CHO細(xì)胞乳酸調(diào)控的核心機(jī)制、累積的原因及解決策略
在 CHO 細(xì)胞生產(chǎn)抗體的工藝中，乳酸累積是常見痛點(diǎn) —— 它會導(dǎo)致 pH 下降，迫使罐上頻繁加堿，進(jìn)而引發(fā)滲透壓升高、局部 pH 波動，抑制細(xì)胞生長、降低蛋白產(chǎn)量。研究顯示，多數(shù)工藝前期 75% 的葡萄糖會轉(zhuǎn)化為乳酸，這給放大生產(chǎn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。如何控制前期乳酸過度積累，并在后期實(shí)現(xiàn)代謝轉(zhuǎn)移消耗乳酸？
一、乳酸是怎么產(chǎn)生的？
哺乳動物細(xì)胞（包括 CHO 細(xì)胞）的糖酵解過程本可高效利用葡萄糖產(chǎn)生 ATP（每摩爾葡萄糖最高生成 36 摩爾 ATP），但在 “沃伯格效應(yīng)”（有氧糖酵解）下，即使氧氣充足，CHO 細(xì)胞也會將大量葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸，此時每摩爾葡萄糖僅生成 4 摩爾 ATP，代謝效率極低。
這一過程的核心是乳酸脫氫酶（LDH）的催化反應(yīng)：糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸，在 LDH 作用下被還原為乳酸，同時 NADH 被氧化為 NAD⁺。而高濃度葡萄糖會進(jìn)一步刺激葡萄糖消耗，加速乳酸生成；反之，控制葡萄糖在較低濃度范圍，可降低乳酸產(chǎn)量，這可能與葡萄糖相關(guān)基因的響應(yīng)下調(diào)有關(guān)。
二、乳酸調(diào)控的核心機(jī)制
要控制乳酸，需先理解其代謝調(diào)控的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：
1，LDH 的雙向催化：LDH 催化的丙酮酸 - 乳酸反應(yīng)完全可逆，胞漿氧化還原狀態(tài)（NAD⁺/NADH 比例）是反應(yīng)方向的決定因素。當(dāng)糖酵解通量高、NADH 水平上升時，LDH 傾向于將丙酮酸還原為乳酸；反之，若 NADH 被線粒體電子傳遞鏈（ETC）大量消耗，LDH 則可反向催化乳酸消耗，補(bǔ)充 NADH 以維持氧化還原平衡。
2，丙酮酸進(jìn)入 TCA 循環(huán)的瓶頸：CHO 細(xì)胞中，連接糖酵解與 TCA 循環(huán)的 PEPCK、丙酮酸羧化酶（PC）、丙酮酸脫氫酶（PDH）活性極低，導(dǎo)致大部分丙酮酸無法進(jìn)入 TCA 循環(huán)，只能通過 LDH 轉(zhuǎn)化為乳酸。因此，上調(diào) PC/PDH 活性或抑制 PDK，可促進(jìn)丙酮酸進(jìn)入 TCA 循環(huán)，減少乳酸生成。
3，單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MCT）的轉(zhuǎn)運(yùn)作用：MCT 可根據(jù)細(xì)胞膜內(nèi)外 H⁺和乳酸鹽濃度梯度，將乳酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn) / 出細(xì)胞。當(dāng)胞外 H⁺或乳酸鹽濃度高時，MCT 會將乳酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)至胞內(nèi)進(jìn)行消耗。
4，線粒體活性的影響：線粒體功能直接影響糖酵解和 TCA 循環(huán)的平衡。上調(diào)線粒體活性（如過表達(dá)抗凋亡基因 BCL-2A），可增加 NADH 消耗，驅(qū)動乳酸反向代謝；反之，線粒體功能不足則會加劇乳酸生成。
三、三大乳酸調(diào)控策略
針對上述機(jī)制，行業(yè)內(nèi)形成了三類主流調(diào)控策略：
1. 基因工程改造
