我國細胞培養(yǎng)基產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)及對策建議

陳琪，郭偉，楊喆 綜述，于振行，沈建忠 審校

中國生物技術發(fā)展中心，北京 100039

細胞培養(yǎng)技術已成為科學研究和醫(yī)藥制品開發(fā)的關鍵核心技術之一［1］。哺乳動物細胞已成為生產(chǎn)重組蛋白的主要系統(tǒng)［2］。細胞培養(yǎng)基為細胞健康快速生長提供營養(yǎng)物質(zhì)，是生命健康領域必不可少的原材料之一，在抗體、疫苗等生物制品的制備中尤為重要。

目前，我國細胞培養(yǎng)基產(chǎn)業(yè)主要依賴進口［3］。近年來，受全球新冠疫情和國際局勢變化等影響，我國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)鏈和供應鏈均受到較為嚴重的挑戰(zhàn)。一旦進口細胞培養(yǎng)基斷供，我國生物醫(yī)藥研發(fā)及生產(chǎn)均將受到較大影響，特別是對依賴進口細胞培養(yǎng)基生產(chǎn)抗體、疫苗及細胞制品等相關的企業(yè)。此外，細胞培養(yǎng)基作為生物藥的關鍵原料，生產(chǎn)過程中發(fā)生變更時要重新向藥監(jiān)部門報批，需要進行大量的驗證工作，由此將帶來巨大的時間成本和經(jīng)濟、技術負擔。因此，加快發(fā)展我國細胞培養(yǎng)基產(chǎn)業(yè)，突破核心技術，意義重大。本文回顧了細胞培養(yǎng)基發(fā)展歷程，從我國細胞培養(yǎng)基產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本情況、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，深入分析、系統(tǒng)梳理產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的機遇與挑戰(zhàn)，并針對性地提出相關對策建議。

1 細胞培養(yǎng)基的發(fā)展歷程

細胞培養(yǎng)基發(fā)展至今已超過百年。隨著培養(yǎng)細胞類型、目的不同，細胞培養(yǎng)基的成分逐步調(diào)整，從最初的簡單模擬體液、直接使用提取的動物體液，向成分更明確、功能可控的化合物替代方向發(fā)展。按照發(fā)展歷史和成分構(gòu)成，細胞培養(yǎng)基大致分為平衡鹽溶液、天然細胞培養(yǎng)基、合成細胞培養(yǎng)基、無血清細胞培養(yǎng)基等類型。

1.1 平衡鹽溶液1882—1883年，RINGER［4-5］開發(fā)了Ringer 溶液（一種成分接近體液的平衡鹽溶液），使青蛙心臟從體內(nèi)取出后繼續(xù)保持跳動。之后，平衡鹽溶液陸續(xù)被開發(fā)出來。平衡鹽溶液的組成簡單，一般僅包括無機鹽或營養(yǎng)物質(zhì)，具有維持滲透壓、調(diào)節(jié)pH 值的作用。最簡單的平衡鹽溶液是生理鹽水（0.9%NaCl 溶液），目前常作為洗滌組織、細胞以及配制各種細胞培養(yǎng)液的基礎溶液。

研究人員隨后開始嘗試維持容器中細胞的存活，但始終難以實現(xiàn)。直至1907年，HARRISON 等［6］發(fā)現(xiàn)，青蛙神經(jīng)纖維在成年青蛙淋巴提取液中可持續(xù)數(shù)周生長。該實驗被認為是動物細胞體外培養(yǎng)的開端，并推動了天然細胞培養(yǎng)基的發(fā)展。

1.2 天然細胞培養(yǎng)基 天然細胞培養(yǎng)基指直接使用動物組織提取液或體液，如血漿、血清、淋巴液、胚胎提取物等進行細胞體外培養(yǎng)。1912年，CARREL［7］提出，通過定期更換培養(yǎng)基，可長期（數(shù)月）培養(yǎng)雞胚胎結(jié)締組織細胞。1913 年，CARREL［8］發(fā)現(xiàn)，在血漿中加入胚胎提取物可顯著增加細胞增殖，并延長雞胚胎心臟成纖維細胞的培養(yǎng)時間。

