哺乳动物细胞对剪切敏感，因为它们体积较大 (10 - 100 um) 并且缺乏保护性细胞壁。因此，生物反应器内微小的不利培养条件可能就是致命的，并可能迫使细胞凋亡或坏死。它还可以显示亚致死效应，例如倍增时间、细胞活性、氧摄取率、细胞形态、细胞特异性生产力的变化。
通气-搅拌方案的组合决定了生物反应器内的流体动力剪切。许多因素都会影响培养的剪切敏感性，这主要取决于细胞类型（自由悬浮/微载体）、罐类型、通气-搅拌、培养基配方、流体流动、细胞衰老和湍流暴露时间（停留时间）。
搅拌罐生物反应器中影响流体动力剪切的因素：
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罐类型：形状、高径比；
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通气：方法、鼓泡类型、通气频率、气体流速；
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搅拌：搅拌桨形状、搅拌类型、位置、轴上的搅拌桨数量；
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培养基组成：有/无血清、表面活性剂；
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流体动力：轴向/径向液流、涡流的形成；
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微载体悬浮培养：直径、密度、孔隙度。
哺乳动物细胞的流体动力损伤机制
搅拌桨类型、搅拌速度和通气模式（喷射/表面通气）的选择决定了传统搅拌罐生物反应器中的流体流动模式。通常，流体流动是湍流，雷诺数 (Re) ≥ 104，可使用以下公式计算：
Re = (ρNd2)/μ
其中 ρ 是流体的密度，N 是搅拌速度，d 是搅拌桨直径，μ 是流体粘度。
湍流涡流的形成是搅拌中流体的一个独特特征。搅拌中的流体所包含的湍流动能形成大型涡流，这些涡流分解成较小的涡流并将能量以热的形式耗散到流体中。这是从大涡流到小涡流的连续能量流，其中动能以微观尺度上最小涡流的形式转化为热能，称为 Kolmogorov 微尺度涡流 ()，计算公式为：
其中 𝜈 为运动粘度，ε 为单位质量搅拌流体的局部湍流能量耗散率，即局部能量耗散率（EDR）。Kolmogorov在1941年给出的各向同性湍流理论*，主张由搅拌桨引入流体的动能形成大涡流，这些涡流经历一系列涡流解体到最小规模，因此，在给定的湍流流体流动中，存在一系列涡流，其特征在于能量输入和热耗散并导致对细胞的流体动力剪切。对细胞的损伤主要通过两种机制发生。首先是细胞与搅拌桨附近高剪切区域中相同大小的湍流涡流的相互作用，其次通过与气液界面和鼓泡区域中的气泡的相互作用。比细胞大的涡流夹带细胞并使它们沿涡流方向移动。由于细胞膜的局部能量耗散，与细胞大小相似（或更小）的小型涡流是有害的。
*Kolmogorov 湍流理论是一组假设，即小尺度结构在统计上是均匀的、各向同性的，并且独立于大尺度结构。大尺度的能量来源是切变或对流。Kolmogorov 理论描述了能量如何从较大的涡流转移到较小的涡流；给定大小的涡流包含多少能量。
剪切应力
如前所述，哺乳动物细胞大而脆弱，缺乏保护性细胞壁。因此，生物反应器内微小的不利培养条件可能是致命的，并可能迫使细胞凋亡或坏死。它还可以显示亚致死效应，例如倍增时间、细胞活性、氧摄取率 (OUR)、细胞形态和细胞特异性生产力的变化。因此，防止细胞过早死亡已成为生物工艺中的核心问题。
各种因素，例如，由于缺乏必需营养素而导致的周围环境的变化、副产物的积累、高细胞密度下的氧气限制以及批次运行期间 pH 值、温度或渗透压的变化共同促成了整体细胞死亡。此外，由于搅拌桨搅动和气泡破裂引起的剪切效应也通过破坏细胞膜而显著导致细胞死亡。这些变化的条件会触发信号通路，从而推动细胞凋亡。细胞死亡途径主要有两种类型，即坏死和凋亡。
坏死
它被称为与 ATP 无关的被动细胞死亡。当暴露于外部压力时，细胞膜会表现出某些形态变化，例如肿胀、膜起泡、膜破裂和细胞裂解。这通常是由于批次循环中培养基的状况恶化引起的。这是由于过量的有毒代谢物的积累和营养物质的耗竭导致对细胞的毒性作用。除此之外，气泡破裂和机械损伤也会导致细胞膜完整性的破坏，从而增加细胞内物质的渗透性和释放。
凋亡
细胞凋亡是一种程序性细胞死亡，其在生物过程中，尤其是 CHO 细胞的细胞死亡中，起主要作用 (80%)。它是一种主动的细胞死亡形式，其中 ATP 被用于执行最终导致细胞死亡的过程（信号转导途径）。它主要表现为染色质浓缩、DNA 断裂和细胞收缩。细胞凋亡由两种途径触发，主要是含有半胱氨酸的天冬氨酸定向蛋白酶，称为半胱天冬酶，另一种是 BCL2 基因的表达，它包含几个调节凋亡细胞死亡的检查点。
可见，细胞培养是一个复杂的过程，为获得最佳的细胞培养性能，包括细胞密度和细胞活性，继而获得最佳的单位体积产物产量以及细胞特异性产量，需要综合考虑和优化多方面的因素。
参考文献：
A.W.Nienow, Hydrodynamics of Stirred Bioreactors, Appl. Mech. Rev., 1998, 51(1):3-32.
E.Kadic, T.J.Heindel, An Introduction to Bioreactor Hydrodynamics and Gas-Liquid Mass Transfer, 2014.
P.Malik, T.K.Mukherjee, Large-Scale Culture of Mammalian Cells for Various Industrial Purposes. Practical Approach to Mammalian Cell and Organ Culture, 2023.
