决于细胞类型，必需的设备和试剂通常有现货**。

    检视悬浮培养

    对很多科学家来说，大批量的细胞生长最显见的选择是采用他们早已熟知的技术：悬浮培养。大量的细胞系已经能够适应小旋转瓶的生长环境，因此最初的规模扩大就只是买个更大的旋转瓶。悬浮培养也为研究者进一步扩展提供了多种选择。

    在摇瓶中进行培养尤为灵活，研究者可以通过在单个平台上逐步扩大尺寸来加快速度。“你可以弄一个小尺寸的平台（摇床）放在恒温箱中，而且……可以从只有几毫升培养物的试管开始，然后一直扩大到在大的培养瓶中培养数升的培养物。”位于加州卡尔斯巴德的生命技术公司细胞生物学高级产品经理 Henry Chiou 表示。

    必要时，适用于摇床或者旋转瓶的悬浮培养法通常很容易扩展到更大的尺寸。“你可以尝试不同类型的摇瓶和旋转瓶去满足最开始工作时所需的体积，而如果你需要再增加一点点体积，就可以采用小型的生物反应器。” Shiloach 说。

    生物制药行业例行采用在生物反应器中的悬浮细胞培养来制造临床获准产品，因此供货商制造出的系统规格从台式到工业规模的都有。如今，这样的生物反应器很多都使用了一次性的培养室以避免灭菌的困难。“整个生物反应器都是一次性的，所以购买时一切所需都已经装配好了，你只需要加入培养基。” Shiloach 说。他接着说，“你可以在初期操作时使用小一点的发酵罐，非常类似于摇瓶，你可以将其拿进通风厨，你可以将其进行接种……，而后你可以把它放起来并连接到系统中。”

    一开始从小规模到大一些规模的旋转瓶或摇瓶培养，甚至到小型生物反应器都看起来挺简单的，但随着规模增长，就会突然出现新的问题。大型生物反应器通常需要更复杂的硬件支撑，并需要为维持pH值和养分水平进行更细致而频繁的测试，研究者可能需要额外的操作培训。“一旦你开始规模扩大并需要特定的产量，这个产量就会特别依赖于细胞的健康程度。” Chiou 补充道，“仔细地监控你的培养变得尤为重要。”

    一些供货商提供了略微不同的旋转瓶、悬浮培养瓶和生物反应器，通常是为解决具体问题做出的全新改动。举例来说，位于纽约州华盛顿港的颇尔生命科学公司目前正在消瘦一种台式的生物反应器，能够搅动装满细胞和培养基的一次性塑料袋。这个袋子放置在一个特殊的摇床顶上，通过两个单独的轴线来回摆动。低剪切力与一次性培养室的结合有助于维持从一批细胞到下一批细胞的一致性。位于美国新泽西州皮斯卡塔韦市的通用电气医疗集团生命科学部使用的方式类似于其WAVE生物反应器，这一反应器的特色也是在摆动的平台上的一次性袋状生长室，尺寸大小从 100 毫升到 500 升不等。

    鉴于各方面的选择，科学家需要花些时间去考虑哪种方式是最有效的。特别是对于需要保持溶解氧和pH值等参数时， Shiloach 建议询问支持设备并检测每个系统之所需。如果一个系统看上去很适合， Shiloach 说，“我认为最好的方法是搞一台试试。”

    宁“转”勿战

    当选择的细胞无法在悬浮状态下生长，一些研究者需要寻找其他方法来扩大规模，亦或不必如此。很多情况下，最明智的选择还是转向悬浮培养。“如果你有一个产物需要检测，而且你只需要几毫克来检测它的生物活性是否是你想要的，你可以从贴壁（细胞）开始做起，但如果产物看起来不错，我想最好还是试着改变这些细胞，或是试试另一个细胞系……然后就使用悬浮培养。” Shiloach 说。

    如果目标是临床治疗，那么转变细胞系也可能会帮助加速监管部门的审批过程。像中国仓鼠卵巢（CHO）和人类胚胎肾细胞 293（HEK-293）等已建立起来的悬浮培养系统形成了目前生物制药生产的支柱，因此监管部门已经对此颇为习惯。

    转向适应悬浮的细胞系是扩大蛋白产量的绝佳策略。“当我们出去跟许多人讨论时，很少有人真正需要在蛋白表达中采用某个特定的细胞系。标准的体系往往就是那几个， 293 和 CHO ,看起来适合绝大多数人的需求。” Chiou 说。

    为了迎合这些需求，一些公司提供一系列的 293 和 CHO 细胞株系，它们尤其适用于大规模的悬浮培养和蛋白产生。例如，生命技术公司的Expi 293 系统使用一种特殊的 293 细胞株和一种专有的培养基去获得高水平的瞬时蛋白表达。该公司称，Expi 293 每升所产生的蛋白比常规培养系统要高出 3 到 5 倍。产量升高意味着对大规模培养的需求减少。 Chiou 表示，“过去，如果有人觉得他们需要扩大到5升反应才能获得足够的蛋白，他们现在可以保持在 1 到 2 升的反应规模。”他接着说，“这大大地降低了规模需求所带来的影响。”

    所需的培养规模即便只增加一点，也常常会带来大量的成本和复杂性增加，因为规模扩大的问题往往是非线性的。培养规模从 1 升增长到 2 升可能只需要使用大一点的摇瓶，但是从 5 升到 6 升可能意味着购置台式的生物反应器并需要学习如何使用它。“转折点一般发生在你需要改变所使用的容器时。” Chiou 说。

