CHO细胞乳酸调控的核心机制、累积的原因及解决策略
2026-02-25 来源:本站 点击次数:50
在 CHO 细胞生产抗体的工艺中，乳酸累积是常见痛点 —— 它会导致 pH 下降，迫使罐上频繁加碱，进而引发渗透压升高、局部 pH 波动，抑制细胞生长、降低蛋白产量。研究显示，多数工艺前期 75% 的葡萄糖会转化为乳酸，这给放大生产带来了巨大挑战。如何控制前期乳酸过度积累，并在后期实现代谢转移消耗乳酸？
一、乳酸是怎么产生的？
哺乳动物细胞（包括 CHO 细胞）的糖酵解过程本可高效利用葡萄糖产生 ATP（每摩尔葡萄糖最高生成 36 摩尔 ATP），但在 “沃伯格效应”（有氧糖酵解）下，即使氧气充足，CHO 细胞也会将大量葡萄糖转化为乳酸，此时每摩尔葡萄糖仅生成 4 摩尔 ATP，代谢效率极低。
这一过程的核心是乳酸脱氢酶（LDH）的催化反应：糖酵解产生的丙酮酸，在 LDH 作用下被还原为乳酸，同时 NADH 被氧化为 NAD⁺。而高浓度葡萄糖会进一步刺激葡萄糖消耗，加速乳酸生成；反之，控制葡萄糖在较低浓度范围，可降低乳酸产量，这可能与葡萄糖相关基因的响应下调有关。
二、乳酸调控的核心机制
要控制乳酸，需先理解其代谢调控的关键节点：
1，LDH 的双向催化：LDH 催化的丙酮酸 - 乳酸反应完全可逆，胞浆氧化还原状态（NAD⁺/NADH 比例）是反应方向的决定因素。当糖酵解通量高、NADH 水平上升时，LDH 倾向于将丙酮酸还原为乳酸；反之，若 NADH 被线粒体电子传递链（ETC）大量消耗，LDH 则可反向催化乳酸消耗，补充 NADH 以维持氧化还原平衡。
2，丙酮酸进入 TCA 循环的瓶颈：CHO 细胞中，连接糖酵解与 TCA 循环的 PEPCK、丙酮酸羧化酶（PC）、丙酮酸脱氢酶（PDH）活性极低，导致大部分丙酮酸无法进入 TCA 循环，只能通过 LDH 转化为乳酸。因此，上调 PC/PDH 活性或抑制 PDK，可促进丙酮酸进入 TCA 循环，减少乳酸生成。
3，单羧酸转运蛋白（MCT）的转运作用：MCT 可根据细胞膜内外 H⁺和乳酸盐浓度梯度，将乳酸盐转运进 / 出细胞。当胞外 H⁺或乳酸盐浓度高时，MCT 会将乳酸盐转运至胞内进行消耗。
4，线粒体活性的影响：线粒体功能直接影响糖酵解和 TCA 循环的平衡。上调线粒体活性（如过表达抗凋亡基因 BCL-2A），可增加 NADH 消耗，驱动乳酸反向代谢；反之，线粒体功能不足则会加剧乳酸生成。
三、三大乳酸调控策略
针对上述机制，行业内形成了三类主流调控策略：
1. 基因工程改造
敲除或下调 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⁺不足影响糖酵解效率。
提高半乳糖苷酶 Galk1 表达：半乳糖代谢中 Galk1 是限速酶，高表达后糖酵解通量更偏向细胞生长和生物量合成，减少乳酸生成。
上调 PYC/PDH 或抑制 PDK：加速丙酮酸进入 TCA 循环，提高葡萄糖利用率。
上调苹果酸脱氢酶 MDH：作为 TCA 循环限速酶，MDH 活性提升可加大丙酮酸消耗。
过表达 BCL-2A：改善线粒体功能，减少乳酸生成并促进其消耗。
改造糖类转运：如提高果糖转运体 GLU5，用果糖替代葡萄糖，降低糖酵解速率。
2. 培养基与工艺优化
碳源替代：用果糖、半乳糖、麦芽糖等替代葡萄糖，降低糖酵解速率，减少乳酸生成。
组分调整：如优化 Cu²⁺浓度，可调节线粒体和糖酵解活性，但需注意对产物质量（如碱峰、MAN5）的影响。
环境调控：降低初始 pH 和培养温度，可减少乳酸生成并促进代谢转换。
补料策略优化：将隔天补料改为每日补料，精准控制葡萄糖浓度，助力后期代谢转移。
pH 策略调整：先不强制调控 pH，收集全流程 pH 曲线，找到更适配的 pH 区间。
3. 细胞株筛选
以线粒体氧化能力为筛选指标，优先选择线粒体容量更高的细胞株。这类细胞能更好地平衡糖酵解和 TCA 循环，更易实现乳酸代谢转向消耗。
四、优宁维推荐：HyClone 无糖 CellBoost 7A 补料
在培养基及工艺优化中，控制葡萄糖浓度是减少乳酸生成的关键。HyClone（Cytiva 旗下品牌）的无糖 CellBoost 7A 补料，可精准控制葡萄糖供给，助力工艺优化。优宁维作为 HyClone 的授权代理商，为您提供以下规格的产品：
