流化床生物反应器(流化床生物反应器在动物细胞培养的发展展望)

海潮机械 2023-01-15 09:48 编辑:admin 103阅读

1. 流化床生物反应器在动物细胞培养的发展展望

流化床反应器的特点是:催化剂的颗粒是流动状态,床层仍有一明显界面,△P不再随u的增加而增大。但是,如果u增加到一定值u下时,床层界面消失,△P又随u成正比增加,固体颗粒被气流带走,这时流化床遭到破坏。

所以选择合适的气流线速度,使u下<u<u上,对保持流化床的正常操作是十分必要的。一般颗粒度较小,利于流化。

2. 动物组织和细胞培养技术的应用

细胞连接的类型:

一封闭连接或闭锁连接:紧密连接;

二锚定连接:

1、与中间纤维相关的锚定连接:桥粒和半桥粒;

2、与肌动蛋白纤维相关的锚定连接:粘合带和粘合斑;

三通讯连接:间隙连接。

紧密连接是封闭连接的主要形式,普遍存在于脊椎动物体表及体内各种腔道和腺体上皮细胞之间。是指相邻细胞质膜直接紧密地连接在一起,能阻止溶液中的分子特别是大分子沿着细胞间的缝隙渗入体内,维持细胞一个稳定的内环境。

紧密连接具有:

1、形成渗漏屏障,起重要的封闭作用;

2、隔离作用,使游离端与基底面质膜上的膜蛋白行使各自不同的膜功能;

3、支持功能。

桥粒:又称点状桥粒,位于粘合带下方。是细胞间形成的钮扣式的连接结构,跨膜蛋白(钙粘素)通过附着蛋白(致密斑)与中间纤维相联系,提供细胞内中间纤维的锚定位点。中间纤维横贯细胞,形成网状结构,同时还通过桥粒与相邻细胞连成一体,形成整体网络,起支持和抵抗外界压力与张力的作用。半桥粒相当于半个桥粒,但其功能和化学组成与桥粒不同。它通过细胞质膜上的膜蛋白整合素将上皮细胞锚定在基底膜上, 在半桥粒中,中间纤维不是穿过而是终止于半桥粒的致密斑内。存在于上皮组织基底层细胞靠近基底膜处,防止机械力造成细胞与基膜脱离。

粘合带:又称带状桥粒,位于紧密连接下方,相邻细胞间形成一个连续的带状连接结构,跨膜蛋白通过微丝束间接将组织连接在一起,提高组织的机械张力。

粘合斑:细胞通过肌动蛋白纤维和整联蛋白与细胞外基质之间的连接方式,微丝束通过附着蛋白锚定在连接部位的跨膜蛋白上。存在于某些细胞的基底,呈局限性斑状。其形成对细胞迁移是不可缺少的。体外培养的细胞常通过粘着斑粘附于培养皿上。

间隙连接:是动物细胞间最普遍的细胞连接,是在相互接触的细胞之间建立的有孔道的连接结构,允许无机离子及水溶性小分子物质从中通过,从而沟通细胞达到代谢与功能的统一。

间隙连接在代谢偶联中的作用:使代谢物(如氨基酸、葡萄糖、核苷酸、维生素等)及第二信使(cAMP、Ca2+等)直接在细胞之间流通。

间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用:在由具有电兴奋性的细胞构成的组织中,通过间隙连接建立的电偶联对其功能的协调一致具有重要作用。间隙连接在早期胚胎发育和细胞分化过程中具有重要;间隙连接对细胞增殖的控制也有一定作用。

3. 动物细胞培养技术现已应用到哪些领域

细胞融合的具体步骤包括:

(1)细胞准备,分贴壁和悬浮细胞两种。前者可直接将两亲本细胞混合培养,后者需制成一定浓度的细胞悬浮液。

(2)细胞融合,加促融因子于将行融合的细胞之中,诱导融合。

(3)杂种细胞选择。利用选择性培养基等,使亲本细胞死亡,而让杂种细胞存活。

动物细胞融合

(4)杂种细胞克隆。对选出的杂种细胞进行克隆(选择与纯化),经过培养,就能获得所需要的无性繁殖系。

植物细胞融合较动物细胞难些。首先,植物细胞外面有细胞壁,因此需要先用纤维素酶和果胶酶去壁,形成原生质体后,才能进行细胞融合。其次,植物细胞融合后形成的杂种细胞,经过培养有可能先脱分化发育成愈伤组织然后再分化为植物体,而动物细胞的杂种细胞则缺乏此种能力。植物体细胞融合的过程大致包括:细胞分离,原生质体制备,原生质体融合,杂种细胞筛选及其培养,然后再通过愈伤组织诱导分化出根、茎、叶,最后长成完整的体细胞杂种植株。植物细胞融合技术不仅打破了常规有性杂交育种的亲和性障碍,而且为实现“超远缘杂交”提供了可能,有重大的应用价值。

发展简史

19世纪30年代,科学家们相继在肺结核、天花、水痘、麻疹等疾病患者的病理组织中观察到多核细胞。19世纪70年代,科学家们在蛙的血细胞中也看到了多核细胞的现象,但是由于受当时科学技术发展水平的限制,人们对这一现象并没有给予足够的重视;1958年,日本科学家岗田用灭活的仙台病毒诱导人的腹水癌细胞融合成功。后来科学家们又成功地诱导了不同种动物的体细胞融合,并且能将杂种细胞培养成活。随着细胞融合技术的不断改进,21世纪以来这项技术已经广泛应用于细胞学、遗传学、免疫学、病毒学等多种学科的研究工作中。

通过培养和诱导,两个或多个细胞合并成一个双核或多核细胞的过程称为细胞融合(cell fusion)或细胞杂交(cell hybridization)。

基因型相同的细胞融合成的杂交细胞称为同核体(homokaryon);来自不同基因型的杂交细胞则称为异核体(heterokaryon)。

同种细胞在培养时2个靠在一起的细胞自发合并,称自发融合;异种间的细胞必须经诱导剂处理才能融合,称诱发融合。

方法原理

诱导细胞融合的方法有三种:生物方法(病毒)、化学方法(聚乙二醇PEG)、物理方法(离心,震动,电刺激)。某些病毒如:仙台病毒、副流感病毒和新城鸡瘟病毒的被膜中有融合蛋白(fusion protein),可介导病毒同宿主细胞融合,也可介导细胞与细胞的融合,因此可以用紫外线灭活的此类病毒诱导细胞融合。化学和物理方法可造成膜脂分子排列的改变,去掉作用因素之后,质膜恢复原有的有序结构,在恢复过程中便可诱导相接触的细胞发生融合。

细胞融合不仅可用于基础研究,而且还有重要的应用价值,在植物育种方面已经成功的有萝卜+甘蓝、粉蓝烟草+郎氏烟草、番茄+马铃薯等等。 而动物细胞融合技术最重要的用途是制备单克隆抗体。

原理:细胞膜具有一定的流动性

意义

突破了有性杂交方法的局限,克服了远缘杂交的不亲和性,使远缘杂交成为可能,为制造单克隆抗体提供了条件。成为研究细胞遗传、细胞免疫、肿瘤和生物新品种培育的重要手段。

参考资料

[1] 汪忠.高中生物教科书(现代生物科技专题--选修三).南京市湖南路1号A楼:江苏凤凰教育出版社,2019年:65

4. 细胞培养技术在动物细胞工程领域中的应用

动物细胞培养液的成分:葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素和动物血清等。

动物细胞培养成功的关键在于培养液中是否含有动物血清,因为由于动物细胞生活的内环境还有一些成分尚未研究清楚,所以需要加入动物血清以提供一个类似生物体内的环境,此外动物血清中也包含了一些动物的激素和酶,可以促进细胞的发育。

所以,不需要另外再加激素!