目前仍在使用的天然細胞培養(yǎng)基有水解乳蛋白和牛血清等。其優(yōu)點是培養(yǎng)效果良好，營養(yǎng)成分豐富，可提供促接觸和伸展因子，使細胞貼壁免受機械損傷；缺點是成分復雜，批間差異大，存在病毒等外源污染風險，對下游生物制品的分離純化及安全性均存在較大影響。因此，天然細胞培養(yǎng)基在生物制藥行業(yè)的使用越來越少。此后，研究人員開始聚焦影響動物組織及細胞生存和維持的具體成分，合成細胞培養(yǎng)基由此而生。

1.3 合成細胞培養(yǎng)基 為了找到這些天然材料中的關鍵成分，研究人員采取了兩種主要策略。第一種策略：利用透析血清以最低血清水平維持細胞生長，再添加確定的成分提高細胞增殖，研發(fā)了合成細胞培養(yǎng)基；第二種策略：不依賴血清，甚至蛋白質(zhì)，設計成分完全明確的培養(yǎng)基，提出無血清細胞培養(yǎng)基。

1959 年，EAGLE［9］利用第一種策略最早提出最低必需培養(yǎng)基（minimal essential medium，MEM），目前仍被用于研究領域和一些疫苗生產(chǎn)工藝中，為近代細胞培養(yǎng)基的開發(fā)奠定了基礎。MEM 培養(yǎng)基是包含了各種營養(yǎng)物質(zhì)的混合物，如碳水化合物（通常為葡萄糖和半乳糖，有時為麥芽糖或果糖）、氨基酸、維生素、脂肪酸，以及微量元素如鋅和銅。但有些天然的未知成分仍無法替代，因此培養(yǎng)基中仍需添加10%及以上血清維持細胞生長。

在MEM基礎上，DMEM、IMDM、HAM’s F12、RPMI-1640 等各種合成細胞培養(yǎng)基不斷開發(fā)出來［10-11］。通常合成細胞培養(yǎng)基仍需添加5% ～10%的血清才能維持細胞活力，促進細胞增殖。針對不同的動物細胞，目前已開發(fā)出多種更低血清含量（1%～3%）的細胞培養(yǎng)基，由此減少了血清等動物來源成分對生物制品安全性的影響。

1.4 無血清細胞培養(yǎng)基 第二種完全不含血清和蛋白質(zhì)的策略始于1946 年，研究人員嘗試用血清中的已知成分進行替代［12］。1976 年，3 篇關鍵的文獻報道推動了無血清細胞培養(yǎng)基的研究：①MCKEEHAN等［13］研究團隊發(fā)現(xiàn)了亞硒酸鹽對人二倍體細胞無血清培養(yǎng)的必要性；②MOORE 等［11］發(fā)現(xiàn)，除亞硒酸鹽外，轉(zhuǎn)鐵蛋白和白蛋白是很好的血清替代物；③HAYASHI 等［14］發(fā)現(xiàn)，多種激素和生長因子的組合可很好地替代血清?；谝陨涎芯?，各種無血清細胞培養(yǎng)基不斷出現(xiàn)。

無血清細胞培養(yǎng)基一般是在合成細胞培養(yǎng)基的基礎上，加入成分完全或部分明確的血清替代物，以降低引入潛在污染物的風險［15］。無血清細胞培養(yǎng)基通常需添加一些額外的貼壁因子、促生長因子和酶抑制劑等，才能刺激細胞貼壁生長。但添加動物來源因子的變異性、復雜性以及病毒污染等，也給無血清培養(yǎng)帶來隱患。

無血清培養(yǎng)是目前細胞培養(yǎng)領域的一大趨勢，采用無血清培養(yǎng)可降低生產(chǎn)成本，簡化分離純化步驟，避免病毒污染造成的危害。無血清細胞培養(yǎng)基具有明顯的細胞特異性，不同的細胞需要的培養(yǎng)基也不同。目前，商業(yè)化的無血清細胞培養(yǎng)基有明顯的特征區(qū)別。

1.5 化學成分限定（chemically defined，CD）培養(yǎng)基及其研究進展 目前，細胞培養(yǎng)基研發(fā)及制備均是為了更好地適應抗體、疫苗和細胞治療等生物制品的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，以提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。同時，細胞培養(yǎng)基作為關鍵原材料，其大規(guī)模、安全、穩(wěn)定供應及其重要。隨著生物藥生產(chǎn)要求的不斷提高，CD培養(yǎng)基應運而生。

