2022第十届上海国际生物发酵产品与技术装备展览会
2022年12月1-3日 上海新国际博览中心

从发酵转向细胞培养对工程师的挑战:动物细胞培养调节pH方法的启发

本文摘要

       pH的调控方法对动物细胞而言,比微生物要复杂的多;动物细胞的调控方式或许对微生物发酵工程师没有借鉴意义,但是当我们努力想象当年生物工程师面对动物细胞这个娇弱新物种时,一定是穷尽其所能,但是很失败,因为就连气泡的剪切力对细胞的影响都超过了工程师的想象。

当我们通过思想试验还原解决pH控制过程时,一定会有巨大的收获。本文结合微生物与动物细胞的不同以及多篇论文向大家介绍动物细胞培养过程中pH控制方法,希望对同行有所帮助,如果您觉得本文有价值,请分享到朋友圈,您的分享就是对本公号最大的支持,谢谢。

01、动物细胞pH控制方式的影响因素

     细胞体外培养的根本方法就是要无限接近模拟细胞生长或繁殖的体内环境。在生物反应器上要模拟体内环境达到细胞的自然生长,可以控制的参数主要有:pH 值、温度、溶氧(DO)、培养基的流变性、力学环境、场效应、以及其他营养物或代谢产物的浓度等。

// pH重要作用

    pH对于细胞以及生物体的稳态都很重要,维持着细胞的正常形态和功能,pH的剧烈变化(强酸、强碱)会使膜上的通道蛋白、转运蛋白以及信号通路蛋白等组分失去正常功能,导致细胞失去了选择性透过功能,细胞内外钠钾离子失衡。较大的pH梯度会引起蛋白质的功能基团中和并被降解,发生不可逆的破坏,启动凋亡机制。

// 传质影响调控方式的选择

    无论是何种方式的传质动力,当酸碱介质进到培养液的瞬间一定会产生梯度,以及局部微团,微团与周围环境的浓度差,在介质选择不当时,会影响细胞的正常生长,所以在动物细胞培养中不会选择梯度范围大的介质。如氢氧化钠,而可能会选择适中的碳酸氢钠,碳酸钠,氨基酸或者乳酸等。

    微生物与动物细胞对介质选择差异:

1、动物细胞和微生物对酸碱梯度的耐受不同;

2、细胞反应器和发酵罐相比,传质效率远远不如后者。

由于以上两个差异,因此发酵可以使用强酸(如浓硫酸),强碱(如氢氧化钠进行调控),而动物细胞培养却只能选择具有双重特性的生理酸和碱。

02、动物细胞pH控制方式

// 常见的pH控制方式

1、当pH下降后,通过加碳酸氢钠(弱碱性)进行调节pH。

2、当pH上升后,提高向罐内充入二氧化碳(弱酸性气体)比例,来增加培养液中的碳酸氢根离子的强度。

// pH调控方式影响消除

    二氧化碳浓度对很多细胞株有不同的抑制作用,所以上述调控方法,会增加培养液中二氧化碳的浓度,因此从这个结果判断,此刻pH属于耦合型变量。而对耦合型变量进行调控时,不得不考虑与其耦合的其他变量的变化。以下提供3种方式消除pH调控方法对二氧化碳含量的影响。

1、使用碳酸盐之外的缓冲体系。

2、使用碳酸钠替代碳酸氢钠,降低其使用量;

3、当二氧化碳浓度或离子强度超过一定量时通过灌注方法更换部分培养液;

4、空气比例调节法:通过空气、氮气、氧气和二氧化碳四气闭环控制来,维持培养环境pH在设定值。

// 空气比例调节法

MERCK公司开发的只用空气分布器通气来闭环反馈控制pH方法,形成了大型生物反应器的标准操作。实质上,该方法是用空气分布器通入不同气体从而控制pH。

当培养液pH高于设定值时,通入二氧化碳来降低pH至设定值;即当pH低于设定值时,空气分布器通入氮气或空气赶走培养液中的二氧化碳而提高pH值。这种反馈控制是基于高密度细胞培养条件下二氧化碳能显著影响培养液pH值的原理。

// 启发

如果之前没有接触,看到这里,对于微生物发酵工程师而言,用气体调节pH很新奇,这一方式对于微生物发酵调控是不可想象的,因为成本太高了,所以发酵工程师转向细胞工程师第一步就要突破成本对自己想象力的限制!

另外,一个重点就是微生物发酵工程师会被酸性和碱性介质的范围束缚,以为要么是固体,要么是液体,很难想到用气体。

从发酵工程师到细胞工程师还有哪些需要突破的地方,请大家留言讨论。

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文章来源:发酵人社区公众号,发酵展周彬13167144125整理发布

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