泡沫如何影响CHO细胞培养?有效控制策略大揭秘!

学术   2024-11-12 06:30   陕西  



在CHO细胞培养过程中,氧气、空气和二氧化碳的供应与调控至关重要,它们直接影响着细胞的生长、代谢以及目标产物的表达。然而,随着培养时间的增加,气体的利用效率可能降低,未被细胞充分利用的气体逸出液面,不仅导致资源浪费,还可能引发泡沫的产生。

泡沫现象在规模化生产中尤为显著,作为细胞培养过程中的重要副产物,它直接影响着培养的成功与否。因此,深入理解泡沫的产生机制,并开发出有效的测量和控制策略,对于保障CHO细胞培养过程的顺利进行至关重要。通过优化气体供应策略、调整培养条件,以及采用先进的泡沫检测和控制技术,可以有效减少泡沫的形成,提升培养过程的稳定性和产品的质量,从而确保规模化生产的成功。

CHO细胞中泡沫形成机制



在哺乳动物细胞培养过程中,空气、氧气或二氧化碳等气体通常通过鼓泡或机械搅拌引入培养基,产生小气泡。这些气泡由于表面张力的作用,在培养基中上升并聚集于液面,形成气液界面,最终在液面上形成泡沫层。随着培养的进行,培养液的表面张力发生变化,导致泡沫的稳定性降低并破裂(图1)。破裂后,在持续的气体输送和培养基成分的作用下,泡沫又迅速重新形成,形成反复的破裂与再生成循环。


图1 气泡破裂过程[1]


泡沫是由气体分散在液体中形成的多孔结构,在哺乳动物细胞培养过程中,其产生与液体的性质(表面张力、液体的黏度、粘弹性密度)、气体引入(气泡的生成速度、通气、搅拌)和培养基(成分、代谢产物)、培养环境相关。

培养基成分:CHO细胞培养基中含有大量的蛋白质、氨基酸和其他有机物质,这些物质具有表面活性,容易降低培养液的表面张力,导致气泡的形成和稳定,从而产生泡沫。此外,补料和消泡剂的加入可能进一步降低表面张力,促进泡沫的形成。

➤通气和搅拌:在CHO细胞的培养过程中,为了提供充足的氧气和均匀的营养物质分布,通常需要进行通气和搅拌。这些操作会在培养液中引入气泡,气泡在到达液面上方时,气泡的上部覆盖了一层薄液膜,即为泡沫。

➤细胞代谢产物:CHO细胞在生长过程中会产生一些代谢产物,如乳酸、氨等,这些物质同样可能具有表面活性,进一步促进泡沫的形成。

➤培养环境:CHO细胞培养通常在pH7.0-7.4之间进行,这一范围有助于细胞的最佳生长状态。然而,当pH值偏离这一范围时,表面活性物质的行为可能发生变化,导致气泡更稳定,从而增加泡沫的形成。此外,温度的变化也会影响泡沫的形成。通常,较高的温度会降低液体的粘度,使气泡更容易移动和聚集在液面上,从而形成泡沫。然而,过高的温度可能加速气泡破裂,因此需要根据具体的培养条件进行优化。



泡沫对CHO细胞培养的影响



●细胞生长性能:泡沫的形成可能增加培养液中的剪切力,尤其是在搅拌或气泡破裂时(破裂时产生的剪切力比细胞形成和上升时大100~1000倍),这可能导致CHO细胞膜的破损,进而影响细胞的活力和生长。此外,泡沫会在气液界面形成一层屏障,阻碍氧气从气相向液相的传递。这会导致培养液中的氧气浓度降低,进而影响CHO细胞的呼吸和代谢。


●细胞代谢:泡沫会直接影响CHO细胞的代谢活动,可能导致代谢通路的改变,从而影响细胞的产物表达水平和代谢产物的生成。此外,泡沫可能诱发CHO细胞的应激反应,增加乳酸积累,导致pH值下降,对细胞生长产生不利影响。。


●产品质量:泡沫中的蛋白质和其他表面活性物质可能会吸附目标产品,如抗体或蛋白质,随着泡沫的逸出而造成产品的损失。此外,泡沫还可能使产品纯化过程变得更加复杂,影响最终产品的纯度和质量。


●污染风险增加:泡沫的溢出现象可能导致外部污染物进入培养系统,尤其是在开放或半开放的培养环境中。这种情况可能导致整个培养批次的失败。



泡沫测量方法



泡沫的测量对于有效的控制至关重要。在CHO细胞培养中,目前常用的泡沫测量方法包括物理测量技术、自动成像技术和基于图像处理的泡沫检测。


▶物理测量技术:物理测量技术通过电容探针、压力传感器和光学传感器等手段,实时监测CHO细胞培养中的泡沫生成情况。电容探针通过测量泡沫与液体之间的电容差异,实时监测泡沫量,具有高灵敏度;压力传感器则通过感应反应器内的压力变化,间接评估泡沫的体积和密度,适用于高密度泡沫的检测;光学传感器利用光反射或透射变化,通常安装在液位上方,用于检测泡沫的高度和积累情况。这些技术可以有效监控泡沫的生成,帮助优化细胞培养过程。


▶自动成像与图像处理分析:自动成像技术利用摄像头或其他成像设备,实时捕捉培养过程中的泡沫图像,并通过图像处理软件量化泡沫的体积、密度和分布情况。该技术能够提供直观的可视化数据,并精确量化泡沫的生成和变化,适用于动态监测泡沫行为,有助于及时调整培养条件,从而优化工艺控制,确保培养过程的稳定性和产品质量。



CHO细胞培养中泡沫的控制策略



CHO细胞培养中的泡沫控制策略主要包括物理控制、化学控制、工艺优化三大类别。

表1 CHO细胞培养中泡沫的控制策略

策略类别

具体方法

物理控制法

1.安装自动化控制系统,实时监测泡沫的形成,有效提升工艺稳定。

2.在生物反应器中安装机械破泡装置,如旋转盘或桨叶,可以物理破坏泡沫,防止泡沫在反应器中积聚。

化学控制法

1.在培养过程中添加合适的消泡剂(硅酮基和有机聚合物类)和科学的添加方式进行消泡,有效控制泡沫生成。

工艺优化

1.对pH和温度、搅拌速度优化,可以有效减少泡沫的形成。

2.优化气体分布系统和通气方式,调整通气速率

3.调整基础和补料培养基的成分,改进补料策略



参考文献:

[1]Muralidharan N, Bolduc E, Davis M. Characterizing Oxygen Mass Transfer and Shear During Cell Culture Calculating the Maximum Cell Density Supported By a 20,000-Liter Stirred-Tank Bioreactor. Bioprocess International, 2024, 22(1-2). DOI:10.11648/abb.20241201.11.



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