在生物制药领域，中国仓鼠卵巢（CHO）细胞是生产治疗性蛋白（如单克隆抗体）的主力军。然而，其培养过程中普遍存在的乳酸过度积累问题，长期制约着工艺效率与产品质量。高浓度乳酸（>20-30 mM）会导致培养基pH下降、渗透压升高，进而抑制细胞生长、降低细胞活率，并可能影响产物的糖基化修饰。传统的“事后补救”策略已难以满足日益严苛的生产需求。如今，前沿的解决方案是通过代谢工程、培养基设计与工艺调控的协同作用，从根源上重塑细胞的代谢网络，引导其形成稳定、高效的“低乳酸”甚至“乳酸转消耗”表型。这不仅是为了解决问题，更是为了释放CHO细胞的生产潜能，实现更高的细胞密度、更长的培养周期和更优的产品质量。本文将系统解析实现CHO细胞“低乳酸”表型的最新策略，为您提供从基因层面到工艺层面的完整路线图。

细胞工厂

一、 代谢工程：从根源重塑细胞代谢网络

代谢工程通过基因编辑技术直接改造细胞的代谢通路，是获得稳定“低乳酸”表型最根本的方法。近年来，相关研究已从单一基因敲除发展到对复杂代谢网络的系统性调控。

1. 颠覆性突破：消除“瓦伯格效应”

长期以来，人们认为CHO细胞即使在有氧条件下也优先进行糖酵解并产生乳酸（即瓦伯格效应），这是细胞快速增殖所必需的。然而，最新研究通过同时敲除乳酸脱氢酶（LDH）和丙酮酸脱氢酶激酶（PDKs），成功构建了“无瓦伯格效应”的CHO细胞系。这些工程化细胞几乎不产生乳酸，完全依赖高效的氧化磷酸化获取能量，同时保持了与野生型细胞相当的生长速度和蛋白生产能力，为生物制造带来了革命性变化。

2. 关键代谢节点的精准调控

除了上述系统性改造，针对特定代谢节点的工程化策略也卓有成效：

限制糖酵解入口：通过RNA干扰下调葡萄糖转运蛋白（如GLUT5）的表达，可降低葡萄糖摄取速率，从而减少乳酸生成。

分流丙酮酸：敲除将磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）转化为丙酮酸的丙酮酸激酶（PKM），或过表达将丙酮酸引入三羧酸循环（TCA）的丙酮酸羧化酶（PYC），都能有效促进丙酮酸进入线粒体氧化，减少其向乳酸的转化。

增强线粒体功能：过表达抗凋亡基因（如Bcl-2）​ 或苹果酸脱氢酶II，可以改善线粒体健康与功能，增强氧化代谢能力，从而减少乳酸积累并促进其后期消耗。

 细胞培养方瓶

二、 培养基设计：构建支持低乳酸代谢的营养环境

即使不进行基因改造，通过精心设计的培养基配方，也能显著引导细胞的代谢走向，抑制乳酸生成。

1. 碳源与氮源的战略管理

葡萄糖限制：这是最有效的手段之一。将培养体系中的残余葡萄糖浓度严格控制在0.5 - 5 g/L的低水平，可以迫使细胞更高效地利用葡萄糖，避免“溢流代谢”导致的乳酸大量产生。

碳源替代：使用代谢更缓慢的碳源部分或全部替代葡萄糖。半乳糖、果糖、麦芽糖等替代碳源能降低糖酵解通量，延缓乳酸积累，并常在培养后期诱导细胞重新利用已生成的乳酸。

谷氨酰胺调控：高浓度谷氨酰胺会通过谷氨酰胺分解途径贡献乳酸。降低其初始浓度（如从4-8 mM降至2-4 mM），或使用GlutaMAX（一种缓慢释放谷氨酰胺的二肽）替代，可以平稳提供氮源，显著降低乳酸和氨的积累。

2. 关键代谢辅因子与前体的补充

丙酮酸与α-酮戊二酸：直接补充丙酮酸（1-5 mM）​ 可以提高细胞内丙酮酸/乳酸比值，从化学平衡上抑制乳酸脱氢酶（LDH）催化的反应方向。补充α-酮戊二酸可作为TCA循环的中间物，回补代谢流。

微量元素与维生素：铜离子是细胞色素C氧化酶的辅因子，补充适量铜离子可增强线粒体电子传递链效率，促进氧化代谢，从而降低乳酸。维生素B1（硫胺素）和B2（核黄素）​ 分别是丙酮酸脱氢酶复合体和电子传递链的重要辅酶，其补充有助于葡萄糖的完全氧化。

高效摇瓶

三、 工艺调控：动态引导细胞代谢流向

精密的工艺控制能够实时响应细胞代谢状态，是连接细胞潜能与最终表现的关键桥梁。

1. 先进的补料策略

葡萄糖限制性流加：摒弃传统的批量补料，采用基于实时监测的动态流加策略，将葡萄糖浓度维持在亚抑制水平（如1-3 g/L）。这是降低乳酸积累最有效的工艺手段之一，可实现乳酸减少60-80%。

灌流培养：通过连续移除含乳酸等废物的培养上清并补充新鲜培养基，灌流工艺能始终将营养物和代谢废物维持在最佳水平，是实现超高细胞密度且低乳酸环境的终极解决方案。

2. 环境参数的优化

温度转换：在细胞指数生长期后（通常第3-5天），将培养温度从37°C降低至31-33°C，可以普遍降低细胞代谢速率，减少葡萄糖消耗和乳酸生成，同时延长培养周期并可能提高比生产率。

pH优化：将培养中后期的pH设定点从传统的6.8-6.9略微提高至7.0-7.1，可以抑制LDH活性，并创造更利于乳酸消耗的微环境。

溶氧控制：维持充足的溶氧（通常30-50%空气饱和度）至关重要，避免因缺氧而迫使细胞进行无氧糖酵解。

实现CHO细胞的“低乳酸”表型没有单一的银弹，而是代谢工程、培养基设计和工艺调控三者协同作用的结果。最成功的策略往往始于筛选或构建一个具有优良代谢基础的细胞株（如低LDH活性或高线粒体容量），然后为其量身定制一套营养配方（低糖、含替代碳源和关键代谢物），最后通过精密的工艺控制（如动态流加、温度转换）在整个培养过程中动态引导和维持这一理想的代谢状态。随着在线分析技术（如拉曼光谱）和过程分析技术（PAT）的普及，实时监测并反馈控制乳酸代谢已成为可能，标志着我们正从“经验驱动”迈向“数据驱动”的精准细胞培养时代。通过系统性地应用上述策略，开发者不仅能有效解决乳酸积累的难题，更能深度挖掘CHO细胞的生产潜力，为生物药的高效、稳健生产奠定坚实的代谢基础。