BlueSens初始葡萄糖浓度对细胞培养过程摄氧率的影响

研究目的

本研究以比摄氧率（qOUR）和比乳酸消耗速率（qLac）为指标，探究初始葡萄糖浓度对细胞代谢活性的影响。为计算qOUR，采用BlueSens尾气分析仪获取可靠的尾气检测数据。

qOUR测量原理

利用进气与出气气流中的氧气摩尔分数（yO2），通过总物料衡算计算qOUR。采用BlueSens公司BlueVary多参数尾气分析仪，对细胞培养生物反应器的尾气组分进行定量检测。具体流程与基础计算见图1。

yO2​	气流中氧气的体积分数
G	气体体积流量
XV​	活细胞密度
VL​	生物反应器内液相工作体积

图1：采用气体分析仪计算qOUR的工作流程

结果和讨论

通过尾气检测定量qOUR，研究两种不同初始葡萄糖浓度对细胞代谢活性的影响。同时对比了指数生长期比生长速率（μexp）、比乳酸消耗速率（qLac）以及抗体比生产速率（qmAb）。

 

图 2：初始葡萄糖浓度 20 mmol・l^-1 与 40 mmol・l^-1 条件下 CHO 分批培养各比速率对比，A：最大比摄氧率；B：0‑72 h 比生长速率；C：乳酸消耗阶段的比乳酸摄取速率（取平均值，t＞90 h）；D：比生产速率（全部测量值取平均）。工作体积：200 ml；温度：37℃；搅拌转速：400‑800 rpm。双尾独立样本 t 检验：* 代表差异显著 (p＜0.05)，** 代表差异极显著 (p＜0.001)。

图 2A 结果表明，初始葡萄糖 20 mmol・l^-1 培养组的最大比摄氧率 qOUR,max = 5.6 pmol cell^-1 h^-1，高出另一组 4 倍，代表细胞代谢活性更高。该差异无法从相近的生长速率（图 2B）体现，只能依靠尾气检测与 qOUR 计算才能发现。初始葡萄糖 20 mmol・l^-1 组细胞摄取乳酸的能力也更强（图 2C，qLac,avg = 0.06 pmol cell^-1 h^-1），有助于缓解高乳酸带来的毒害效应 [1]。图 2D 显示两种初始葡萄糖浓度下，平均抗体比生产速率 qmAb,avg = 0.23 pg cell^-1 h^-1，与已有文献结果相当 [2,3]，说明降低初始葡萄糖浓度不会带来负面影响。

培养方法

采用CHO细胞开展两组不同初始葡萄糖浓度的分批培养，20 mmol·l^-1（n=3）与40 mmol·l^-1（n=3）。培养初期仅进行顶空通空气，直至溶氧下降至40%；之后通过环形分布器通入纯氧，同时保留顶空通气，将溶氧维持在40±1%。qOUR按照前文所述方法计算。

结论

借助BlueSens尾气分析仪明确了初始葡萄糖浓度对细胞代谢活性带来的影响。

· 简化的尾气分析技术助力基于机理的工艺开发

· 较低初始葡萄糖条件下，可观测到更高的qOUR,max

· 初始葡萄糖浓度更低时，细胞摄取乳酸的活性更强