“助力提高生物藥表達(dá)量和質(zhì)量-細(xì)胞培養(yǎng)基和代謝分析完整解決方案"之一

近十年來，生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，國內(nèi)外市場規(guī)模仍保持高速增長。除了治療性蛋白藥物，疫苗產(chǎn)業(yè)也在不斷升級和創(chuàng)新，新冠疫情是全球疫苗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的助推劑，引發(fā)了新一輪的爆發(fā)式增長。此外，基因和細(xì)胞治療全球發(fā)展迅速，定將是生物醫(yī)藥領(lǐng)域未來十年一個(gè)重要的發(fā)展方向。

細(xì)胞培養(yǎng)是生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的核心環(huán)節(jié)之一，貫徹生物醫(yī)藥研發(fā)和生產(chǎn)的全生命周期。無論是蛋白藥物的 CHO 細(xì)胞、疫苗的 Vero 細(xì)胞，還是細(xì)胞治療的 CAR-T 細(xì)胞，培養(yǎng)基和培養(yǎng)工藝條件都是細(xì)胞培養(yǎng)過程的關(guān)鍵要素。培養(yǎng)基是“一個(gè)包含無機(jī)鹽、糖、氨基酸和維生素以及其他必須營養(yǎng)物質(zhì)的等滲透壓且具有 pH 緩沖能力的混合物"，給細(xì)胞生長提供微環(huán)境和營養(yǎng)物質(zhì)。不同的細(xì)胞具有不同的特征，用于培養(yǎng)它們的培養(yǎng)基組成應(yīng)與細(xì)胞的要求相匹配，不合適的培養(yǎng)基會(huì)影響細(xì)胞的生長狀態(tài)和功能。

另外，培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的消耗以及代謝廢物毒物的積累，也與細(xì)胞功能和蛋白的表達(dá)密切相關(guān)。因此，定期監(jiān)測糖、代謝物、維生素、氨基酸和代謝物等的變化，以優(yōu)化補(bǔ)料策略以及收獲時(shí)間，并同時(shí)選擇合適的細(xì)胞培養(yǎng)基，這些對于提高細(xì)胞密度和活率，大限度地提高蛋白產(chǎn)量，確保蛋白質(zhì)量是非常重要的。此外，除了監(jiān)測培養(yǎng)環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的變化，也需要對細(xì)胞本身做更深度的研究，細(xì)胞的“生老病死"、蛋白的表達(dá)都是細(xì)胞功能和代謝的結(jié)果。不管是培養(yǎng)基設(shè)計(jì)，還是培養(yǎng)工藝優(yōu)化，都離不開這些研究。

因此，無論是生物制藥公司，還是培養(yǎng)基生產(chǎn)商，只要涉及細(xì)胞培養(yǎng)，都需要開發(fā)培養(yǎng)基成分和細(xì)胞代謝物與功能的監(jiān)測方法。傳統(tǒng)的培養(yǎng)基分析，檢測流程過于復(fù)雜，主要是對葡萄糖、氨基酸和維生素等進(jìn)行分析，其他很多成分不進(jìn)行檢測；而且不同類型的成分用不同的樣品處理和分析方法，分析時(shí)間長，成本高，這種檢測流程已不能滿足工業(yè)快速、標(biāo)準(zhǔn)化的要求。而液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)因其具有高通量、專屬性強(qiáng)和準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，使其能夠很好的解決普通檢測流程出現(xiàn)的問題。另外，對于細(xì)胞本身的監(jiān)測，目前大家主要關(guān)注的是生長密度、活率、倍增時(shí)間等細(xì)胞狀態(tài)的變化，對于細(xì)胞功能本身的深層次的分析還比較少。通過 Seahorse 和高分辨質(zhì)譜等技術(shù), 綜合細(xì)胞功能和分子代謝物水平對細(xì)胞代謝做全面研究。

安捷倫和測簡奕共同開發(fā)的細(xì)胞培養(yǎng)基和代謝分析完整解決方案，包括培養(yǎng)基原料分析、培養(yǎng)基成分消耗監(jiān)測和細(xì)胞代謝研究等，為細(xì)胞培養(yǎng)提供全面的質(zhì)量控制和深度研究，為培養(yǎng)基和培養(yǎng)工藝開發(fā)和優(yōu)化指明方向。

培養(yǎng)基成分消耗和代謝物監(jiān)測

有機(jī)物分析

可定量的 80 種化合物的定量限、線性范圍數(shù)據(jù)如下：

Agilent 6470 三重四極桿液質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)

元素分析

隨著細(xì)胞培養(yǎng)基配方變得越來越復(fù)雜，生物制藥領(lǐng)域?qū)τ谂囵B(yǎng)基中原物料的關(guān)注度也越來越高，其中對培養(yǎng)基中元素變化進(jìn)行表征顯得尤為重要，主要是因?yàn)樵貙τ诠に嚨臐撛谟绊憽?/p>

安捷倫快速智能的 ICP-OES 和超高信噪比的 ICP-MS，智能定量（IntelliQuant）平臺(tái)可以快速對于不同培養(yǎng)基中的全元素進(jìn)行掃描，提供的專屬熱力圖，可以幫助實(shí)驗(yàn)人員更加直觀的對培養(yǎng)基中元素差異進(jìn)行辨別；全能高效的 ICP-MS 方案標(biāo)配高基體引入系統(tǒng)（HMI），耐受鹽分含量較高的培養(yǎng)基，兼顧高效和準(zhǔn)確性，可以更好保證符合培養(yǎng)基以及抗體，疫苗的測試。

