我国细胞培养基产业发展机遇与挑战及对策建议

陈琪，郭伟，杨喆 综述，于振行，沈建忠 审校

中国生物技术发展中心，北京 100039

细胞培养技术已成为科学研究和医药制品开发的关键核心技术之一［1］。哺乳动物细胞已成为生产重组蛋白的主要系统［2］。细胞培养基为细胞健康快速生长提供营养物质，是生命健康领域必不可少的原材料之一，在抗体、疫苗等生物制品的制备中尤为重要。

目前，我国细胞培养基产业主要依赖进口［3］。近年来，受全球新冠疫情和国际局势变化等影响，我国生物医药产业链和供应链均受到较为严重的挑战。一旦进口细胞培养基断供，我国生物医药研发及生产均将受到较大影响，特别是对依赖进口细胞培养基生产抗体、疫苗及细胞制品等相关的企业。此外，细胞培养基作为生物药的关键原料，生产过程中发生变更时要重新向药监部门报批，需要进行大量的验证工作，由此将带来巨大的时间成本和经济、技术负担。因此，加快发展我国细胞培养基产业，突破核心技术，意义重大。本文回顾了细胞培养基发展历程，从我国细胞培养基产业发展基本情况、发展现状及趋势，深入分析、系统梳理产业发展面临的机遇与挑战，并针对性地提出相关对策建议。

1 细胞培养基的发展历程

细胞培养基发展至今已超过百年。随着培养细胞类型、目的不同，细胞培养基的成分逐步调整，从最初的简单模拟体液、直接使用提取的动物体液，向成分更明确、功能可控的化合物替代方向发展。按照发展历史和成分构成，细胞培养基大致分为平衡盐溶液、天然细胞培养基、合成细胞培养基、无血清细胞培养基等类型。

1.1 平衡盐溶液1882—1883年，RINGER［4-5］开发了Ringer 溶液（一种成分接近体液的平衡盐溶液），使青蛙心脏从体内取出后继续保持跳动。之后，平衡盐溶液陆续被开发出来。平衡盐溶液的组成简单，一般仅包括无机盐或营养物质，具有维持渗透压、调节pH 值的作用。最简单的平衡盐溶液是生理盐水（0.9%NaCl 溶液），目前常作为洗涤组织、细胞以及配制各种细胞培养液的基础溶液。

研究人员随后开始尝试维持容器中细胞的存活，但始终难以实现。直至1907年，HARRISON 等［6］发现，青蛙神经纤维在成年青蛙淋巴提取液中可持续数周生长。该实验被认为是动物细胞体外培养的开端，并推动了天然细胞培养基的发展。

1.2 天然细胞培养基 天然细胞培养基指直接使用动物组织提取液或体液，如血浆、血清、淋巴液、胚胎提取物等进行细胞体外培养。1912年，CARREL［7］提出，通过定期更换培养基，可长期（数月）培养鸡胚胎结缔组织细胞。1913 年，CARREL［8］发现，在血浆中加入胚胎提取物可显著增加细胞增殖，并延长鸡胚胎心脏成纤维细胞的培养时间。

目前仍在使用的天然细胞培养基有水解乳蛋白和牛血清等。其优点是培养效果良好，营养成分丰富，可提供促接触和伸展因子，使细胞贴壁免受机械损伤；缺点是成分复杂，批间差异大，存在病毒等外源污染风险，对下游生物制品的分离纯化及安全性均存在较大影响。因此，天然细胞培养基在生物制药行业的使用越来越少。此后，研究人员开始聚焦影响动物组织及细胞生存和维持的具体成分，合成细胞培养基由此而生。

1.3 合成细胞培养基 为了找到这些天然材料中的关键成分，研究人员采取了两种主要策略。第一种策略：利用透析血清以最低血清水平维持细胞生长，再添加确定的成分提高细胞增殖，研发了合成细胞培养基；第二种策略：不依赖血清，甚至蛋白质，设计成分完全明确的培养基，提出无血清细胞培养基。

