本文是一篇综述论文（类型b），作者为Fernando David Montalvo-Sandoval、Octavio T. Ramírez、Norma A. Valdez-Cruz和Mauricio A. Trujillo-Roldán，分别来自墨西哥国立自治大学的生物纳米技术系、生物化学科学研究生项目和生物技术研究所。该文发表于Biotechnology Advances期刊2026年第93卷，文章编号109009。论文题目为“Measuring hydrodynamic stress in mammalian cell culture across five decades: cellular responses and the need for mechanistic integration”，系统回顾了过去五十年哺乳动物细胞培养中流体力学应激（hydrodynamic stress, HS）的研究进展，重点探讨了细胞对该应激的致死性与亚致死性响应、测量方法的演变、规模缩小模型的局限性以及未来研究方向。

本文的核心论点是：尽管现代生物反应器已在很大程度上避免了由流体力学应激引起的灾难性细胞破裂，但亚致死性和适应性细胞响应已成为决定工艺性能的更关键且更未被充分理解的因素；当前研究面临的主要障碍之一，是灵敏度研究中施加的应力条件与工业生物反应器实际运行范围之间存在系统性脱节，且缺乏标准化的应力度量指标和能够准确再现当代生物工艺中中等但持续存在的流体力学环境的规模缩小模型。以下将分别阐述本文的四个主要观点。

主要观点一：流体力学应力的物理基础与表征参数体系已较为成熟，但单一参数不足以全面描述细胞所承受的机械环境。

文章首先从流体力学的基本理论出发，厘清了剪切应力（shear stress, τ）、能量耗散率（energy dissipation rate, ε）、平均能量耗散率（〈ε〉）、最大局部能量耗散率（εmax）和Kolmogorov微尺度（η）等核心概念。剪切应力被定义为单位面积上平行于表面的切向力，对于牛顿流体，其与剪切率成正比。在湍流体系中，机械能从叶轮通过能量级联传递给大尺度涡旋，并逐步传递至Taylor长度尺度和Kolmogorov微尺度，最终以黏性耗散形式转化为热量。Kolmogorov微尺度η由运动黏度和能量耗散率共同决定，当涡旋尺寸接近细胞尺寸（如CHO细胞约15 μm）时，可对细胞活力产生不利影响。文章引用了Kolmogorov于1941年提出的各向同性湍流理论及Richardson于1922年提出的能量级联概念作为理论支撑。同时指出，ε是描述流体运动的内在参数，不受流型限制，可通过速度梯度张量与动力黏度的点积计算。在搅拌罐生物反应器中，最大局部能量耗散率εmax通常为平均值〈ε〉的10至100倍，而实际引起悬浮动物细胞死亡的ε值可高达10⁴–10⁵ W kg⁻¹，远高于工业生物反应器中常见的10⁻²–10 W kg⁻¹。然而，文章也强调，尽管Kolmogorov微尺度、单位体积功率输入（P/V）和叶轮尖端速度等常被用作比较标准，但没有任何单一参数能定义普适的剪切应力阈值，因为细胞响应取决于应力的幅值、频率、持续时间以及细胞所处的生理和代谢状态。

主要观点二：致死性响应与亚致死性响应之间存在显著的能量阈值差异，亚致死性效应在工业相关应力范围内更为重要。

本文系统比较了1968年至2025年间报道的致死性与亚致死性响应数据，并将不同研究中报告的不同流体力学参数统一转换为τmax或εmax进行比较。对于仅报告〈ε〉的研究，采用φmax = 100（即εmax/〈ε〉的上限值）进行估算。结果显示，在层流条件下，坏死可在约0.5–5 Pa的剪切应力下发生，而在湍流环境中，坏死阈值可高达约100 Pa；在振荡或过渡性拉伸流条件下，细胞凋亡甚至可在低至约2 Pa的应力下被激活。相比之下，亚致死性响应——包括比生长速率下降、最大活细胞密度降低、生产力损失、细胞形态改变、细胞周期阻滞以及代谢转变——通常发生在显著低于致死阈值的应力水平。例如，多项研究表明，在〈ε〉低至0.4–0.525 W kg⁻¹的条件下即可观察到生产力下降和生长抑制，而这些值远低于致死所需的10⁴ W kg⁻¹量级。文章进一步指出，在标准流加培养条件下，工业细胞系的活力损失越来越多地归因于非凋亡性调控性细胞死亡途径（如parthanatos和ferroptosis），而非经典凋亡。支持这一观点的证据包括Mentlak等人于2024年的研究，该研究发现典型的凋亡信号（如caspase激活）通常需要较高的应力阈值。总体而言，本文通过跨研究的数据整合表明，亚致死性效应是工业生物反应器运行范围内更常见的细胞响应形式，因此应成为未来研究的重点。