HyClone 的 CHO 高性能培养基基于代谢通路设计（Metabolic Pathway Design）开发，通过平衡营养供给与代谢废物产生，精准定位重组蛋白生产所需的关键营养物质剂量，确保细胞生命周期中的生长与产物表达。当您的工艺需要调整乳酸代谢时，无糖 CellBoost 7A 是理想的补料选择。
FAQ（常见问题）
1，为什么 CHO 细胞即使在有氧条件下也会产生大量乳酸？
这是 “沃伯格效应”（有氧糖酵解）的表现，CHO 细胞的丙酮酸进入 TCA 循环的关键酶（PC、PDH 等）活性低，导致大部分丙酮酸只能通过 LDH 转化为乳酸，与氧气供应水平无关。
2，无糖补料（如 CellBoost 7A）如何帮助控制乳酸？
无糖补料不含葡萄糖，可让工艺人员根据细胞代谢需求精准补充葡萄糖，避免高浓度葡萄糖刺激糖酵解，从而减少乳酸生成，同时为后期代谢转移创造条件。
3，基因工程改造和工艺优化，哪种更适合我的生产工艺？
基因工程改造可从根源上改变细胞代谢表型，但周期长、成本高，适合长期工艺开发；工艺优化（如碳源替代、补料调整）见效快、风险低，适合现有工艺的快速迭代。可根据项目阶段和需求灵活选择。
4，线粒体活性和乳酸代谢有什么关系？
线粒体是消耗 NADH 的主要场所，线粒体活性越高，NADH 消耗越快，胞浆中 NAD⁺/NADH 比例升高，驱动 LDH 反向催化乳酸消耗，从而减少乳酸累积。
5，优宁维能提供哪些关于 HyClone 培养基的技术支持？
优宁维作为 HyClone 的授权代理商，不仅提供优质的无糖 CellBoost 7A 等产品，还可提供培养基配方优化、工艺调试等技术支持，助力您的 CHO 细胞培养工艺升级。
乳酸累积是 CHO 细胞抗体生产中的常见挑战，但通过理解其代谢机制，结合基因工程、工艺优化和优质补料产品，可有效调控乳酸代谢，提升生产效率。优宁维将持续为您提供 HyClone 等品牌的优质细胞培养产品和专业技术支持，助力生物制药研发与生产。
一、乳酸是怎么产生的？
哺乳动物细胞（包括 CHO 细胞）的糖酵解过程本可高效利用葡萄糖产生 ATP（每摩尔葡萄糖最高生成 36 摩尔 ATP），但在 “沃伯格效应”（有氧糖酵解）下，即使氧气充足，CHO 细胞也会将大量葡萄糖转化为乳酸，此时每摩尔葡萄糖仅生成 4 摩尔 ATP，代谢效率极低。
这一过程的核心是乳酸脱氢酶（LDH）的催化反应：糖酵解产生的丙酮酸，在 LDH 作用下被还原为乳酸，同时 NADH 被氧化为 NAD⁺。而高浓度葡萄糖会进一步刺激葡萄糖消耗，加速乳酸生成；反之，控制葡萄糖在较低浓度范围，可降低乳酸产量，这可能与葡萄糖相关基因的响应下调有关。
图 1 糖酵解代谢图（连锁反应和 TCA 循环）(图片参考cytiva学堂公众号)
（注：图中标记了关键酶，丙酮酸作为中心代谢产物，可通过多种反应产生和消耗）
图 2 LDH 催化反应
（注：丙酮酸被还原为乳酸，同时 NADH 被氧化为 NAD⁺，该反应完全可逆）
（注：丙酮酸被还原为乳酸，同时 NADH 被氧化为 NAD⁺，该反应完全可逆）
二、乳酸调控的核心机制
要控制乳酸，需先理解其代谢调控的关键节点：
1，LDH 的双向催化：LDH 催化的丙酮酸 - 乳酸反应完全可逆，胞浆氧化还原状态（NAD⁺/NADH 比例）是反应方向的决定因素。当糖酵解通量高、NADH 水平上升时，LDH 倾向于将丙酮酸还原为乳酸；反之，若 NADH 被线粒体电子传递链（ETC）大量消耗，LDH 则可反向催化乳酸消耗，补充 NADH 以维持氧化还原平衡。
2，丙酮酸进入 TCA 循环的瓶颈：CHO 细胞中，连接糖酵解与 TCA 循环的 PEPCK、丙酮酸羧化酶（PC）、丙酮酸脱氢酶（PDH）活性极低，导致大部分丙酮酸无法进入 TCA 循环，只能通过 LDH 转化为乳酸。因此，上调 PC/PDH 活性或抑制 PDK，可促进丙酮酸进入 TCA 循环，减少乳酸生成。
3，单羧酸转运蛋白（MCT）的转运作用：MCT 可根据细胞膜内外 H⁺和乳酸盐浓度梯度，将乳酸盐转运进 / 出细胞。当胞外 H⁺或乳酸盐浓度高时，MCT 会将乳酸盐转运至胞内进行消耗。
4，线粒体活性的影响：线粒体功能直接影响糖酵解和 TCA 循环的平衡。上调线粒体活性（如过表达抗凋亡基因 BCL-2A），可增加 NADH 消耗，驱动乳酸反向代谢；反之，线粒体功能不足则会加剧乳酸生成。
三、三大乳酸调控策略
针对上述机制，行业内形成了三类主流调控策略：
1. 基因工程改造