1959 年，EAGLE［9］利用第一种策略最早提出最低必需培养基（minimal essential medium，MEM），目前仍被用于研究领域和一些疫苗生产工艺中，为近代细胞培养基的开发奠定了基础。MEM 培养基是包含了各种营养物质的混合物，如碳水化合物（通常为葡萄糖和半乳糖，有时为麦芽糖或果糖）、氨基酸、维生素、脂肪酸，以及微量元素如锌和铜。但有些天然的未知成分仍无法替代，因此培养基中仍需添加10%及以上血清维持细胞生长。

在MEM基础上，DMEM、IMDM、HAM’s F12、RPMI-1640 等各种合成细胞培养基不断开发出来［10-11］。通常合成细胞培养基仍需添加5% ～10%的血清才能维持细胞活力，促进细胞增殖。针对不同的动物细胞，目前已开发出多种更低血清含量（1%～3%）的细胞培养基，由此减少了血清等动物来源成分对生物制品安全性的影响。

1.4 无血清细胞培养基 第二种完全不含血清和蛋白质的策略始于1946 年，研究人员尝试用血清中的已知成分进行替代［12］。1976 年，3 篇关键的文献报道推动了无血清细胞培养基的研究：①MCKEEHAN等［13］研究团队发现了亚硒酸盐对人二倍体细胞无血清培养的必要性；②MOORE 等［11］发现，除亚硒酸盐外，转铁蛋白和白蛋白是很好的血清替代物；③HAYASHI 等［14］发现，多种激素和生长因子的组合可很好地替代血清。基于以上研究，各种无血清细胞培养基不断出现。

无血清细胞培养基一般是在合成细胞培养基的基础上，加入成分完全或部分明确的血清替代物，以降低引入潜在污染物的风险［15］。无血清细胞培养基通常需添加一些额外的贴壁因子、促生长因子和酶抑制剂等，才能刺激细胞贴壁生长。但添加动物来源因子的变异性、复杂性以及病毒污染等，也给无血清培养带来隐患。

无血清培养是目前细胞培养领域的一大趋势，采用无血清培养可降低生产成本，简化分离纯化步骤，避免病毒污染造成的危害。无血清细胞培养基具有明显的细胞特异性，不同的细胞需要的培养基也不同。目前，商业化的无血清细胞培养基有明显的特征区别。

1.5 化学成分限定（chemically defined，CD）培养基及其研究进展 目前，细胞培养基研发及制备均是为了更好地适应抗体、疫苗和细胞治疗等生物制品的工业化大规模生产，以提高生产效率、稳定产品质量。同时，细胞培养基作为关键原材料，其大规模、安全、稳定供应及其重要。随着生物药生产要求的不断提高，CD培养基应运而生。

CD 培养基成分均为化学结构清楚、化学性质明确且组分清晰的物质，不包含任何未知或不确定的化合物，被认为是目前最安全、最理想的细胞培养基种类。其优势如下：①避免因使用水解物、天然或不明确成分引起的批间差异对细胞培养过程或生产工艺的连续性或重复性带来影响；②不含蛋白或蛋白含量极低，进一步减少对下游分离纯化工艺的影响；③因无不明确成分的干扰，研究化学成分与细胞间相互关系更为简单，结果也更可靠；④培养基用于生物制品生产时，因成分明确，最终产品的质量和安全性更有保障，也更容易获得批准。

CD 培养基营养组分可达60 ～100 种，各营养物的浓度范围跨度较大，且成分间往往还存在交互作用。培养基支持的细胞生长代谢、产物表达或病毒生产过程涉及上万个化学反应，关键成分的微小变化就会影响细胞的代谢特征，改变细胞的生理行为，最终影响既定的工艺表现。如培养基中必需氨基酸的耗尽可导致蛋白产品的氨基酸序列改变，耗竭的氨基酸所在位置被其他氨基酸替代，最终引起产品结构变化［16-17］。金属离子能够影响细胞生长代谢和产物表达，如培养基中铜离子缺乏可通过改变乳酸代谢来抑制细胞生长，而富含铜离子的培养基则会导致高水平的蛋白质脱酰胺作用［18-19］。此外，随着生物制药行业整体的降本增效需求和产品质量要求的不断提高，加之CD培养基的细胞株特异性要求较高［20-21］，越来越多的生物制药项目青睐于使用个性化的CD培养基，培养基生产企业开始根据客户企业的细胞和培养工艺针对性地设计开发定制CD培养基。