敲除或下調(diào) LDH 基因：可直接降低葡萄糖消耗和乳酸生成速率，但可能因 NAD⁺不足影響糖酵解效率。
提高半乳糖苷酶 Galk1 表達(dá)：半乳糖代謝中 Galk1 是限速酶，高表達(dá)后糖酵解通量更偏向細(xì)胞生長和生物量合成，減少乳酸生成。
上調(diào) PYC/PDH 或抑制 PDK：加速丙酮酸進(jìn)入 TCA 循環(huán)，提高葡萄糖利用率。
上調(diào)蘋果酸脫氫酶 MDH：作為 TCA 循環(huán)限速酶，MDH 活性提升可加大丙酮酸消耗。
過表達(dá) BCL-2A：改善線粒體功能，減少乳酸生成并促進(jìn)其消耗。
改造糖類轉(zhuǎn)運(yùn)：如提高果糖轉(zhuǎn)運(yùn)體 GLU5，用果糖替代葡萄糖，降低糖酵解速率。
2. 培養(yǎng)基與工藝優(yōu)化
碳源替代：用果糖、半乳糖、麥芽糖等替代葡萄糖，降低糖酵解速率，減少乳酸生成。
組分調(diào)整：如優(yōu)化 Cu²⁺濃度，可調(diào)節(jié)線粒體和糖酵解活性，但需注意對產(chǎn)物質(zhì)量（如堿峰、MAN5）的影響。
環(huán)境調(diào)控：降低初始 pH 和培養(yǎng)溫度，可減少乳酸生成并促進(jìn)代謝轉(zhuǎn)換。
補(bǔ)料策略優(yōu)化：將隔天補(bǔ)料改為每日補(bǔ)料，精準(zhǔn)控制葡萄糖濃度，助力后期代謝轉(zhuǎn)移。
pH 策略調(diào)整：先不強(qiáng)制調(diào)控 pH，收集全流程 pH 曲線，找到更適配的 pH 區(qū)間。
3. 細(xì)胞株篩選
以線粒體氧化能力為篩選指標(biāo)，優(yōu)先選擇線粒體容量更高的細(xì)胞株。這類細(xì)胞能更好地平衡糖酵解和 TCA 循環(huán)，更易實(shí)現(xiàn)乳酸代謝轉(zhuǎn)向消耗。
四、優(yōu)寧維推薦：HyClone 無糖 CellBoost 7A 補(bǔ)料
在培養(yǎng)基及工藝優(yōu)化中，控制葡萄糖濃度是減少乳酸生成的關(guān)鍵。HyClone（Cytiva 旗下品牌）的無糖 CellBoost 7A 補(bǔ)料，可精準(zhǔn)控制葡萄糖供給，助力工藝優(yōu)化。優(yōu)寧維作為 HyClone 的授權(quán)代理商，為您提供以下規(guī)格的產(chǎn)品：
HyClone 的 CHO 高性能培養(yǎng)基基于代謝通路設(shè)計(jì)（Metabolic Pathway Design）開發(fā)，通過平衡營養(yǎng)供給與代謝廢物產(chǎn)生，精準(zhǔn)定位重組蛋白生產(chǎn)所需的關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)劑量，確保細(xì)胞生命周期中的生長與產(chǎn)物表達(dá)。當(dāng)您的工藝需要調(diào)整乳酸代謝時，無糖 CellBoost 7A 是理想的補(bǔ)料選擇。
FAQ（常見問題）
1，為什么 CHO 細(xì)胞即使在有氧條件下也會產(chǎn)生大量乳酸？
這是 “沃伯格效應(yīng)”（有氧糖酵解）的表現(xiàn)，CHO 細(xì)胞的丙酮酸進(jìn)入 TCA 循環(huán)的關(guān)鍵酶（PC、PDH 等）活性低，導(dǎo)致大部分丙酮酸只能通過 LDH 轉(zhuǎn)化為乳酸，與氧氣供應(yīng)水平無關(guān)。
2，無糖補(bǔ)料（如 CellBoost 7A）如何幫助控制乳酸？
無糖補(bǔ)料不含葡萄糖，可讓工藝人員根據(jù)細(xì)胞代謝需求精準(zhǔn)補(bǔ)充葡萄糖，避免高濃度葡萄糖刺激糖酵解，從而減少乳酸生成，同時為后期代謝轉(zhuǎn)移創(chuàng)造條件。
3，基因工程改造和工藝優(yōu)化，哪種更適合我的生產(chǎn)工藝？
基因工程改造可從根源上改變細(xì)胞代謝表型，但周期長、成本高，適合長期工藝開發(fā)；工藝優(yōu)化（如碳源替代、補(bǔ)料調(diào)整）見效快、風(fēng)險低，適合現(xiàn)有工藝的快速迭代�？筛鶕�(jù)項(xiàng)目階段和需求靈活選擇。