敲除或下调 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⁺不足影响糖酵解效率。
提高半乳糖苷酶 Galk1 表达：半乳糖代谢中 Galk1 是限速酶，高表达后糖酵解通量更偏向细胞生长和生物量合成，减少乳酸生成。
上调 PYC/PDH 或抑制 PDK：加速丙酮酸进入 TCA 循环，提高葡萄糖利用率。
上调苹果酸脱氢酶 MDH：作为 TCA 循环限速酶，MDH 活性提升可加大丙酮酸消耗。
过表达 BCL-2A：改善线粒体功能，减少乳酸生成并促进其消耗。
改造糖类转运：如提高果糖转运体 GLU5，用果糖替代葡萄糖，降低糖酵解速率。
2. 培养基与工艺优化
碳源替代：用果糖、半乳糖、麦芽糖等替代葡萄糖，降低糖酵解速率，减少乳酸生成。
组分调整：如优化 Cu²⁺浓度，可调节线粒体和糖酵解活性，但需注意对产物质量（如碱峰、MAN5）的影响。
环境调控：降低初始 pH 和培养温度，可减少乳酸生成并促进代谢转换。
补料策略优化：将隔天补料改为每日补料，精准控制葡萄糖浓度，助力后期代谢转移。
pH 策略调整：先不强制调控 pH，收集全流程 pH 曲线，找到更适配的 pH 区间。
3. 细胞株筛选
以线粒体氧化能力为筛选指标，优先选择线粒体容量更高的细胞株。这类细胞能更好地平衡糖酵解和 TCA 循环，更易实现乳酸代谢转向消耗。
四、优宁维推荐：HyClone 无糖 CellBoost 7A 补料
在培养基及工艺优化中，控制葡萄糖浓度是减少乳酸生成的关键。HyClone（Cytiva 旗下品牌）的无糖 CellBoost 7A 补料，可精准控制葡萄糖供给，助力工艺优化。优宁维作为 HyClone 的授权代理商，为您提供以下规格的产品：
| 产品名称 | 包装规格 | 产品货号 |
|---|---|---|
| DPM Cell Boost 7a（无糖） | 10L | SH31125.01 |
| DPM Cell Boost 7a（无糖） | 25L | SH31125.02 |
| DPM Cell Boost 7a（无糖） | 100L | SH31125.03 |
HyClone 的 CHO 高性能培养基基于代谢通路设计（Metabolic Pathway Design）开发，通过平衡营养供给与代谢废物产生，精准定位重组蛋白生产所需的关键营养物质剂量，确保细胞生命周期中的生长与产物表达。当您的工艺需要调整乳酸代谢时，无糖 CellBoost 7A 是理想的补料选择。
FAQ（常见问题）
1，为什么 CHO 细胞即使在有氧条件下也会产生大量乳酸？
这是 “沃伯格效应”（有氧糖酵解）的表现，CHO 细胞的丙酮酸进入 TCA 循环的关键酶（PC、PDH 等）活性低，导致大部分丙酮酸只能通过 LDH 转化为乳酸，与氧气供应水平无关。
2，无糖补料（如 CellBoost 7A）如何帮助控制乳酸？
无糖补料不含葡萄糖，可让工艺人员根据细胞代谢需求精准补充葡萄糖，避免高浓度葡萄糖刺激糖酵解，从而减少乳酸生成，同时为后期代谢转移创造条件。
3，基因工程改造和工艺优化，哪种更适合我的生产工艺？
基因工程改造可从根源上改变细胞代谢表型，但周期长、成本高，适合长期工艺开发；工艺优化（如碳源替代、补料调整）见效快、风险低，适合现有工艺的快速迭代。可根据项目阶段和需求灵活选择。
4，线粒体活性和乳酸代谢有什么关系？
线粒体是消耗 NADH 的主要场所，线粒体活性越高，NADH 消耗越快，胞浆中 NAD⁺/NADH 比例升高，驱动 LDH 反向催化乳酸消耗，从而减少乳酸累积。
5，优宁维能提供哪些关于 HyClone 培养基的技术支持？
优宁维作为 HyClone 的授权代理商，不仅提供优质的无糖 CellBoost 7A 等产品，还可提供培养基配方优化、工艺调试等技术支持，助力您的 CHO 细胞培养工艺升级。
乳酸累积是 CHO 细胞抗体生产中的常见挑战，但通过理解其代谢机制，结合基因工程、工艺优化和优质补料产品，可有效调控乳酸代谢，提升生产效率。优宁维将持续为您提供 HyClone 等品牌的优质细胞培养产品和专业技术支持，助力生物制药研发与生产。
| 名称 | 货号 | 规格 |
| 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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