CD 培養(yǎng)基成分均為化學結(jié)構(gòu)清楚、化學性質(zhì)明確且組分清晰的物質(zhì)，不包含任何未知或不確定的化合物，被認為是目前最安全、最理想的細胞培養(yǎng)基種類。其優(yōu)勢如下：①避免因使用水解物、天然或不明確成分引起的批間差異對細胞培養(yǎng)過程或生產(chǎn)工藝的連續(xù)性或重復性帶來影響；②不含蛋白或蛋白含量極低，進一步減少對下游分離純化工藝的影響；③因無不明確成分的干擾，研究化學成分與細胞間相互關系更為簡單，結(jié)果也更可靠；④培養(yǎng)基用于生物制品生產(chǎn)時，因成分明確，最終產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性更有保障，也更容易獲得批準。

CD 培養(yǎng)基營養(yǎng)組分可達60 ～100 種，各營養(yǎng)物的濃度范圍跨度較大，且成分間往往還存在交互作用。培養(yǎng)基支持的細胞生長代謝、產(chǎn)物表達或病毒生產(chǎn)過程涉及上萬個化學反應，關鍵成分的微小變化就會影響細胞的代謝特征，改變細胞的生理行為，最終影響既定的工藝表現(xiàn)。如培養(yǎng)基中必需氨基酸的耗盡可導致蛋白產(chǎn)品的氨基酸序列改變，耗竭的氨基酸所在位置被其他氨基酸替代，最終引起產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化［16-17］。金屬離子能夠影響細胞生長代謝和產(chǎn)物表達，如培養(yǎng)基中銅離子缺乏可通過改變?nèi)樗岽x來抑制細胞生長，而富含銅離子的培養(yǎng)基則會導致高水平的蛋白質(zhì)脫酰胺作用［18-19］。此外，隨著生物制藥行業(yè)整體的降本增效需求和產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，加之CD培養(yǎng)基的細胞株特異性要求較高［20-21］，越來越多的生物制藥項目青睞于使用個性化的CD培養(yǎng)基，培養(yǎng)基生產(chǎn)企業(yè)開始根據(jù)客戶企業(yè)的細胞和培養(yǎng)工藝針對性地設計開發(fā)定制CD培養(yǎng)基。

最早出現(xiàn)的商業(yè)化化學成分確定培養(yǎng)基為1997年Gibco公司推出的CD CHO Medium，至今在CHO 細胞培養(yǎng)過程中仍被廣泛使用。隨后，HyClone、Sigma、GE Healthcare、Irvine 和Satorius 公司等推出了一系列商業(yè)化的CD 培養(yǎng)基，可用于CHO、BHK、MDCK 和人T 細胞等的培養(yǎng)，以及抗體、疫苗和細胞治療等生物制品的生產(chǎn)。近年來，國產(chǎn)培養(yǎng)基企業(yè)迅速成長，供應穩(wěn)定的高品質(zhì)國產(chǎn)無血清培養(yǎng)基產(chǎn)品和技術服務正在不斷獲得市場認可。目前，各CD 培養(yǎng)基可支持CHO 細胞流加培養(yǎng)過程中，最大細胞密度達（20 ～40）× 106cells／mL，抗體產(chǎn)量達10 ～12 g／L［22-23］；灌注培養(yǎng)過程中，最大細胞密度達（30 ～100）×106cells／mL，抗體產(chǎn)量達1 ～2 g／（L·d）［24-25］。在MDCK 細胞灌注培養(yǎng)過程中，CD 培養(yǎng)基可支持超過40 × 106cells／mL 的細胞密度，流感病毒產(chǎn)量可達4.37 log10（HAU／100 μL）［26］。

2 細胞培養(yǎng)基產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本情況

2020年全球細胞培養(yǎng)基市場規(guī)模約占生物制藥耗材的35%。國內(nèi)有關生物制品企業(yè)數(shù)據(jù)顯示，與其他耗材相比，細胞培養(yǎng)基成本處于較高位置，占原材料采購總額的20%～40%。在生物制藥蓬勃發(fā)展的背景下，細胞培養(yǎng)基作為上游原材料的關鍵組成部分，將迎來快速增長階段。

近年來，創(chuàng)新生物療法的興起和不斷涌現(xiàn)的生物藥進一步打開了細胞培養(yǎng)基的市場空間。同時，一批生物藥迎來密集上市期，將極大釋放患者用藥需求，對生產(chǎn)企業(yè)的成本控制提出了新要求，將進一步加大細胞培養(yǎng)基的需求。生物制藥業(yè)的持續(xù)擴張對細胞培養(yǎng)基的生產(chǎn)和供應鏈的一致性提出了越來越高的要求［27］。