4，線粒體活性和乳酸代謝有什么關(guān)系？
線粒體是消耗 NADH 的主要場所，線粒體活性越高，NADH 消耗越快，胞漿中 NAD⁺/NADH 比例升高，驅(qū)動 LDH 反向催化乳酸消耗，從而減少乳酸累積。
5，優(yōu)寧維能提供哪些關(guān)于 HyClone 培養(yǎng)基的技術(shù)支持？
優(yōu)寧維作為 HyClone 的授權(quán)代理商，不僅提供優(yōu)質(zhì)的無糖 CellBoost 7A 等產(chǎn)品，還可提供培養(yǎng)基配方優(yōu)化、工藝調(diào)試等技術(shù)支持，助力您的 CHO 細(xì)胞培養(yǎng)工藝升級。
乳酸累積是 CHO 細(xì)胞抗體生產(chǎn)中的常見挑戰(zhàn)，但通過理解其代謝機(jī)制，結(jié)合基因工程、工藝優(yōu)化和優(yōu)質(zhì)補(bǔ)料產(chǎn)品，可有效調(diào)控乳酸代謝，提升生產(chǎn)效率。優(yōu)寧維將持續(xù)為您提供 HyClone 等品牌的優(yōu)質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)品和專業(yè)技術(shù)支持，助力生物制藥研發(fā)與生產(chǎn)。
一、乳酸是怎么產(chǎn)生的？
哺乳動物細(xì)胞（包括 CHO 細(xì)胞）的糖酵解過程本可高效利用葡萄糖產(chǎn)生 ATP（每摩爾葡萄糖最高生成 36 摩爾 ATP），但在 “沃伯格效應(yīng)”（有氧糖酵解）下，即使氧氣充足，CHO 細(xì)胞也會將大量葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸，此時每摩爾葡萄糖僅生成 4 摩爾 ATP，代謝效率極低。
這一過程的核心是乳酸脫氫酶（LDH）的催化反應(yīng)：糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸，在 LDH 作用下被還原為乳酸，同時 NADH 被氧化為 NAD⁺。而高濃度葡萄糖會進(jìn)一步刺激葡萄糖消耗，加速乳酸生成；反之，控制葡萄糖在較低濃度范圍，可降低乳酸產(chǎn)量，這可能與葡萄糖相關(guān)基因的響應(yīng)下調(diào)有關(guān)。
圖 1 糖酵解代謝圖（連鎖反應(yīng)和 TCA 循環(huán)）(圖片參考cytiva學(xué)堂公眾號)
（注：圖中標(biāo)記了關(guān)鍵酶，丙酮酸作為中心代謝產(chǎn)物，可通過多種反應(yīng)產(chǎn)生和消耗）
圖 2 LDH 催化反應(yīng)
（注：丙酮酸被還原為乳酸，同時 NADH 被氧化為 NAD⁺，該反應(yīng)完全可逆）
（注：丙酮酸被還原為乳酸，同時 NADH 被氧化為 NAD⁺，該反應(yīng)完全可逆）
二、乳酸調(diào)控的核心機(jī)制
要控制乳酸，需先理解其代謝調(diào)控的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：
1，LDH 的雙向催化：LDH 催化的丙酮酸 - 乳酸反應(yīng)完全可逆，胞漿氧化還原狀態(tài)（NAD⁺/NADH 比例）是反應(yīng)方向的決定因素。當(dāng)糖酵解通量高、NADH 水平上升時，LDH 傾向于將丙酮酸還原為乳酸；反之，若 NADH 被線粒體電子傳遞鏈（ETC）大量消耗，LDH 則可反向催化乳酸消耗，補(bǔ)充 NADH 以維持氧化還原平衡。
2，丙酮酸進(jìn)入 TCA 循環(huán)的瓶頸：CHO 細(xì)胞中，連接糖酵解與 TCA 循環(huán)的 PEPCK、丙酮酸羧化酶（PC）、丙酮酸脫氫酶（PDH）活性極低，導(dǎo)致大部分丙酮酸無法進(jìn)入 TCA 循環(huán)，只能通過 LDH 轉(zhuǎn)化為乳酸。因此，上調(diào) PC/PDH 活性或抑制 PDK，可促進(jìn)丙酮酸進(jìn)入 TCA 循環(huán)，減少乳酸生成。