1、全元素快速掃描——助力生物藥研究和質(zhì)量控制

Agilent 5800 ICP-OES 對于未知疫苗樣品快速定性和半定量（IntelliQuant）結(jié)果，熱力圖（Heatmap）直觀顯示疫苗中鋁佐劑所有元素濃度高低分布，樣品組成便可“一目了然"。

Agilent 7800 ICP-MS IntelliQuant 對培養(yǎng)基樣品的全元素掃描熱力圖直觀顯示圖：

2、Agilent 7850 ICP-MS 培養(yǎng)基中主量元素分析

Na 元素作為細(xì)胞滲透壓的一個(gè)重要表征；Agilent ICP-MS 可以實(shí)現(xiàn) 1% 級別的 Na 元素檢測，對于微量元素分析的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了滲透壓的監(jiān)測。

Na 校正曲線范圍：0.1ppm--10000ppm

3、Agilent 7850 ICP-MS 培養(yǎng)基中痕量元素錳(Mn)，硒(Se)的分析

得益于 Agilent ICP-MS 超高的靈敏度，錳（Mn）的背景等效濃度可以達(dá)到 0.4ppt；錳（Mn）是糖基化通路中多種酶的輔助因子，在培養(yǎng)基中如過度的補(bǔ)充會(huì)降低蛋白的產(chǎn)量以及抑制細(xì)胞的生長，因此更好的監(jiān)控錳（Mn）的含量對于細(xì)胞的生長有重要的意義。Agilent 7800 ICP-MS 具有超低濃度錳（Mn）的檢出能力，可以更好滿足培養(yǎng)基中關(guān)鍵元素錳（Mn）控制要求。

安捷倫獨(dú)有的增強(qiáng)型 HEHe（High Energy Helium）模式，相對普通 He 模式下硒（Se）的靈敏度提升近五倍，同時(shí)背景也降低了一倍多，信噪比提升十倍以上。硒（Se）對細(xì)胞培養(yǎng)基具有解毒的機(jī)制，同時(shí)作為 Fe 的運(yùn)載體，對于細(xì)胞培養(yǎng)起到舉足輕重的作用，無需使用氫或其他反應(yīng)模式即可分析極 ppt（ng/L）級別的硒，可以更好滿足培養(yǎng)基中硒（Se）元素的控制要求。

不同模式下硒（Se）靈敏度對比

4、安捷倫 7850 ICP-MS 對于培養(yǎng)過程監(jiān)控

備注：單位：μg/L

備注：單位：μg/L

培養(yǎng)基中微量元素培養(yǎng)過程的含量變化與細(xì)胞生長密切相關(guān)，很多研究表明 Zn 對于蛋白電荷的變化有起到一定的作用。

培養(yǎng)基原料分析

根據(jù)細(xì)胞適用性的不同，培養(yǎng)基中的成分及其配比會(huì)有差異。入庫鑒別需要將不同種類的培養(yǎng)基快速區(qū)分出來，以降低由于原料標(biāo)簽、分類等錯(cuò)誤而導(dǎo)致的誤投料風(fēng)險(xiǎn)。

拉曼光譜儀廣泛應(yīng)用于原輔料入庫鑒別。安捷倫 Vaya 手持拉曼光譜儀性能出眾，具備優(yōu)異的光譜信噪比，同時(shí)搭配 R2 和 LMC 智能算法，能夠有效鑒別不同培養(yǎng)基。下面案例用 1 號培養(yǎng)基建模，建立的模型分別測試了 1-9 號培養(yǎng)基樣品， 1 號和 4 號培養(yǎng)基相同， 1 號和 2、3、5、6、7、8、9 號培養(yǎng)基不相同。1 號和 4 號測試結(jié)果為“Pass"，其他樣品為“Fail"，與預(yù)期一致。

1-9 號培養(yǎng)基測試結(jié)果匯總?cè)缦拢?/span>

2 號培養(yǎng)基（測試結(jié)果為 Fail）的測試圖譜如下，其中紫色為模型圖譜，藍(lán)色為 2 號培養(yǎng)基圖譜。

此外，一般培養(yǎng)基在受熱、吸潮后，易被細(xì)菌污染或分解變質(zhì)，因此培養(yǎng)基必須防潮、避光、陰涼處保存。常見的固體培養(yǎng)基一般是裝在桶中，內(nèi)層有兩層 PE 袋包裝，也有一些直接裝在不透明的塑料瓶中。對于儲(chǔ)存在桶中的培養(yǎng)基，Vaya 可以透過內(nèi)袋進(jìn)行測試。對于不透明的塑料瓶， Vaya 可以隔著外包裝直接檢測。

結(jié)語

本文介紹了安捷倫-測簡奕共同開發(fā)的“細(xì)胞培養(yǎng)基和代謝分析完整解決方案"，從培養(yǎng)基原料分析、培養(yǎng)基成分消耗和代謝物監(jiān)測以及細(xì)胞代謝研究等不同維度和水平，全方面研究和控制細(xì)胞培養(yǎng)過程。

本文分享了培養(yǎng)基原料分析、培養(yǎng)基成分消耗和代謝物監(jiān)測兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)和案例，近期將推出 “細(xì)胞代謝研究"專題分享。“培養(yǎng)基成分消耗和代謝物監(jiān)測"主要監(jiān)測的是培養(yǎng)環(huán)境的變化，而細(xì)胞生長和蛋白的表達(dá)都離不開對細(xì)胞本身功能和代謝的分析和調(diào)控。“細(xì)胞代謝研究"專題從細(xì)胞功能和分子代謝物水平對細(xì)胞代謝做全面研究，可為培養(yǎng)基和工藝開發(fā)提供更為深層次的底層數(shù)據(jù)，敬請期待。