2.1 細胞培養(yǎng)基產(chǎn)業(yè)鏈概況 細胞培養(yǎng)基產(chǎn)業(yè)鏈大致分為3 階段：上游主要是各種原材料，包括葡萄糖、無機鹽、氨基酸、維生素等；中游主要是生產(chǎn)各種細胞培養(yǎng)基產(chǎn)品；下游是包括疫苗及生物藥生產(chǎn)企業(yè)、科研機構(gòu)等細胞培養(yǎng)基的使用者。細胞培養(yǎng)基依不同培養(yǎng)方式、細胞種類的不同而分類，逐步朝著成分確定、營養(yǎng)物質(zhì)組成穩(wěn)定的方向發(fā)展。無血清細胞培養(yǎng)基營養(yǎng)物質(zhì)含量豐富，批間差異小，同時成分確定有利于下游分離純化，已經(jīng)成為主流使用的細胞培養(yǎng)基品類。

2.2 當前細胞培養(yǎng)基產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況 賽默飛、丹納赫和默克等三大跨國巨頭憑借一系列的收購獲得了全球細胞培養(yǎng)基約90%的市場份額，產(chǎn)品線覆蓋疫苗、抗體、重組蛋白和細胞與基因治療等領域。2020年三大品牌在國內(nèi)市場占有率為64.7%。

2.3 細胞培養(yǎng)基產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢 隨著生物制藥的快速發(fā)展，對細胞培養(yǎng)基提出了更高要求，速度、成本和安全是上游和下游制造過程改進的主要考慮因素［28］。目前，定制化細胞培養(yǎng)基的需求逐漸增多。針對同類細胞株開發(fā)同一款培養(yǎng)基，可提高細胞產(chǎn)物表達量，且產(chǎn)物的核心質(zhì)量指標與原工藝保持一致，進而達到降本增效的目的。定制化細胞培養(yǎng)基逐漸成為細胞培養(yǎng)基產(chǎn)業(yè)趨勢，能否根據(jù)客戶需求快速推出定制化細胞培養(yǎng)基是衡量細胞培養(yǎng)基生產(chǎn)企業(yè)核心競爭力的重要指標。

3 我國細胞培養(yǎng)基產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)

3.1 主要發(fā)展機遇 近年來，國產(chǎn)細胞培養(yǎng)基的性能和質(zhì)量不斷提高，以澳斯康、倍諳基、奧浦邁等為代表的國產(chǎn)商的市場占有率穩(wěn)步提升，由2017 年的19.2%提高至2021年的33.7%。受原材料穩(wěn)定供應和降低成本等因素影響，我國生物醫(yī)藥企業(yè)越來越多地選擇國產(chǎn)細胞培養(yǎng)基，如國藥集團和康希諾生物新冠病毒疫苗使用的均為國產(chǎn)細胞培養(yǎng)基。

3.2 面臨的主要挑戰(zhàn)

當前，我國細胞培養(yǎng)基正面臨自身競爭力不足及受國外跨國巨頭壟斷和擠壓的雙重挑戰(zhàn)，主要難點在于培養(yǎng)基的配方設計研發(fā)，不足之處在于生產(chǎn)工藝有待優(yōu)化，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和規(guī)模化供應有待加強等。

3.2.1 技術和工藝積累亟待加強 細胞培養(yǎng)基配方屬于核心技術。我國在細胞培養(yǎng)基研發(fā)方面的技術底子較為薄弱，在原料提取、檢測和質(zhì)控等方面的工藝亟待加強。因細胞培養(yǎng)基所需培養(yǎng)的細胞不同，分析細胞特性，工藝試驗確定適合生長的配方組分需要大量、反復的實驗論證，試驗周期長、成本代價高。此外，生產(chǎn)工藝選擇直接影響培養(yǎng)基的溶解性、產(chǎn)量和批間穩(wěn)定性等特性。

3.2.2 產(chǎn)品品質(zhì)有待提升 國產(chǎn)細胞培養(yǎng)基在質(zhì)量、穩(wěn)定性以及產(chǎn)品豐度上與進口細胞培養(yǎng)基相比還存在一定差距，如國產(chǎn)胎牛血清、無血清細胞培養(yǎng)基還不能滿足高質(zhì)量科研需求；當前大學、科研院所等對國產(chǎn)細胞培養(yǎng)基尚處于“不敢用”狀態(tài)。下游企業(yè)對培養(yǎng)基的選擇更加謹慎，傾向采購品牌認可度高、市場口碑好的產(chǎn)品；一旦確定了細胞培養(yǎng)基供應商，輕易不會更換。用戶的選擇直接反映了國產(chǎn)細胞培養(yǎng)基的產(chǎn)品品質(zhì)有待進一步提升。

