【前沿访谈】都柏林理工学院博士浅谈如何使用赛默飞台式生物反应器监测 O₂ 和 CO₂

本次采访嘉宾简介

Patrick Floris 博士

爱尔兰国家生物工艺研究培训所（NIBRT）表征和可比性实验室

Floris 博士在都柏林理工学院获得荣誉化学理学士学位，在都柏林城市大学获得博士学位，专注于开发纳米材料功能化的整体固定相，用于微催化和毛细管液相色谱分析。他于 2015 年入职 NIBRT 表征和可比性实验室，使用液质联用法对工业细胞培养基进行表征，以监测过程变异源。在NIBRT，他进一步整合新型PAT方法，以实时监测和表征哺乳动物细胞培养过程。

在本次采访中，Patrick Floris 博士向 AZoM 介绍了细胞培养实验，以及尾气分析在 Thermo Fisher 与 NIBRT 表征和可比性实验室开展的合作研究中的作用。

Q1：能否概述一下您的细胞培养研究实验，特别是您发表的文章中提到的实验？

Floris 博士：相关发表文章中讨论了使用 CHO-K1 宿主的典型哺乳动物细胞培养过程。

我们的目标是以这些过程为模板，评估多种 PAT 和较新技术（例如 Thermo Fisher 的扫描磁扇式质谱分析技术）的整合效果，在同一平台内进行在线过程和产品表征。

Q2：典型的细胞培养应用中有哪些关键过程参数（CPP）？

在细胞培养应用中，CPP 通常包括 pH 值、温度和溶解氧水平。在本文所述的实验中，我们特别研究了气体输送方法和流速对空气和氧气的影响。

我们还评估了过程中的代谢物和营养物水平，因为这些指标提供了关于细胞培养行为的信息，最终使我们能够更好地评估我们所采用的在线技术。

溶解氧——图片来源：Shutterstock/dkidpix

Q3：你们如何在研究中进行尾气分析？

我们研究中使用的扫描磁扇式质谱仪在线配置了实验室规模的 5L 工作容积生物反应器。

我们评估了在线质谱分析能否提供实时过程数据，使我们能够通过多种配置来确定培养的进展是否符合预期。在项目的初始开发阶段中，气体输送方法的配置相对简单，质谱仪能够提供所需信息，即供应给培养物的气体浓度和来自培养物的气体浓度。

在最初的评估中，我们针对引入的气体实施了分流，将其同时引向生物反应器和质谱仪，但表现不如预期。

然而，Thermo Fisher 团队富有创新精神，随后采取了新方法来生成整个培养过程中的数据，最大限度地减少了最初遇到的导致引入气体流速变异的一些问题。

我们的主要目的是监测 O₂和 CO₂的浓度，采取的新方法使我们能够在这两种目标气体进出容器时获得更准确的信息。

通过准确测定这两种气体的浓度，我们可以更好地理解细胞行为，确切地看到培养过程中这种行为发生变化的时刻。这通常通过 Thermo Fisher Gasworks 软件提供的呼吸商（RQ）计算结果来实现。

在哺乳动物细胞培养物中测定 RQ 通常具有挑战性，因为细胞密度通常不像在细菌发酵过程中那样高。如果细胞密度不是特别高，则呼吸活动很少，需要灵敏的技术（比如我们评估的质谱分析技术）来发现细微的细胞呼吸活动，从而获得准确的 RQ 测量结果。

图片来源：Shutterstock/ jörg röse-oberreich

Q3：Thermo Fisher 在研究中起到了什么作用？

这项研究涉及大量合作。Thermo Fisher 不仅为我们提供了仪器和配置仪器的专门知识，还通过定期的数据审查来支持我们，帮助我们了解如何在后续的实验中表现得更好。

这是一次富有成效的合作，因为他们一早就深度参与其中。

在电子配置方面，需要进行一些开发。我们当时使用的是Thermo Fisher 的 HyPerforma 台式生物反应器，通信协议是可以使用的，但仍要知道如何随着时间的推移来改变配置。

总的来说，Thermo Fisher 的支持对于我们成功交付结果至关重要。

Q4：为什么选择 Prima BT 质谱仪进行尾气分析？

与其他类型的质谱分析工具相比，Prima BT 具有诸多优势，主要是因为它采用扇形磁场技术。扇形磁场不受质量位置微小变化的影响。

例如，在基于四极杆质谱仪的检测中，峰形是典型的高斯形状，一旦发生质量漂移，强度也会因此发生变化。然而，在扇形磁场质谱分析中，这些微小的质量变化不会导致强度变化，因为峰形平坦而宽阔。

这个优势也是我们通过实验评估扇形磁场技术和 Thermo Fisher 的 Prima BT 的关键原因之一。

上图为Thermo Scientific^™ Prima BT 过程开发质谱仪

Q5：使用 Prima BT 是否帮助您获得了其他有用的过程相关信息？

是的，特别在查看原先认为是仅供参考的信息时，例如扫描磁扇式质谱仪中的进样流量数据。

我们最初查看了进入质谱仪的气体流速值，确保流速足够质谱仪准确测量我们想要测定的气体。

然而，我们也发现了一些意想不到的额外信息，例如过滤器完整性。通常情况下，过滤器完整性只在生物反应器建立阶段的培养启动之前进行评估。这种方法无法全程跟踪过滤器完整性。

通过持续监测通过质谱仪的尾气流速，我们还能看到尾气过滤器在培养过程的任意时刻是否存在堵塞现象。

我们因此能够防止事态恶化，避免生物反应器中的压力积聚。这是质谱仪的附加功能，为我们提供了宝贵的过程信息。

Q6：您在该领域的下一个研究课题是什么？

完成本项目后，我将转变职能，侧重技术转移活动而不是研究。然而，我们提供给 Thermo Fisher 的反馈意见可用于进一步开发这项技术，并针对配置生物反应器监测哺乳动物细胞培养过程这一应用进行优化。

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