Presens pH 传感器的搅拌罐生物反应器中的细胞培养监测

我们使用 PreSens 新型可高压灭菌光学传感器点以及新型 pH 探针进行在线细胞培养监测。将光学测量值与 Mettler-Toledo 探针的参考数据进行比较。在第一个实验阶段，我们评估了附着在生物反应器壁上的 pH 传感器点的信号稳定性、点间变异性和漂移。这些斑点与参考测量值呈趋势，并且随着时间的推移仅显示出最小的漂移。第二个实验阶段侧重于对 pH 探针的评估，这与 Mettler-Toledo 探针的趋势也很好。

监测和控制重要的培养参数，如 DO 和 pH 值是哺乳动物细胞培养的先决条件。不利的条件可能会损害生长甚至导致培养失败。因此，需要精确且长期稳定的传感器，可以在生物反应器中实施。

光学传感器可以制造成许多不同的传感器设计和尺寸，因此在将它们集成到培养容器中时提供了更大的灵活性。虽然标准的 12 毫米不锈钢探针必须通过端口插入生物反应器，但光学传感器点相对要小得多，甚至可以集成到没有可用探针端口的生物反应器中。此外，这些斑点允许通过血管壁进行非侵入性测量，从而显着降低污染风险。虽然光学 pH 传感器点适用于可高压灭菌的玻璃生物反应器，但不锈钢探头也可用于可高压灭菌的钢发酵罐。在这项研究中，我们评估了两种不同的光学 pH 传感器设计，用于在搅拌罐生物反应器中监测细胞培养。四个 LG1 型 pH 传感器点连接到生物反应器内壁。其中一个点用于连续测量，而对其他三个点进行日常检查以确定点对点的变异性。PreSens 的新型 12 mm pH 不锈钢探头通过标准端口插入生物反应器中。同时，光学氧传感器点和一个 OPreSens 2探针在这些实验中进行了评估，结果在单独的应用说明中进行了描述。在未来的实验中，还将测试这些传感器与控制器的适用性。

材料与方法

光学 pH 传感器点 (SP-LG1) 附着在 3 L 玻璃生物反应器的内生物反应器壁上。在生物反应器加热套上切了一个孔，因此可以通过聚合物光纤从外部读取传感器点。对装有光学传感器的反应器进行高压灭菌。传感器点在接种 CHO 细胞系之前立即进行单点校准。生物反应器的 pH 值由 Applikon EZ 控制器控制，设定值为 7.00 ± 0.05。

圆形容器 (ARC) 的适配器用于将光纤检测器固定在玻璃外侧靠近一个点的位置，以便连续读取。其他传感器用于定期检查以确定点到点的变异性和 15 天内光漂白的影响。传感器点连接到 pH-1 SMA LG1 pH 计，并使用 PreSens Measurement Studio 2 软件控制测量。光学不锈钢探头通过盖子上的标准端口插入生物反应器（图 1）。以 5 秒的间隔进行连续测量。

结果

图 2 显示了细胞培养中 15 天监测期的 PreSens pH 测量值和参考数据。对于这项研究，在接种前对 PreSens 点进行了单点调整。在研究的其余部分，控制系统的 Mettler-Toledo 探针进行了样品校正，但 PreSens 斑点和第二个 Mettler-Toledo 探针未再次进行样品校正。实验应确定光学传感器的性能和可能的漂移。光学pH参考探针的读数趋势良好，从第 11 天开始仅显示出很小的漂移（图 3）。在整个研究过程中，PreSens 测量值的峰值出现在手动监测点的每日读数期间。

图 2：3 L 搅拌罐生物反应器中的细胞培养监测，带有光学 pH 传感器点（蓝色）和 Mettler-Toledo 探针（橙色用于控制，灰色用于监测）。pH 点随参考测量值变化趋势。

在离线采样期间每天一次，在三个非连续点之间手动移动光缆，以测试点到点的可变性和漂移。图 3 显示了 4 个点不同程度地漂移。点 1 是连续监测点。点 2 放置在加热夹套窗口中，使其在整个研究过程中都暴露在光线下。点 3 和 4 位于加热夹套后面，光照有限。10 天后，连续监测的点漂移约 - 0.1 pH 单位，到第 15 天漂移 - 0.2 pH 单位。光照点（点 2）漂移 - 0.3 pH 单位，*其他点。曝光有限的两个点和第二个梅特勒-托利多探测器漂移最小。这些数据表明，pH 点对持续光照特别敏感。

图 3：在 15 天的监测期内，光学 pH 传感器点与校正探头的 pH 偏差。11 天后可观察到 - 0.1 的 pH 值漂移。

在接下来的实验中，使用 PreSens 的 pH 传感器点和原型 pH 探针进行监测，并与控制 Mettler-Toledo 探针进行比较（图 4）。PreSens pH 点和探针以及 Mettler-Toledo 探针每天进行一次单点校准。传感器点和钢探头都与参考测量值一致。pH 探针显示出更多的信号噪声，原因可能是对气泡的敏感性更高。

图 4：3 L 搅拌罐生物反应器中的细胞培养监测：使用 PreSens 传感器点（蓝色）和原型探针（橙色）的光学 pH 测量值与使用 Mettler-Toledo 探针（灰色）的参考测量值进行比较。探头和光斑都与参考测量值一致。

结论

我们对可高压灭菌的光学 pH 传感器点和原型不锈钢探针的评估表明，这些传感器适用于哺乳动物细胞培养中的 pH 监测。当探针端口的数量有*，非侵入式传感器点提供了几个优点。多个点可以集成在生物反应器的不同位置，这可能会提供有关混合效果的更多信息。随着时间的推移，传感器仅显示出最小的漂移，并与参考探头一起呈现趋势。但是，PreSens 传感器确实存在信号噪声和光敏性。在我们研究的下一阶段，光学 pH 探针将连接到控制器和用于控制培养 pH 的信号