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

我們使用 PreSens 新型可高壓滅菌光學(xué)傳感器點以及新型 pH 探頭進行在線細胞培養(yǎng)監(jiān)測,。將光學(xué)測量值與梅特勒-托利多探頭的參考數(shù)據(jù)進行比較。在第一個實驗階段,，我們評估了連接到生物反應(yīng)器壁上的 pH 傳感器點的信號穩(wěn)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(cè)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(jiān)測和控制重要的培養(yǎng)參數(shù),，如 DO 和 pH 值是哺乳動物細胞培養(yǎng)的前提條件。不利的條件可能會損害生長,，甚至導(dǎo)致培養(yǎng)失敗,。因此，需要精確且長期穩(wěn)定的傳感器,，這些傳感器可以在生物反應(yīng)器中實施,。
光學(xué)傳感器可以制造成許多不同的傳感器設(shè)計和尺寸，因此在將它們集成到培養(yǎng)容器中時具有更大的靈活性,。雖然標(biāo)準(zhǔn)的 12 mm 不銹鋼探針必須通過端口插入生物反應(yīng)器中,，但光學(xué)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(yīng)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(fēng)險。光學(xué) pH 傳感器點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，我們評估了兩種不同的光學(xué) pH 傳感器設(shè)計,，用于攪拌罐式生物反應(yīng)器中的細胞培養(yǎng)監(jiān)測,。四個 LG1 型 pH 傳感器點連接到生物反應(yīng)器內(nèi)壁。其中一個點用于連續(xù)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(biāo)準(zhǔn)端口插入生物反應(yīng)器中。同時,，光學(xué)氧傳感器點和 O₂在這些實驗中評估了 PreSens 探針，結(jié)果在單獨的應(yīng)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(xué) pH 傳感器點 （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(xué)傳感器的反應(yīng)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(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） 將光纖檢測器固定在玻璃外側(cè)的一個點旁邊,，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(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 秒的間隔進行連續(xù)測量。

結(jié)果

圖 2 顯示了細胞培養(yǎng)中 15 天監(jiān)測期的 PreSens pH 測量值和參考數(shù)據(jù),。在這項研究中,，在接種前對 PreSens 斑點進行了單點調(diào)整。在研究的其余部分,，對控制系統(tǒng)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(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(fā)生在手動監(jiān)測點的每日讀數(shù)期間,。

圖 2：在 3 L 攪拌罐式生物反應(yīng)器中監(jiān)測細胞培養(yǎng),，該反應(yīng)器帶有光學(xué) 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(jiān)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(xù)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(xù)監(jiān)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(xù)監(jiān)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(shù)據(jù)表明,，pH 點對恒定的光照非常敏感。

圖 3：在 15 天的監(jiān)測期內(nèi),，光學(xué) 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(jiān)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(zhǔn),。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(yīng)器中監(jiān)測細胞培養(yǎng)：使用 PreSens 傳感器點（藍色）和原型探頭（橙色）進行光學(xué) 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(jié)論

我們對可高壓滅菌的光學(xué) 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(yǎng)中的 pH 值監(jiān)測,。當(dāng)探頭端口數(shù)量有，非侵入式傳感器點具有多種優(yōu)勢,?？梢栽谏锓磻?yīng)器的不同位置集成多個點，這可能會提供有關(guān)混合效應(yīng)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(xué) pH 探頭將連接到控制器和用于控制培養(yǎng) pH 值的信號,。