5. 动物细胞生物反应器的发展趋势

德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员正在开发一种微生物半机器人,其通过将沙雷菌(Shewanella oneidensis)跟一种纳米复合材料相结合来产生可用的电力。目前所有的电子设备使用的都是一堆死气沉沉的技术,它们由同样死气沉沉的电池和其他能源驱动。

然而,如果KIT的概念被带入实际阶段,那么人们将可以看到生物传感器和微型燃料电池,甚至有朝一日像智能手机等类似的电子产品也能依靠微型机器人获取电力。

正如任何不幸碰到电鳗或踩到鱼雷鱼的人都能证明的那样,活的有机体可以产生惊人数量的电量。这不仅出现在鱼类当中甚至在某些种类的细菌的微生物水平也存在。这些外生电细菌自然产生电子作为其代谢过程的一部分,然后迁移到单细胞有机体的外表面。问题是,这种电流很难控制甚至很难在电极上捕捉到。

为此,由Christof M. Niemeyer教授领导的KIT团队为沙雷菌细菌创造了一个支架。据悉,这个支架由多孔水凝胶组成,而水凝胶又是由碳纳米管和硅纳米颗粒组成,纳米颗粒则由DNA链交织在一起。这种纳米复合支架被证明对外生电细菌非常有吸引力进而使得它们在上面定居,而其他物种如大肠杆菌则不会。

根据研究小组的研究,这个支架不仅可以支撑细菌几天,而且还能起到导体的作用进而产生可以被电极捕捉到的电化学活性。此外,通过加入一种酶来切断DNA链,科学家们实现了对这一过程的控制。

Niemeyer表示:“据我们所知,这种复杂的、功能性的生物混合材料现在已被首次表现出来。总之,我们的研究结果表明,这种材料的潜在应用范围甚至可能超出微生物生物传感器、生物反应器和燃料电池系统。”

相关研究报告已发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

6. 生物流化床技术

生物流化床的主要优点如下:

    1.容积负荷高,抗冲击负荷能力强

    由于生物流化床是采用小粒径固体颗粒作为载体,且载体在床内呈流化状态,因此其每单位体积表面积比其它生物膜法大很多。这就使其单位床体的生物量很高(10~14g/L),加上传质速度快,废水一进入床内,很快地被混合和稀释,因此生物流化床的抗冲击负荷能力较强,容积负荷也较其它生物处理法高.

    2.微生物活性强

    由于生物颗粒在床体内不断相互碰撞和摩擦,其生物膜厚度较薄,一般在 0.2微米以下,且较均匀。据研究,对于同类废水,在相同处理条件下,其生物膜的呼吸率约为活性污泥的两倍,可见其反应速率快,微生物的活性较强。这也是生物流化床负荷较高的原因之一。

    3,传质效果好

    由于载体颗粒在床体内处于剧烈运动状态,气-固-液界面不断更新,因此传质效果好,这有利于微生物对污染物的吸附和降解,加快了生化反应速率。

7. 动物细胞培养生物反应器类型

动物反应器:比如小鼠乳腺细胞表达系统等,具有真核动物细胞的蛋白加工系统,适合表达微生物反应器和植物反应器不能很好表达的动物内源性基因。

植物反应器:拟南芥,烟草等,适合表达一些真核基因和某些原核基因。其应用主要是摸索该基因在模式化植物中的作用,对农业作物基因改良有积极意义。

动植物反应器:优点在于能表达较为复杂的蛋白,缺点就是操作复杂,周期长,转化效率低。

微生物反应器:大肠杆菌,毕赤酵母等,适合表达原核蛋白和一些真核蛋白。优点就是生长快,周期短,操作简单,转化效率高。缺点就是对于一些真核蛋白缺乏必要的蛋白修饰加工系统,有可能造成该蛋白不表达或者表达无活性(比如包涵体形式存在)