3，單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MCT）的轉(zhuǎn)運(yùn)作用：MCT 可根據(jù)細(xì)胞膜內(nèi)外 H⁺和乳酸鹽濃度梯度，將乳酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn) / 出細(xì)胞。當(dāng)胞外 H⁺或乳酸鹽濃度高時，MCT 會將乳酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)至胞內(nèi)進(jìn)行消耗。
4，線粒體活性的影響：線粒體功能直接影響糖酵解和 TCA 循環(huán)的平衡。上調(diào)線粒體活性（如過表達(dá)抗凋亡基因 BCL-2A），可增加 NADH 消耗，驅(qū)動乳酸反向代謝；反之，線粒體功能不足則會加劇乳酸生成。
三、三大乳酸調(diào)控策略
針對上述機(jī)制，行業(yè)內(nèi)形成了三類主流調(diào)控策略：
1. 基因工程改造
敲除或下調(diào) LDH 基因：可直接降低葡萄糖消耗和乳酸生成速率，但可能因 NAD⁺不足影響糖酵解效率。
提高半乳糖苷酶 Galk1 表達(dá)：半乳糖代謝中 Galk1 是限速酶，高表達(dá)后糖酵解通量更偏向細(xì)胞生長和生物量合成，減少乳酸生成。
上調(diào) PYC/PDH 或抑制 PDK：加速丙酮酸進(jìn)入 TCA 循環(huán)，提高葡萄糖利用率。
上調(diào)蘋果酸脫氫酶 MDH：作為 TCA 循環(huán)限速酶，MDH 活性提升可加大丙酮酸消耗。
過表達(dá) BCL-2A：改善線粒體功能，減少乳酸生成并促進(jìn)其消耗。
改造糖類轉(zhuǎn)運(yùn)：如提高果糖轉(zhuǎn)運(yùn)體 GLU5，用果糖替代葡萄糖，降低糖酵解速率。
2. 培養(yǎng)基與工藝優(yōu)化
碳源替代：用果糖、半乳糖、麥芽糖等替代葡萄糖，降低糖酵解速率，減少乳酸生成。
組分調(diào)整：如優(yōu)化 Cu²⁺濃度，可調(diào)節(jié)線粒體和糖酵解活性，但需注意對產(chǎn)物質(zhì)量（如堿峰、MAN5）的影響。
環(huán)境調(diào)控：降低初始 pH 和培養(yǎng)溫度，可減少乳酸生成并促進(jìn)代謝轉(zhuǎn)換。
補(bǔ)料策略優(yōu)化：將隔天補(bǔ)料改為每日補(bǔ)料，精準(zhǔn)控制葡萄糖濃度，助力后期代謝轉(zhuǎn)移。
pH 策略調(diào)整：先不強(qiáng)制調(diào)控 pH，收集全流程 pH 曲線，找到更適配的 pH 區(qū)間。
3. 細(xì)胞株篩選
以線粒體氧化能力為篩選指標(biāo)，優(yōu)先選擇線粒體容量更高的細(xì)胞株。這類細(xì)胞能更好地平衡糖酵解和 TCA 循環(huán)，更易實(shí)現(xiàn)乳酸代謝轉(zhuǎn)向消耗。
四、優(yōu)寧維推薦：HyClone 無糖 CellBoost 7A 補(bǔ)料
在培養(yǎng)基及工藝優(yōu)化中，控制葡萄糖濃度是減少乳酸生成的關(guān)鍵。HyClone（Cytiva 旗下品牌）的無糖 CellBoost 7A 補(bǔ)料，可精準(zhǔn)控制葡萄糖供給，助力工藝優(yōu)化。優(yōu)寧維作為 HyClone 的授權(quán)代理商，為您提供以下規(guī)格的產(chǎn)品：
| 產(chǎn)品名稱 | 包裝規(guī)格 | 產(chǎn)品貨號 |
|---|---|---|
| DPM Cell Boost 7a（無糖） | 10L | SH31125.01 |
| DPM Cell Boost 7a（無糖） | 25L | SH31125.02 |