主要观点三：测量方法与规模缩小策略经历了从简化层流装置到湍流生物反应器的演变，但标准化问题始终未得到解决。

本文回顾了流体力学应激研究方法的两个主要阶段。早期研究（约1960年代至1980年代）主要利用黏度计、平行板流动腔、毛细管和微流控装置等简化系统，研究在明确层流或拉伸流条件下细胞的固有敏感性。例如，Nevaril等人于1968年通过同心圆筒黏度计确定了人红细胞在250–300 Pa应力下开始形成碎片并发生溶血；Augenstein等人于1971年通过毛细管系统比较了HeLa S3和L929细胞的剪切敏感性差异。这些简化装置的优势在于应力场可通过数学解析精确描述，但其施加的应力条件往往远高于工业生物反应器的实际水平。第二阶段的研究逐渐转向利用台式搅拌罐生物反应器、振荡环路生物反应器、摇瓶和规模缩小模型来模拟工业规模下细胞所经历的真实应力环境。Neunstoecklin等人于2015年开发了3 L振荡环路生物反应器，确定了CHO和Sp2/0细胞的亚致死剪切应力阈值分别约为25–32 Pa和28 Pa；Sieck等人于2013和2014年利用4 L生物反应器揭示了搅拌与鼓泡对细胞的不同损伤机制。在规模缩小标准方面，文章重点讨论了φmax（εmax/〈ε〉比值）作为可扩展性判据的意义。Wernersson和Trägårdh于1999年提出将叶轮区和主体混合区视为不同区域，并指出φmax对于给定叶轮几何形状在跨尺度上近似恒定，因此保持恒定P/V放大时可近似保持εmax不变。然而，大型生物反应器具有更长的混合时间和更显著的空间异质性，细胞暴露于更复杂的时变应力模式，这要求更精细的规模缩小模型能够捕捉应力的间歇性和局部峰值事件。

主要观点四：流体力学应激对产品质量属性的影响整体有限，但特定条件下可观察到糖基化改变；保护性添加剂和三维细胞系统引入了新的复杂性。

关于产品质量，本文总结了多项研究的结果，指出流体力学应激对单克隆抗体糖基化模式、氧化水平和电荷异质性的影响通常并不显著。例如，Sieck等人于2014年发现，在搅拌、鼓泡及联合应激条件下，糖基化模式均未发生显著变化；Neunstoecklin等人于2015和2016年也报道了在高达83 Pa的应力下未观察到糖型谱的明显改变。然而，Senger和Karim于2003年报道了在Re_imp等于9.31×10³的条件下，CHO细胞产生的重组组织型纤溶酶原激活剂的聚糖占有率下降；Godoy-Silva等人于2009年报道了在〈ε〉超过6.0×10⁴ W m⁻³时糖型向更完全半乳糖基化的异构体转变。这些不一致的结果表明，糖基化对流体力学应激的响应具有细胞系依赖性和条件特异性。在保护性添加剂方面，Pluronic F-68（PF-68）被公认为最有效的剪切保护剂，其机制包括阻止细胞-气泡黏附、稳定泡沫层以及直接插入细胞膜增强细胞稳健性。Chalmers和Bavarian于1991年的显微观察研究为细胞-气泡黏附机制提供了直接证据；Chang等人于2017年的研究则提出PF-68的保护作用主要依赖于其在细胞膜界面的吸附而非气液界面的吸附。在微载体培养中，PF-68可能削弱细胞-微载体黏附而增加细胞脱落风险，如Bauer等人于2000年和Heathman等人于2018年所报道。此外，本文还专门讨论了三维细胞系统（如类器官、工程化组织和培养肉）中流体力学应激的特殊性。与单细胞悬浮培养不同，三维系统具有空间组织结构、细胞间连接网络和动态演化的力学特性，流体力学力不仅是活力约束因素，更是影响形态、稳定性、分化和放大可行性的结构决定因素。例如，在骨支架中，约0.015 Pa的最大剪切应力可促进成骨分化和基质沉积，而更宽的应力范围（0–0.052 Pa）则可诱导细胞骨架破坏和凋亡，说明了机械刺激窗口的狭窄性。

本文的学术价值在于通过跨时空的系统性回顾，明确指出现有研究在应力表征、规模缩小模型和亚致死响应机制方面的认识缺口，并呼吁建立标准化的应力度量体系和能够代表当代生物工艺实际流体力学环境的实验平台。其应用价值在于为生物制药工业中的生物反应器设计、工艺放大和细胞株工程化提供理论参考，帮助研究者将注意力从仅关注细胞存活转向更全面地优化细胞生理状态、代谢效率与产品质量。本文的突出之处在于其数据整合的广度——涵盖了从1968年至2025年近六十年的代表性研究——以及对致死性与亚致死性响应阈值的定量比较，为后续的机制整合研究提供了清晰的框架。