使用presens光學 pH 傳感器在攪拌罐式生物反應器中進行細胞培養監測

 

 

我們使用 PreSens 新型可高壓滅菌光學傳感器點以及新型 pH 探頭進行在線細胞培養監測。將光學測量值與梅特勒-托利多探頭的參考數據進行比較。在第一個實驗階段，我們評估了連接到生物反應器壁上的 pH 傳感器點的信號穩定性、點間變化和漂移。這些點與參考測量值呈趨勢，并且隨著時間的推移僅顯示出最小的漂移。第二個實驗階段側重于 pH 探頭的評估，該探頭與梅特勒-托利多探頭的趨勢也很好。

監測和控制重要的培養參數，如 DO 和 pH 值是哺乳動物細胞培養的前提條件。不利的條件可能會損害生長，甚至導致培養失敗。因此，需要精確且長期穩定的傳感器，這些傳感器可以在生物反應器中實施。
光學傳感器可以制造成許多不同的傳感器設計和尺寸，因此在將它們集成到培養容器中時具有更大的靈活性。雖然標準的 12 mm 不銹鋼探針必須通過端口插入生物反應器中，但光學傳感器點相對較小，甚至可以集成在沒有探針端口的生物反應器中。此外，這些點允許通過容器壁進行非侵入式測量，從而顯著降低污染風險。光學 pH 傳感器點適用于可高溫高壓滅菌的玻璃生物反應器，而不銹鋼探頭也可用于可高溫高壓滅菌的鋼制發酵罐。在本研究中，我們評估了兩種不同的光學 pH 傳感器設計，用于攪拌罐式生物反應器中的細胞培養監測。四個 LG1 型 pH 傳感器點連接到生物反應器內壁。其中一個點用于連續測量，而對其他三個點進行每日檢查以確定點間變異性。PreSens 的新型 12 mm pH 不銹鋼探頭通過標準端口插入生物反應器中。同時，光學氧傳感器點和 O₂在這些實驗中評估了 PreSens 探針，結果在單獨的應用說明中進行了描述。在未來的實驗中，還將測試這些傳感器與控制器的適用性。

材料和方法

將光學 pH 傳感器點 （SP-LG1） 連接到 3 L 玻璃生物反應器的內生物反應器壁上。在生物反應器熱套上切一個孔，以便可以通過聚合物光纖從外部讀取傳感器點。對裝有光學傳感器的反應器進行高壓滅菌。在接種 CHO 細胞系之前立即對傳感器點進行單點校準。使用 Applikon EZ 控制器控制生物反應器的 pH 值，設定值為 7.00 ± 0.05。
使用圓形容器適配器 （ARC） 將光纖檢測器固定在玻璃外側的一個點旁邊，以便連續讀取。其他傳感器用于定期檢查，以確定 15 天內的點間變異性和光漂白的影響。將傳感器點連接到 pH-1 SMA LG1 pH 計，并使用 PreSens Measurement Studio 2 軟件控制測量。通過蓋子上的標準端口將光學不銹鋼探針插入生物反應器中（圖 1）。以 5 秒的間隔進行連續測量。

結果

圖 2 顯示了細胞培養中 15 天監測期的 PreSens pH 測量值和參考數據。在這項研究中，在接種前對 PreSens 斑點進行了單點調整。在研究的其余部分，對控制系統的梅特勒-托利多探頭進行了樣品校正，但 PreSens 斑點和第二個梅特勒-托利多探頭沒有再次進行樣品校正。實驗應確定光學傳感器的性能和可能的漂移。參考探針的光學 pH 讀數趨勢良好，從第 11 天開始僅顯示出很小的漂移（圖 3）。在整個研究過程中，PreSens 測量中看到的峰值發生在手動監測點的每日讀數期間。

圖 2：在 3 L 攪拌罐式生物反應器中監測細胞培養，該反應器帶有光學 pH 傳感器點（藍色）和梅特勒-托利多探頭（橙色用于控制，灰色用于監測）。pH 點與參考測量值呈趨勢。

在離線采樣期間，每天一次，在三個非連續點之間手動移動光纜，以測試點間的變化和漂移。圖 3 顯示 4 個點在不同程度上漂移。點 1 是持續監測的點。點 2 放置在加熱夾套窗口中，使其可以在整個研究過程中暴露在光線下。點 3 和 4 位于加熱套后面，光照有限。10 天后，到第 15 天，連續監測點漂移約 - 0.1 pH 單位，漂移 - 0.2 pH 單位。曝光點（點 2）漂移 - 0.3 pH 單位，比所有其他點都多。兩個曝光受限的點和第二個梅特勒-托利多探頭的漂移最小。這些數據表明，pH 點對恒定的光照非常敏感。

圖 3：在 15 天的監測期內，光學 pH 傳感器點與校正探頭的 pH 值偏差。11 天后可以看到 -0.1 pH 的漂移。

在下面的實驗中，使用 PreSens 的 pH 傳感器點和 pH 探頭原型進行監測，并與對照梅特勒-托利多探頭進行比較（圖 4）。PreSens pH 點和探頭以及梅特勒-托利多探頭每天進行一次單點校準。傳感器點和鋼探針都與參考測量值呈趨勢。pH 探頭顯示信號噪聲較多，原因可能是對氣泡的敏感度較高。

圖 4：在 3 L 攪拌罐式生物反應器中監測細胞培養：使用 PreSens 傳感器點（藍色）和原型探頭（橙色）進行光學 pH 測量，與使用梅特勒-托利多探頭（灰色）的參考測量值進行比較。探頭和點都與參考測量值呈趨勢。

結論

我們對可高壓滅菌的光學 pH 傳感器點和原型不銹鋼探頭的評估表明，這些傳感器適用于哺乳動物細胞培養中的 pH 值監測。當探頭端口數量有，非侵入式傳感器點具有多種優勢。可以在生物反應器的不同位置集成多個點，這可能會提供有關混合效應的更多信息。隨著時間的推移，傳感器僅顯示最小的漂移，并且與參考探頭呈趨勢一致。但是，PreSens 傳感器確實具有信號噪聲和光敏性。在我們研究的下一階段，光學 pH 探頭將連接到控制器和用于控制培養 pH 值的信號。