一、概述
理论、实验和模拟是解决未来科学和生物医学挑战的三大支柱。将预测生物分子结构、细胞动力学和功能的工具可以与基于实际研发工作相结合，不仅可以找到解决方案还能探究其机制。
通过基因工程合理设计CHO细胞，延长细胞寿命是提高产品浓度滴度的有效途径。基于Bayesian inference的方法将CHO细胞凋亡抽象简化定义为一阶延迟衰减状态，并将该数学模型以CRISPR基因编辑技术构建的BCL-2效应蛋白（Bak1、Bax、Box）敲除细胞中进行实验验证。验证结果KO Bak1、KO Bax协同具有强抗凋亡能力，而KO Bok 没有显著影响。对BCL-2效应蛋白的研究对细胞培养工艺开发至关重要，特别是目前灌流培养技术越来越受到追捧的当下。
二、 基于Bayesian inference推导的数学模型
细胞从正常生长复制状态转变到细胞凋亡是一个多步骤协调的过程，研究用抽象模型的方式将活细胞分为三种状态，并以这三种状态来描述细胞凋亡的动力学过程。活细胞群可以在这三种状态之间转换，活细胞总数定义为VCD（t）=R（t）+ Qa（t）+ Qc（t），被认为是这三种状态的总和。这个延迟微分方程模型模拟了细胞过渡的完整状态。不同的解析解用于模型拟合活细胞密度数据。
凋亡程序涉及大量步骤，将其定义为延迟状态即一阶衰减。R细胞以特定的生长速率（以μ表示）指数分裂，并以特定的常数系数kq速率消失于静止状态。τD：将细胞保持在Qa一段时间来实现的，然后将其移动到Qc，从该状态以特定的常数系数kd速率发生死亡（Figure 1）。
三、 CHO细胞中敲除Bak1、Bax、Bok基因验证建模结果
商业化的CHO细胞敲除BFP三种蛋白质（Bak、Bax 和 Bok），共存在7种不同的基因敲除型组合，C(3|3)+ C(3|2)+ C(3|1)，对照组为空载质粒转染的细胞。
在不同基因型的敲除细胞中（Figure 2），都可以观察到刚刚进行细胞毒素处理时细胞存在延迟死亡状态，停滞并没有立即发生而是细胞维持正常生长后约24小时。且不同基因型间下降速率存在明显差异，但puromycin处理的KO-bok和sodium butyrate处理的bok的除外。含有KO-bak1和KO-bax基因型的细胞生长停滞状态较轻，且能够在细胞死亡前表现出较高的活细胞密度及较长的细胞培养时间。由此得出结论KO-Bok对于CHO细胞抗凋亡功能无正相关，KO-Bak、KO-Bax可以提高CHO细胞的抗凋亡功能，KO-Bak、KO-Bax联用比单独敲除其中某一基因效果更加显著。以上研究结果与模型理论计算结果一致。
四、生物过程中高滴度蛋白质生产的应激反应模型实验
内质网应激（Endoplasmic reticulum stress, ER），是细胞为应对内质网内错误折叠与未折叠蛋白聚集以及钙离子平衡紊乱等状况，而激活未折叠蛋白反应、内质网超负荷反应和 caspase-12 介导的凋亡通路等信号途径的反应过程。使用tunicamycin和brefeldin A模拟内质网应激导致的细胞凋亡情况。在KO-bak1、KO-bax基因型和KO-bak1、KO-bax、KO-bok基因型中，活细胞密度较高且能够维持较长的细胞培养时长，但单一KO-bok的细胞株表现与对照细胞系相似，呈现明显凋亡状态。
对KO-bok基因型效应进行建模结果同样显示，无论在tunicamycin或brefeldin A处理下KO-bok基因对LOO分数影响不大。细胞受到内质网应激是，KO-bok单独作用或与其他效应蛋白联用时，都不会产生延长细胞存活时间或降低死亡率效应。但KO-bak1和KO-bax的作用效果十分显著（Figure 3）。以上研究结果与模型理论计算结果一致。
五、结语
凋亡是一个多步骤协调的过程，研究用抽象模型描述了这种复杂的细胞动力学过程。通过实验验证及理论推到均可得KO-Bak1和KO-Bax能够延迟细胞死亡；KO-Bok对CHO细胞培养没有任何影响。数学模型预测及实验结果显示，细胞凋亡的发生不仅不是离散的而且可能是可逆的。细胞凋亡发生的延迟研究可能对抗体生产的灌注反应提供问题解决的新思路。
