蔣飛黔(四川大學(xué),生物治療國家重點實驗室,四川 成都 610041)
Plackett-Burman和響應(yīng)面法優(yōu)化CHO細胞無血清培養(yǎng)基中關(guān)鍵營養(yǎng)成分
蔣飛黔(四川大學(xué),生物治療國家重點實驗室,四川 成都 610041)
為了提高CHO細胞在無血清培養(yǎng)基中的生長和蛋白表達能力。通過文獻選擇16種物質(zhì),利用Plackett-Burman實驗法篩選有出顯著影響的4種營養(yǎng)物質(zhì),再使用中心復(fù)合設(shè)計響應(yīng)面法優(yōu)化各成分含量,得到最優(yōu)配比為腐胺0.07mg/L、檸檬酸鐵132.5mg/L、磷酸二氫鈉0.84mg/L和煙酰胺2mg/L,優(yōu)化后獲得無血清培養(yǎng)基性能優(yōu)于同類商品化培養(yǎng)基。
Plackett-Burman;響應(yīng)面;CHO細胞;無血清培養(yǎng)基
中國倉鼠卵巢細胞(Chinese Hamster Ovary,CHO)是目前生產(chǎn)重組蛋白的主要宿主細胞,廣泛應(yīng)用于藥物生產(chǎn)領(lǐng)域。CHO細胞表達系統(tǒng)能很好的指導(dǎo)蛋白質(zhì)的正確折疊,提供復(fù)雜的糖基化等修飾和加工;其表達蛋白的理化性質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)及生物學(xué)活性等接近天然的生物蛋白分子[1]。CHO細胞無血清培養(yǎng)基是在DMEM∕F12基礎(chǔ)上添加生長因子、氨基酸、維生素和微量元素等組成[2],能減少生產(chǎn)難度也能穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。
本研究目的是開發(fā)CHO細胞無血清培養(yǎng)基用于表達VEG?FR-FC融合蛋白,其作用為抑制腫瘤部位的血管新生而達到治療目的。本實驗以細胞生長狀態(tài)和表達量為評價指標,通過Plackett-Burman法篩選關(guān)鍵成分再使用響應(yīng)面法優(yōu)化其中含量[3-4]。
1.1.1 細胞
CHO細胞,表達VEGFR-FC。
1.1.2 試劑
DMEM∕F12基礎(chǔ)培養(yǎng)基購自Gbico公司;營養(yǎng)物質(zhì)購自Sig?ma-Aldrich公司。
1.1.3 設(shè)備與儀器
二氧化碳培養(yǎng)箱,Kuhner公司ISF1-X;細胞計數(shù)儀,Beck?man公司ViCell Counter;高效液相色譜儀,Agilent公司1200。
1.2.1 細胞培養(yǎng)
細胞復(fù)蘇后離心重懸至搖瓶培養(yǎng),每培養(yǎng)72h時取樣計數(shù),按稀釋密度3-5×105cells∕mL再次傳代;隨后按實驗設(shè)計接種至250mL搖瓶,每瓶培養(yǎng)體積50mL,培養(yǎng)條件:溫度36.5℃、CO2濃度5%。
1.2.2 Plackett-Burman實驗設(shè)計
通過查閱文獻匯總了對細胞生長與表達影響較大的16個主要營養(yǎng)成分,增加2個虛擬變量考察誤差,各因子信息見表1。采用Plackett-Burman實驗設(shè)計方法安排20次實驗。
表1 Plackett-Burman設(shè)計因子及濃度
1.2.3 響應(yīng)面設(shè)計
經(jīng)篩選實驗后分析結(jié)果,采取蛋白產(chǎn)量優(yōu)先,活細胞密度其次的選擇策略共得到4個關(guān)鍵因子:腐胺、檸檬酸鐵、磷酸二氫鈉和煙酰胺,參考表1中因子含量水平并擴大±0.5倍濃度進行響應(yīng)面分析。采用中心復(fù)合設(shè)計方法共設(shè)計30次實驗。
Plackett-Burman實驗結(jié)果見圖1并利用Minitab統(tǒng)計軟件進行方差分析,由于實驗設(shè)計中包含混雜和搖瓶實驗存在誤差,故顯著性水平設(shè)定為0.1。分別以蛋白表達量和最高活細胞密度為響應(yīng),初篩得到關(guān)鍵影響營養(yǎng)因子為:腐胺、檸檬酸鐵、磷酸二氫鈉和煙酰胺。
圖1 Plackett-Burman實驗結(jié)果
圖2 響應(yīng)面實驗設(shè)計和結(jié)果
響應(yīng)面實驗結(jié)果見圖2,利用Minitab統(tǒng)計軟件進行GLM擬合和方差分析。結(jié)果中以活細胞密度為響應(yīng)的模型失擬項PValue=0.893,以蛋白表達量為響應(yīng)的模型失擬項P-Value=0.815,說明擬合結(jié)果均可用。
得到活細胞密度和蛋白表達量的擬合二次方程如下:
圖3 各組分對活細胞密度的響應(yīng)圖
圖4 各組分對蛋白表達量的響應(yīng)圖
對兩組回歸方程做等高線響應(yīng)圖分別見圖3、圖4。圖3顯示B、C項對活細胞密度有顯著影響,A與C項存在較強的交互作用;圖4顯示A、B、D和C依次對蛋白表達有顯著影響,A與D項存在較強的交互作用。
組合兩組回歸方程以最大值為目標求解可得,當(dāng)A(腐胺)=0.07mg∕L、B(檸檬酸鐵)=132.5mg∕L、C(磷酸二氫鈉)=0.84mg∕L、D(煙酰胺)=2mg∕L時活細胞密度和蛋白產(chǎn)量最高,其預(yù)測值為活細胞密度38.23×105cells∕mL,蛋白表達量236.85mg∕L。
無血清培養(yǎng)基中通常以商業(yè)化DMEM∕F12作為基礎(chǔ),組合不同營養(yǎng)成分取代血清來滿足細胞生長。但由于成分眾多且復(fù)雜對細胞生長和代謝的影響是不同的,通過文獻選取其中16種物質(zhì),經(jīng)過篩選和評估實驗后發(fā)現(xiàn)其中腐胺、檸檬酸鐵對細胞生長有顯著的促進作用,而腐胺、檸檬酸鐵、煙酰胺和磷酸二氫鈉對細胞蛋白表達促進作用依次增大。優(yōu)化含量后所獲得的自研無血清培養(yǎng)基能較好的滿足CHO細胞生長和表達,其性能可達到或優(yōu)于商品化培養(yǎng)基。
結(jié)果證明,Plackett-Burman實驗設(shè)計和響應(yīng)面優(yōu)化法相結(jié)合的統(tǒng)計方法能快速、有效地篩選出能影響CHO細胞生長與表達的營養(yǎng)因子,并能通過優(yōu)化得到最佳成分配比。最終能增加CHO細胞蛋白表達量也有利于減低生產(chǎn)成本。
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