灌注培养中恒定高渗应激增强CHO细胞代谢与抗氧化能力的基因组尺度代谢分析

本研究通过整合基因组尺度代谢模型（GEM）与实时摄氧率（OUR）监测，系统揭示了CHO细胞在恒定高渗灌注培养中的动态代谢响应。研究发现高渗刺激可显著提升单抗特异性生产率（qmAb）达168.5%，并增强细胞在低溶氧（DO）条件下的抗氧化能力，为高密度灌注工艺优化提供了新策略。

　　

细胞对恒定高渗刺激的响应

细胞系对渗透压呈现差异化响应。为在避免细胞死亡的同时优化高渗刺激下的生产力，需针对特定细胞系筛选适宜渗透压。初步数据显示380-410 mOsm/kg的渗透压可显著提升细胞单抗特异性生产率（q_mAb），从25.15 pg/细胞/天增至41.81 pg/细胞/天，且未完全抑制细胞生长。基于此，本研究选择该渗透压范围进行后续实验。

讨论

高渗刺激是提升CHO细胞培养性能的常用策略，既往研究多聚焦于其对细胞周期和能量代谢的影响。需注意的是，环境波动引起的细胞代谢变化通常需约3天达到平衡。在典型流加培养中，渗透压的渐进式升高使得细胞持续处于适应状态，难以实现代谢稳态。而灌注培养通过持续更新培养基，为维持恒定高渗环境提供了独特优势。本研究通过GEM分析发现，高渗条件下细胞快速调整营养摄取、糖酵解和三羧酸循环（TCA cycle）活性，但乳酸代谢和q_mAb变化滞后，后者需6-9天达到稳定。这种时序性响应提示代谢网络重构存在层级性调控机制。

更值得注意的是，高渗刺激诱导了细胞内氧化还原环境的重编程。在低溶氧（DO=10%）胁迫下，高渗处理细胞仍能维持较低活性氧（ROS）水平并保持高q_mAb，表明其抗氧化应激能力显著增强。这种双重增益效应（生产力提升与抗逆性增强）为在高密度灌注体系中应用高渗策略提供了重要理论依据。

结论

本研究通过GEM分析了恒定高渗刺激下细胞的代谢变化，验证了高渗策略在CHO细胞灌注培养中提升生产力的可行性。结果表明，虽然高渗策略可能增加工艺复杂性，但单抗特异性生产率（q_mAb）的成倍提升及其与抗氧化能力的协同增强效应，为突破当前灌注工艺的经济性瓶颈提供了新方向。