    当 CHO 和 293 等标准的蛋白表达细胞系不起作用时（可能是需要这些细胞无法产生的特殊糖基化模式），一些研究人员转而使用微载体。这种微型的塑料小球为贴壁细胞提供了结合的基质表面。一旦载入，这些微载体和附带的细胞就能在摇瓶或旋转瓶中悬浮。这项几十年前的技术为很多不能采用其他培养方式的细胞提供了悬浮培养的诸多便利。微载体最适用于蛋白或病毒的产生，因为从微球上回收活细胞有时是很棘手的。通用电气、西格玛奥德里奇公司和英国阿克菲尔德的莱伯泰科公司等仪器**商均提供这种微载体。

    多者恒多

    对于某些细胞类型和项目而言，现行的悬浮培养系统都是不可行的。干细胞尤其如此，很难进行悬浮培养，而疫苗生产的标准株系 Vero 细胞也需要紧密地贴在培养皿上。所幸，正在尝试大批量培养这种紧密贴壁细胞的科学家可以从多个成熟的技术中进行选择。

    最简单的策略是使用内部具有多层平板的特殊培养瓶以提高每个培养瓶的基质表面积。这种平行板的方法比悬浮培养稍微麻烦一些，但是仪器制造商已经在努力的进行优化。“我们作为首家公司，数十年前就与细胞工厂一起提出这一设计，而且我们在这个特定产品线上有丰富的选择。”位于美国马萨诸塞州沃尔瑟姆的赛默飞世尔公司细胞培养技术应用专员 Cindy Neeley 表示。其他公司也提供了贴壁细胞的分层式生物反应器，也经常为特定用途进行优化。例如，位于密苏里州圣路易斯市的西格玛奥德里奇公司的 CELLine 生物反应器就是专为扩大蛋白表达系统和单克隆抗体生产所设计的。

    将细胞从小的单层培养瓶转到平行层容器也给它们自身带来了一系列的挑战。 Neeley 指出，即使多层培养瓶的所有分层一个紧挨着一个，但每层的情况也会有所不同。“只要超过 10 层，就会遇到层间营养物分配的问题，各层的气体条件也是如此，这对我们而言是一大挑战。” Neeley 说。因此，大的平行板系统经常配备着特殊的支持设备。

    在购买这种系统时，研究者也应该考虑他们的细胞目前更需要哪一种基质表面。某种细胞如果已经适应于贴壁生长在一种涂层的培养瓶中，当转移到一个具有不同涂层的多层培养瓶时就可能会生长不良。对于已经建立的细胞系，为了确保涂层是相同的，最简单的方式就是在同一个**小型培养瓶的厂商手中购买平行板系统。

    然而，这对于最前沿的再生医学研究者来说是不起作用的。干细胞通常过于挑剔，以至于无法在市面上现成的通用基质表面上生长，它们需要特殊的涂层试剂，例如 BD 生物科学公司的 Matrigel 产品。在大型平行板培养瓶上使用这种试剂进行涂层不仅比较复杂，而且价格高昂。这使得平行板系统离干细胞的研究工作很远，至少目前是这样。“我们还没能做到这一步，但是与我们同样境地的公司应该向这一方向努力，找出……能够使这些干细胞附着并生长的容器。” Neeley 说。

    但是对于能够在平行板摇瓶中生长的细胞而言，随后的规模扩大（直至工业化规模）相对比较简单。事实上，赛默飞世尔公司最大版本的细胞工厂在疫苗生产工厂中已经司空见惯，工厂中的培养瓶非常大，以至于简单地挪动位置都是最大的挑战之一。

    操作多层的大平行板培养瓶存在一定的困难，因此其他设备研发者开始创制出更加小巧的系统。位于比利时布鲁塞尔的 ATMI 公司生产的 xPansion 多层生物反应器使用更薄的平板，并且与赛默飞世尔的细胞工厂相比显得更加紧凑。因此 xPansion 能将相当于20个细胞工厂的细胞打包到一个容器中。除了节省空间外，更紧凑的系统也减少了培养瓶的数量，这样技术人员在更换培养基或收获细胞时就不用每次处置大量的培养瓶。

    ATMI 公司类似于其他的培养瓶生产者，也在尝试着给自己的平板做涂层，以使基质表面适用于更多外源的细胞类型。“今天我们只有一种涂层，但是我们实际上已经在（为干细胞）研究特殊的涂层。” ATMI 公司细胞培养技术部主任 Jose Castillo 说。

    顺其自然

    研究人员在分泌蛋白的表达系统中使用贴壁细胞时，也应该考虑另一种规模扩大策略：固定床式生物反应器。在该进展中，细胞粘附在小的微球或纤维上，并包覆在一个大型容器中。介质通过基质持续循环，为固定床带来新鲜的养分与氧气，同时排出细胞废料及分泌出的蛋白。一旦细胞被粘附，就很难甚至无法从固定床中恢复这些细胞，但是对于分泌蛋白产物来说，这点通常不是问题。

    固定床系统能够将大量的贴壁细胞维持在相对较小的体积中。例如 iCells 500 系统能够在仅为 25 升的体积中做到 500 平方米的贴壁细胞培养基质表面积（约为两个网球场的面积）。在蛋白表达和病毒疫苗生产方面，较高的基质表面积与体积之比甚至让固定床系统比悬浮培养更有优势。 Castillo 说，“你将能够以这种方式优化你的灌注过程，在与搅动池生物反应器的参考步骤相比时，（产物）实际上收集到了更小的体积中。 ”这一点确保 iCells 500 系统适用于实验室和工业化应用。

    无论研究者想要扩展哪种细胞培养类型，由设备制造商带来的最新技术进步已经让规模扩张之路变得相当顺畅。 Shiloach 解释，就在过去的几年间，“不仅培养基有所进步，细胞系也变好了，所有的分子生物学研究都具备更加有效的方式。对我来说，似乎困难在于找到适合的产品，而不是去制造产品。”