最早出现的商业化化学成分确定培养基为1997年Gibco公司推出的CD CHO Medium，至今在CHO 细胞培养过程中仍被广泛使用。随后，HyClone、Sigma、GE Healthcare、Irvine 和Satorius 公司等推出了一系列商业化的CD 培养基，可用于CHO、BHK、MDCK 和人T 细胞等的培养，以及抗体、疫苗和细胞治疗等生物制品的生产。近年来，国产培养基企业迅速成长，供应稳定的高品质国产无血清培养基产品和技术服务正在不断获得市场认可。目前，各CD 培养基可支持CHO 细胞流加培养过程中，最大细胞密度达（20 ～40）× 106cells／mL，抗体产量达10 ～12 g／L［22-23］；灌注培养过程中，最大细胞密度达（30 ～100）×106cells／mL，抗体产量达1 ～2 g／（L·d）［24-25］。在MDCK 细胞灌注培养过程中，CD 培养基可支持超过40 × 106cells／mL 的细胞密度，流感病毒产量可达4.37 log10（HAU／100 μL）［26］。

2 细胞培养基产业发展基本情况

2020年全球细胞培养基市场规模约占生物制药耗材的35%。国内有关生物制品企业数据显示，与其他耗材相比，细胞培养基成本处于较高位置，占原材料采购总额的20%～40%。在生物制药蓬勃发展的背景下，细胞培养基作为上游原材料的关键组成部分，将迎来快速增长阶段。

近年来，创新生物疗法的兴起和不断涌现的生物药进一步打开了细胞培养基的市场空间。同时，一批生物药迎来密集上市期，将极大释放患者用药需求，对生产企业的成本控制提出了新要求，将进一步加大细胞培养基的需求。生物制药业的持续扩张对细胞培养基的生产和供应链的一致性提出了越来越高的要求［27］。

2.1 细胞培养基产业链概况 细胞培养基产业链大致分为3 阶段：上游主要是各种原材料，包括葡萄糖、无机盐、氨基酸、维生素等；中游主要是生产各种细胞培养基产品；下游是包括疫苗及生物药生产企业、科研机构等细胞培养基的使用者。细胞培养基依不同培养方式、细胞种类的不同而分类，逐步朝着成分确定、营养物质组成稳定的方向发展。无血清细胞培养基营养物质含量丰富，批间差异小，同时成分确定有利于下游分离纯化，已经成为主流使用的细胞培养基品类。

2.2 当前细胞培养基产业发展概况 赛默飞、丹纳赫和默克等三大跨国巨头凭借一系列的收购获得了全球细胞培养基约90%的市场份额，产品线覆盖疫苗、抗体、重组蛋白和细胞与基因治疗等领域。2020年三大品牌在国内市场占有率为64.7%。

2.3 细胞培养基产业发展趋势 随着生物制药的快速发展，对细胞培养基提出了更高要求，速度、成本和安全是上游和下游制造过程改进的主要考虑因素［28］。目前，定制化细胞培养基的需求逐渐增多。针对同类细胞株开发同一款培养基，可提高细胞产物表达量，且产物的核心质量指标与原工艺保持一致，进而达到降本增效的目的。定制化细胞培养基逐渐成为细胞培养基产业趋势，能否根据客户需求快速推出定制化细胞培养基是衡量细胞培养基生产企业核心竞争力的重要指标。

3 我国细胞培养基产业发展机遇与挑战

3.1 主要发展机遇 近年来，国产细胞培养基的性能和质量不断提高，以澳斯康、倍谙基、奥浦迈等为代表的国产商的市场占有率稳步提升，由2017 年的19.2%提高至2021年的33.7%。受原材料稳定供应和降低成本等因素影响，我国生物医药企业越来越多地选择国产细胞培养基，如国药集团和康希诺生物新冠病毒疫苗使用的均为国产细胞培养基。

