使用presens光學(xué) pH 傳感器在攪拌罐式生物反應(yīng)器中進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)測(cè)

我們使用 PreSens 新型可高壓滅菌光學(xué)傳感器點(diǎn)以及新型 pH 探頭進(jìn)行在線(xiàn)細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)測(cè)。將光學(xué)測(cè)量值與梅特勒-托利多探頭的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，我們?cè)u(píng)估了連接到生物反應(yīng)器壁上的 pH 傳感器點(diǎn)的信號(hào)穩(wěn)定性、點(diǎn)間變化和漂移。這些點(diǎn)與參考測(cè)量值呈趨勢(shì)，并且隨著時(shí)間的推移僅顯示出最小的漂移。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)階段側(cè)重于 pH 探頭的評(píng)估，該探頭與梅特勒-托利多探頭的趨勢(shì)也很好。

監(jiān)測(cè)和控制重要的培養(yǎng)參數(shù)，如 DO 和 pH 值是哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的前提條件。不利的條件可能會(huì)損害生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致培養(yǎng)失敗。因此，需要精確且長(zhǎng)期穩(wěn)定的傳感器，這些傳感器可以在生物反應(yīng)器中實(shí)施。
光學(xué)傳感器可以制造成許多不同的傳感器設(shè)計(jì)和尺寸，因此在將它們集成到培養(yǎng)容器中時(shí)具有更大的靈活性。雖然標(biāo)準(zhǔn)的 12 mm 不銹鋼探針必須通過(guò)端口插入生物反應(yīng)器中，但光學(xué)傳感器點(diǎn)相對(duì)較小，甚至可以集成在沒(méi)有探針端口的生物反應(yīng)器中。此外，這些點(diǎn)允許通過(guò)容器壁進(jìn)行非侵入式測(cè)量，從而顯著降低污染風(fēng)險(xiǎn)。光學(xué) pH 傳感器點(diǎn)適用于可高溫高壓滅菌的玻璃生物反應(yīng)器，而不銹鋼探頭也可用于可高溫高壓滅菌的鋼制發(fā)酵罐。在本研究中，我們?cè)u(píng)估了兩種不同的光學(xué) pH 傳感器設(shè)計(jì)，用于攪拌罐式生物反應(yīng)器中的細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)測(cè)。四個(gè) LG1 型 pH 傳感器點(diǎn)連接到生物反應(yīng)器內(nèi)壁。其中一個(gè)點(diǎn)用于連續(xù)測(cè)量，而對(duì)其他三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行每日檢查以確定點(diǎn)間變異性。PreSens 的新型 12 mm pH 不銹鋼探頭通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)端口插入生物反應(yīng)器中。同時(shí)，光學(xué)氧傳感器點(diǎn)和 O₂在這些實(shí)驗(yàn)中評(píng)估了 PreSens 探針，結(jié)果在單獨(dú)的應(yīng)用說(shuō)明中進(jìn)行了描述。在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，還將測(cè)試這些傳感器與控制器的適用性。

材料和方法

將光學(xué) pH 傳感器點(diǎn) （SP-LG1） 連接到 3 L 玻璃生物反應(yīng)器的內(nèi)生物反應(yīng)器壁上。在生物反應(yīng)器熱套上切一個(gè)孔，以便可以通過(guò)聚合物光纖從外部讀取傳感器點(diǎn)。對(duì)裝有光學(xué)傳感器的反應(yīng)器進(jìn)行高壓滅菌。在接種 CHO 細(xì)胞系之前立即對(duì)傳感器點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)。使用 Applikon EZ 控制器控制生物反應(yīng)器的 pH 值，設(shè)定值為 7.00 ± 0.05。
使用圓形容器適配器 （ARC） 將光纖檢測(cè)器固定在玻璃外側(cè)的一個(gè)點(diǎn)旁邊，以便連續(xù)讀取。其他傳感器用于定期檢查，以確定 15 天內(nèi)的點(diǎn)間變異性和光漂白的影響。將傳感器點(diǎn)連接到 pH-1 SMA LG1 pH 計(jì)，并使用 PreSens Measurement Studio 2 軟件控制測(cè)量。通過(guò)蓋子上的標(biāo)準(zhǔn)端口將光學(xué)不銹鋼探針插入生物反應(yīng)器中（圖 1）。以 5 秒的間隔進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。

