使用presens光学 pH 传感器在搅拌罐式生物反应器中进行细胞培养监测

我们使用 PreSens 新型可高压灭菌光学传感器点以及新型 pH 探头进行在线细胞培养监测。将光学测量值与梅特勒-托利多探头的参考数据进行比较。在一实验阶段，我们评估了连接到生物反应器壁上的 pH 传感器点的信号稳定性、点间变化和漂移。这些点与参考测量值呈趋势，并且随着时间的推移仅显示出*小的漂移。第二个实验阶段侧重于 pH 探头的评估，该探头与梅特勒-托利多探头的趋势也很好。

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前提条件。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，这些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具有更大的灵活性。虽然标准的 12 mm 不锈钢探针必须通过端口插入生物反应器中，但光学传感器点相对较小，甚至可以集成在没有探针端口的生物反应器中。此外，这些点允许通过容器壁进行非侵入式测量，从而显著降低污染风险。光学 pH 传感器点适用于可高温高压灭菌的玻璃生物反应器，而不锈钢探头也可用于可高温高压灭菌的钢制发酵罐。在本研究中，我们评估了两种不同的光学 pH 传感器设计，用于搅拌罐式生物反应器中的细胞培养监测。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每日检查以确定点间变异性。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 O₂在这些实验中评估了 PreSens 探针，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。

材料和方法

将光学 pH 传感器点 （SP-LG1） 连接到 3 L 玻璃生物反应器的内生物反应器壁上。在生物反应器热套上切一个孔，以便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。在接种 CHO 细胞系之前立即对传感器点进行单点校准。使用 Applikon EZ 控制器控制生物反应器的 pH 值，设定值为 7.00 ± 0.05。
使用圆形容器适配器 （ARC） 将光纤检测器固定在玻璃外侧的一个点旁边，以便连续读取。其他传感器用于定期检查，以确定 15 天内的点间变异性和光漂白的影响。将传感器点连接到 pH-1 SMA LG1 pH 计，并使用 PreSens Measurement Studio 2 软件控制测量。通过盖子上的标准端口将光学不锈钢探针插入生物反应器中（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。在这项研究中，在接种前对 PreSens 斑点进行了单点调整。在研究的其余部分，对控制系统的梅特勒-托利多探头进行了样品校正，但 PreSens 斑点和第二个梅特勒-托利多探头没有再次进行样品校正。实验应确定光学传感器的性能和可能的漂移。参考探针的光学 pH 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 测量中看到的峰值发生在手动监测点的每日读数期间。

图 2：在 3 L 搅拌罐式生物反应器中监测细胞培养，该反应器带有光学 pH 传感器点（蓝色）和梅特勒-托利多探头（橙色用于控制，灰色用于监测）。pH 点与参考测量值呈趋势。

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，以测试点间的变化和漂移。图 3 显示 4 个点在不同程度上漂移。点 1 是持续监测的点。点 2 放置在加热夹套窗口中，使其可以在整个研究过程中暴露在光线下。点 3 和 4 位于加热套后面，光照有限。10 天后，到第 15 天，连续监测点漂移约 - 0.1 pH 单位，漂移 - 0.2 pH 单位。曝光点（点 2）漂移 - 0.3 pH 单位，比所有其他点都多。两个曝光受限的点和第二个梅特勒-托利多探头的漂移*小。这些数据表明，pH 点对恒定的光照非常敏感。

图 3：在 15 天的监测期内，光学 pH 传感器点与校正探头的 pH 值偏差。11 天后可以看到 -0.1 pH 的漂移。

在下面的实验中，使用 PreSens 的 pH 传感器点和 pH 探头原型进行监测，并与对照梅特勒-托利多探头进行比较（图 4）。PreSens pH 点和探头以及梅特勒-托利多探头每天进行一次单点校准。传感器点和钢探针都与参考测量值呈趋势。pH 探头显示信号噪声较多，原因可能是对气泡的敏感度较高。

图 4：在 3 L 搅拌罐式生物反应器中监测细胞培养：使用 PreSens 传感器点（蓝色）和原型探头（橙色）进行光学 pH 测量，与使用梅特勒-托利多探头（灰色）的参考测量值进行比较。探头和点都与参考测量值呈趋势。

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头的评估表明，这些传感器适用于哺乳动物细胞培养中的 pH 值监测。当探头端口数量有，非侵入式传感器点具有多种优势。可以在生物反应器的不同位置集成多个点，这可能会提供有关混合效应的更多信息。随着时间的推移，传感器仅显示*小的漂移，并且与参考探头呈趋势一致。但是，PreSens 传感器确实具有信号噪声和光敏性。在我们研究的下一阶段，光学 pH 探头将连接到控制器和用于控制培养 pH 值的信号。