| DPM Cell Boost 7a（無糖） | 100L | SH31125.03 |
HyClone 的 CHO 高性能培養(yǎng)基基于代謝通路設(shè)計(jì)（Metabolic Pathway Design）開發(fā)，通過平衡營養(yǎng)供給與代謝廢物產(chǎn)生，精準(zhǔn)定位重組蛋白生產(chǎn)所需的關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)劑量，確保細(xì)胞生命周期中的生長與產(chǎn)物表達(dá)。當(dāng)您的工藝需要調(diào)整乳酸代謝時，無糖 CellBoost 7A 是理想的補(bǔ)料選擇。
FAQ（常見問題）
1，為什么 CHO 細(xì)胞即使在有氧條件下也會產(chǎn)生大量乳酸？
這是 “沃伯格效應(yīng)”（有氧糖酵解）的表現(xiàn)，CHO 細(xì)胞的丙酮酸進(jìn)入 TCA 循環(huán)的關(guān)鍵酶（PC、PDH 等）活性低，導(dǎo)致大部分丙酮酸只能通過 LDH 轉(zhuǎn)化為乳酸，與氧氣供應(yīng)水平無關(guān)。
2，無糖補(bǔ)料（如 CellBoost 7A）如何幫助控制乳酸？
無糖補(bǔ)料不含葡萄糖，可讓工藝人員根據(jù)細(xì)胞代謝需求精準(zhǔn)補(bǔ)充葡萄糖，避免高濃度葡萄糖刺激糖酵解，從而減少乳酸生成，同時為后期代謝轉(zhuǎn)移創(chuàng)造條件。
3，基因工程改造和工藝優(yōu)化，哪種更適合我的生產(chǎn)工藝？
基因工程改造可從根源上改變細(xì)胞代謝表型，但周期長、成本高，適合長期工藝開發(fā)；工藝優(yōu)化（如碳源替代、補(bǔ)料調(diào)整）見效快、風(fēng)險低，適合現(xiàn)有工藝的快速迭代�？筛鶕�(jù)項(xiàng)目階段和需求靈活選擇。
4，線粒體活性和乳酸代謝有什么關(guān)系？
線粒體是消耗 NADH 的主要場所，線粒體活性越高，NADH 消耗越快，胞漿中 NAD⁺/NADH 比例升高，驅(qū)動 LDH 反向催化乳酸消耗，從而減少乳酸累積。
5，優(yōu)寧維能提供哪些關(guān)于 HyClone 培養(yǎng)基的技術(shù)支持？
優(yōu)寧維作為 HyClone 的授權(quán)代理商，不僅提供優(yōu)質(zhì)的無糖 CellBoost 7A 等產(chǎn)品，還可提供培養(yǎng)基配方優(yōu)化、工藝調(diào)試等技術(shù)支持，助力您的 CHO 細(xì)胞培養(yǎng)工藝升級。
乳酸累積是 CHO 細(xì)胞抗體生產(chǎn)中的常見挑戰(zhàn)，但通過理解其代謝機(jī)制，結(jié)合基因工程、工藝優(yōu)化和優(yōu)質(zhì)補(bǔ)料產(chǎn)品，可有效調(diào)控乳酸代謝，提升生產(chǎn)效率。優(yōu)寧維將持續(xù)為您提供 HyClone 等品牌的優(yōu)質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)品和專業(yè)技術(shù)支持，助力生物制藥研發(fā)與生產(chǎn)。
| 名稱 | 貨號 | 規(guī)格 |
| DPM - HyCell (TM) CHO Medium W/O L-GLUT - ADCF, 5L | SH30933.01 | 1X5L |
| DPM-HyClone Cell Boost 7a, without Glucose, 100L | SH31125.03 | 100L |
| DPM-HyClone Cell Boost 7a, without Glucose, 25L | SH31125.02 | 25L |
| DPM-HyClone Cell Boost 7a, without Glucose, 10L | SH31125.01 | 10L |
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