3.2.3 缺乏行業(yè)標準和規(guī)范 上海市生物醫(yī)藥行業(yè)協(xié)會在2022年12月發(fā)布了《細胞培養(yǎng)用無血清培養(yǎng)基標準》［29］及《人體細胞及組織培養(yǎng)用無血清培養(yǎng)基標準》［30］兩部團體標準，對無血清培養(yǎng)基研發(fā)生產(chǎn)提出了規(guī)范性要求。然而，截至目前，我國尚未對細胞培養(yǎng)基行業(yè)進行明確定義，工商目錄未對應分類，監(jiān)管的法律法規(guī)以及相應的檢測標準有待健全，細胞培養(yǎng)基生產(chǎn)質(zhì)量缺乏統(tǒng)一的行業(yè)與國家標準。

4 對策建議

黨的二十大報告指出，要加快建設現(xiàn)代化經(jīng)濟體系，著力提高全要素生產(chǎn)率及提升產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈韌性和安全水平。細胞培養(yǎng)基配方種類豐富，正逐步朝著成分確定、營養(yǎng)物質(zhì)組成穩(wěn)定的方向發(fā)展。為實現(xiàn)我國培養(yǎng)基研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化自主可控，提升我國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)鏈的韌性及自主可控水平，保障供應鏈安全，提出如下建議。

4.1 多元研發(fā)投入，突破技術壁壘 通過政府、企業(yè)等多渠道加大力度，支持關鍵試劑、關鍵原料研發(fā)，突破和革新關鍵技術，提升生產(chǎn)工藝水平，強化自主可控。鼓勵高校、研究院所、企業(yè)深入開展產(chǎn)學研合作。針對細胞培養(yǎng)基配方設計和優(yōu)化技術，利用自動化、大數(shù)據(jù)及人工智能等信息技術，提高培養(yǎng)基開發(fā)速度和效率。針對生產(chǎn)工藝，優(yōu)化原料研磨工藝，加強對灌流工藝、濃縮流加工藝等新工藝的開發(fā)，不斷降低成本、提高產(chǎn)量。除細胞培養(yǎng)基本身的改進和優(yōu)化外，細胞大規(guī)模高密度無血清培養(yǎng)技術也非常關鍵，深入研究細胞對各類營養(yǎng)物質(zhì)的需要，實現(xiàn)細胞行為的精準調(diào)控，特別是調(diào)控細胞的物質(zhì)能量代謝和產(chǎn)物合成加工行為。

4.2 建立完善的國產(chǎn)原料供應體系，實現(xiàn)國產(chǎn)替代為保障我國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)鏈供應長期穩(wěn)定安全，迫切需要尋找工藝表現(xiàn)類似或更高、與進口原材料具有相同品質(zhì)、符合標準的國產(chǎn)化關鍵原材料。從細胞培養(yǎng)基的上游出發(fā)，針對無機鹽、糖類、氨基酸、維生素、微量元素、生長因子等基礎原料以及高品質(zhì)血清，有重點地推動國產(chǎn)化替代進程，提升產(chǎn)品純度，減少批間差，建立質(zhì)量穩(wěn)定可靠的供應體系，并降低生產(chǎn)成本，防范斷供風險。

4.3 強化技術平臺建設，強化質(zhì)量管理和監(jiān)管 構(gòu)建滿足不同場景需求的培養(yǎng)基技術開發(fā)平臺，推進國產(chǎn)細胞培養(yǎng)基更新迭代。建立完善國產(chǎn)細胞培養(yǎng)基的行業(yè)和國家標準及生產(chǎn)規(guī)范，健全原材料供應篩選和質(zhì)量考核標準，建立與國際接軌、與生物制藥產(chǎn)業(yè)相匹配的質(zhì)量管理體系，促進國產(chǎn)細胞培養(yǎng)基產(chǎn)品和工藝的應用及革新，進一步規(guī)范細胞培養(yǎng)基研發(fā)和制造行業(yè)的行為，提升企業(yè)競爭力，促進行業(yè)整體進步，規(guī)范市場發(fā)展。