結(jié)果

圖 2 顯示了細(xì)胞培養(yǎng)中 15 天監(jiān)測(cè)期的 PreSens pH 測(cè)量值和參考數(shù)據(jù)。在這項(xiàng)研究中，在接種前對(duì) PreSens 斑點(diǎn)進(jìn)行了單點(diǎn)調(diào)整。在研究的其余部分，對(duì)控制系統(tǒng)的梅特勒-托利多探頭進(jìn)行了樣品校正，但 PreSens 斑點(diǎn)和第二個(gè)梅特勒-托利多探頭沒(méi)有再次進(jìn)行樣品校正。實(shí)驗(yàn)應(yīng)確定光學(xué)傳感器的性能和可能的漂移。參考探針的光學(xué) pH 讀數(shù)趨勢(shì)良好，從第 11 天開(kāi)始僅顯示出很小的漂移（圖 3）。在整個(gè)研究過(guò)程中，PreSens 測(cè)量中看到的峰值發(fā)生在手動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的每日讀數(shù)期間。

圖 2：在 3 L 攪拌罐式生物反應(yīng)器中監(jiān)測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)，該反應(yīng)器帶有光學(xué) pH 傳感器點(diǎn)（藍(lán)色）和梅特勒-托利多探頭（橙色用于控制，灰色用于監(jiān)測(cè)）。pH 點(diǎn)與參考測(cè)量值呈趨勢(shì)。

在離線(xiàn)采樣期間，每天一次，在三個(gè)非連續(xù)點(diǎn)之間手動(dòng)移動(dòng)光纜，以測(cè)試點(diǎn)間的變化和漂移。圖 3 顯示 4 個(gè)點(diǎn)在不同程度上漂移。點(diǎn) 1 是持續(xù)監(jiān)測(cè)的點(diǎn)。點(diǎn) 2 放置在加熱夾套窗口中，使其可以在整個(gè)研究過(guò)程中暴露在光線(xiàn)下。點(diǎn) 3 和 4 位于加熱套后面，光照有限。10 天后，到第 15 天，連續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)漂移約 - 0.1 pH 單位，漂移 - 0.2 pH 單位。曝光點(diǎn)（點(diǎn) 2）漂移 - 0.3 pH 單位，比所有其他點(diǎn)都多。兩個(gè)曝光受限的點(diǎn)和第二個(gè)梅特勒-托利多探頭的漂移最小。這些數(shù)據(jù)表明，pH 點(diǎn)對(duì)恒定的光照非常敏感。

圖 3：在 15 天的監(jiān)測(cè)期內(nèi)，光學(xué) pH 傳感器點(diǎn)與校正探頭的 pH 值偏差。11 天后可以看到 -0.1 pH 的漂移。

在下面的實(shí)驗(yàn)中，使用 PreSens 的 pH 傳感器點(diǎn)和 pH 探頭原型進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與對(duì)照梅特勒-托利多探頭進(jìn)行比較（圖 4）。PreSens pH 點(diǎn)和探頭以及梅特勒-托利多探頭每天進(jìn)行一次單點(diǎn)校準(zhǔn)。傳感器點(diǎn)和鋼探針都與參考測(cè)量值呈趨勢(shì)。pH 探頭顯示信號(hào)噪聲較多，原因可能是對(duì)氣泡的敏感度較高。

圖 4：在 3 L 攪拌罐式生物反應(yīng)器中監(jiān)測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)：使用 PreSens 傳感器點(diǎn)（藍(lán)色）和原型探頭（橙色）進(jìn)行光學(xué) pH 測(cè)量，與使用梅特勒-托利多探頭（灰色）的參考測(cè)量值進(jìn)行比較。探頭和點(diǎn)都與參考測(cè)量值呈趨勢(shì)。

結(jié)論

我們對(duì)可高壓滅菌的光學(xué) pH 傳感器點(diǎn)和原型不銹鋼探頭的評(píng)估表明，這些傳感器適用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)中的 pH 值監(jiān)測(cè)。當(dāng)探頭端口數(shù)量有，非侵入式傳感器點(diǎn)具有多種優(yōu)勢(shì)?？梢栽谏锓磻?yīng)器的不同位置集成多個(gè)點(diǎn)，這可能會(huì)提供有關(guān)混合效應(yīng)的更多信息。隨著時(shí)間的推移，傳感器僅顯示最小的漂移，并且與參考探頭呈趨勢(shì)一致。但是，PreSens 傳感器確實(shí)具有信號(hào)噪聲和光敏性。在我們研究的下一階段，光學(xué) pH 探頭將連接到控制器和用于控制培養(yǎng) pH 值的信號(hào)。