3.2 面临的主要挑战

当前，我国细胞培养基正面临自身竞争力不足及受国外跨国巨头垄断和挤压的双重挑战，主要难点在于培养基的配方设计研发，不足之处在于生产工艺有待优化，产品质量稳定性和规模化供应有待加强等。

3.2.1 技术和工艺积累亟待加强 细胞培养基配方属于核心技术。我国在细胞培养基研发方面的技术底子较为薄弱，在原料提取、检测和质控等方面的工艺亟待加强。因细胞培养基所需培养的细胞不同，分析细胞特性，工艺试验确定适合生长的配方组分需要大量、反复的实验论证，试验周期长、成本代价高。此外，生产工艺选择直接影响培养基的溶解性、产量和批间稳定性等特性。

3.2.2 产品品质有待提升 国产细胞培养基在质量、稳定性以及产品丰度上与进口细胞培养基相比还存在一定差距，如国产胎牛血清、无血清细胞培养基还不能满足高质量科研需求；当前大学、科研院所等对国产细胞培养基尚处于“不敢用”状态。下游企业对培养基的选择更加谨慎，倾向采购品牌认可度高、市场口碑好的产品；一旦确定了细胞培养基供应商，轻易不会更换。用户的选择直接反映了国产细胞培养基的产品品质有待进一步提升。

3.2.3 缺乏行业标准和规范 上海市生物医药行业协会在2022年12月发布了《细胞培养用无血清培养基标准》［29］及《人体细胞及组织培养用无血清培养基标准》［30］两部团体标准，对无血清培养基研发生产提出了规范性要求。然而，截至目前，我国尚未对细胞培养基行业进行明确定义，工商目录未对应分类，监管的法律法规以及相应的检测标准有待健全，细胞培养基生产质量缺乏统一的行业与国家标准。

4 对策建议

党的二十大报告指出，要加快建设现代化经济体系，着力提高全要素生产率及提升产业链供应链韧性和安全水平。细胞培养基配方种类丰富，正逐步朝着成分确定、营养物质组成稳定的方向发展。为实现我国培养基研发和产业化自主可控，提升我国生物医药产业链的韧性及自主可控水平，保障供应链安全，提出如下建议。

4.1 多元研发投入，突破技术壁垒 通过政府、企业等多渠道加大力度，支持关键试剂、关键原料研发，突破和革新关键技术，提升生产工艺水平，强化自主可控。鼓励高校、研究院所、企业深入开展产学研合作。针对细胞培养基配方设计和优化技术，利用自动化、大数据及人工智能等信息技术，提高培养基开发速度和效率。针对生产工艺，优化原料研磨工艺，加强对灌流工艺、浓缩流加工艺等新工艺的开发，不断降低成本、提高产量。除细胞培养基本身的改进和优化外，细胞大规模高密度无血清培养技术也非常关键，深入研究细胞对各类营养物质的需要，实现细胞行为的精准调控，特别是调控细胞的物质能量代谢和产物合成加工行为。

4.2 建立完善的国产原料供应体系，实现国产替代为保障我国生物医药产业链供应长期稳定安全，迫切需要寻找工艺表现类似或更高、与进口原材料具有相同品质、符合标准的国产化关键原材料。从细胞培养基的上游出发，针对无机盐、糖类、氨基酸、维生素、微量元素、生长因子等基础原料以及高品质血清，有重点地推动国产化替代进程，提升产品纯度，减少批间差，建立质量稳定可靠的供应体系，并降低生产成本，防范断供风险。

4.3 强化技术平台建设，强化质量管理和监管 构建满足不同场景需求的培养基技术开发平台，推进国产细胞培养基更新迭代。建立完善国产细胞培养基的行业和国家标准及生产规范，健全原材料供应筛选和质量考核标准，建立与国际接轨、与生物制药产业相匹配的质量管理体系，促进国产细胞培养基产品和工艺的应用及革新，进一步规范细胞培养基研发和制造行业的行为，提升企业竞争力，促进行业整体进步，规范市场发展。