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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 探針進(jìn)行在線細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)測。將光學(xué)測量值與 Mettler-Toledo 探針的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在第一個實(shí)驗(yàn)階段，我們評估了附著在生物反應(yīng)器壁上的 pH 傳感器點(diǎn)的信號穩(wěn)定性、點(diǎn)間變異性和漂移。這些斑點(diǎn)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(shí)驗(yàn)階段側(cè)重于對 pH 探針的評估，這與 Mettler-Toledo 探針的趨勢也很好。

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(xì)胞培養(yǎng)的先決條件。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，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)容器中時提供了更大的靈活性。雖然標(biāo)準(zhǔn)的 12 毫米不銹鋼探針必須通過端口插入生物反應(yīng)器，但光學(xué)傳感器點(diǎn)相對要小得多，甚至可以集成到?jīng)]有可用探針端口的生物反應(yīng)器中。此外，這些斑點(diǎn)允許通過血管壁進(jìn)行非侵入性測量，從而顯著降低污染風(fēng)險(xiǎn)。雖然光學(xué) pH 傳感器點(diǎn)適用于可高壓滅菌的玻璃生物反應(yīng)器，但不銹鋼探頭也可用于可高壓滅菌的鋼發(fā)酵罐。在這項(xiàng)研究中，我們評估了兩種不同的光學(xué) pH 傳感器設(shè)計(jì)，用于在攪拌罐生物反應(yīng)器中監(jiān)測細(xì)胞培養(yǎng)。四個 LG1 型 pH 傳感器點(diǎn)連接到生物反應(yīng)器內(nèi)壁。其中一個點(diǎn)用于連續(xù)測量，而對其他三個點(diǎn)進(jìn)行日常檢查以確定點(diǎn)對點(diǎn)的變異性。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(diǎn)和一個 OPreSens 2探針在這些實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了評估，結(jié)果在單獨(dú)的應(yīng)用說明中進(jìn)行了描述。在未來的實(shí)驗(yàn)中，還將測試這些傳感器與控制器的適用性。

材料與方法

光學(xué) pH 傳感器點(diǎn) (SP-LG1) 附著在 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)器加熱套上切了一個孔，因此可以通過聚合物光纖從外部讀取傳感器點(diǎn)。對裝有光學(xué)傳感器的反應(yīng)器進(jìn)行高壓滅菌。傳感器點(diǎn)在接種 CHO 細(xì)胞系之前立即進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)。生物反應(yīng)器的 pH 值由 Applikon EZ 控制器控制，設(shè)定值為 7.00 ± 0.05。

圓形容器 (ARC) 的適配器用于將光纖檢測器固定在玻璃外側(cè)靠近一個點(diǎn)的位置，以便連續(xù)讀取。其他傳感器用于定期檢查以確定點(diǎn)到點(diǎn)的變異性和 15 天內(nèi)光漂白的影響。傳感器點(diǎn)連接到 pH-1 SMA LG1 pH 計(jì)，并使用 PreSens Measurement Studio 2 軟件控制測量。光學(xué)不銹鋼探頭通過蓋子上的標(biāo)準(zhǔn)端口插入生物反應(yīng)器（圖 1）。以 5 秒的間隔進(jìn)行連續(xù)測量。

結(jié)果

圖 2 顯示了細(xì)胞培養(yǎng)中 15 天監(jiān)測期的 PreSens pH 測量值和參考數(shù)據(jù)。對于這項(xiàng)研究，在接種前對 PreSens 點(diǎn)進(jìn)行了單點(diǎn)調(diào)整。在研究的其余部分，控制系統(tǒng)的 Mettler-Toledo 探針進(jìn)行了樣品校正，但 PreSens 斑點(diǎn)和第二個 Mettler-Toledo 探針未再次進(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。光學(xué)pH參考探針的讀數(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 測量值的峰值出現(xiàn)在手動監(jiān)測點(diǎn)的每日讀數(shù)期間。

圖 2：3 L 攪拌罐生物反應(yīng)器中的細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)測，帶有光學(xué) pH 傳感器點(diǎn)（藍(lán)色）和 Mettler-Toledo 探針（橙色用于控制，灰色用于監(jiān)測）。pH 點(diǎn)隨參考測量值變化趨勢。

在離線采樣期間每天一次，在三個非連續(xù)點(diǎn)之間手動移動光纜，以測試點(diǎn)到點(diǎn)的可變性和漂移。圖 3 顯示了 4 個點(diǎn)不同程度地漂移。點(diǎn) 1 是連續(xù)監(jiān)測點(diǎn)。點(diǎn) 2 放置在加熱夾套窗口中，使其在整個研究過程中都暴露在光線下。點(diǎn) 3 和 4 位于加熱夾套后面，光照有限。10 天后，連續(xù)監(jiān)測的點(diǎn)漂移約 - 0.1 pH 單位，到第 15 天漂移 - 0.2 pH 單位。光照點(diǎn)（點(diǎn) 2）漂移 - 0.3 pH 單位，*其他點(diǎn)。曝光有限的兩個點(diǎn)和第二個梅特勒-托利多探測器漂移最小。這些數(shù)據(jù)表明，pH 點(diǎn)對持續(xù)光照特別敏感。

圖 3：在 15 天的監(jiān)測期內(nèi)，光學(xué) pH 傳感器點(diǎn)與校正探頭的 pH 偏差。11 天后可觀察到 - 0.1 的 pH 值漂移。

在接下來的實(shí)驗(yàn)中，使用 PreSens 的 pH 傳感器點(diǎn)和原型 pH 探針進(jìn)行監(jiān)測，并與控制 Mettler-Toledo 探針進(jìn)行比較（圖 4）。PreSens pH 點(diǎn)和探針以及 Mettler-Toledo 探針每天進(jìn)行一次單點(diǎn)校準(zhǔn)。傳感器點(diǎn)和鋼探頭都與參考測量值一致。pH 探針顯示出更多的信號噪聲，原因可能是對氣泡的敏感性更高。

圖 4：3 L 攪拌罐生物反應(yīng)器中的細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)測：使用 PreSens 傳感器點(diǎn)（藍(lán)色）和原型探針（橙色）的光學(xué) pH 測量值與使用 Mettler-Toledo 探針（灰色）的參考測量值進(jìn)行比較。探頭和光斑都與參考測量值一致。

結(jié)論

我們對可高壓滅菌的光學(xué) pH 傳感器點(diǎn)和原型不銹鋼探針的評估表明，這些傳感器適用于哺乳動物細(xì)胞培養(yǎng)中的 pH 監(jiān)測。當(dāng)探針端口的數(shù)量有*，非侵入式傳感器點(diǎn)提供了幾個優(yōu)點(diǎn)。多個點(diǎn)可以集成在生物反應(yīng)器的不同位置，這可能會提供有關(guān)混合效果的更多信息。隨著時間的推移，傳感器僅顯示出最小的漂移，并與參考探頭一起呈現(xiàn)趨勢。但是，PreSens 傳感器確實(shí)存在信號噪聲和光敏性。在我們研究的下一階段，光學(xué) pH 探針將連接到控制器和用于控制培養(yǎng) pH 的信號