“助力提高生物藥表達量和質量-細胞培養基和代謝分析完整解決方案"之一

近十年來，生物醫藥產業蓬勃發展，國內外市場規模仍保持高速增長。除了治療性蛋白藥物，疫苗產業也在不斷升級和創新，新冠疫情是全球疫苗產業發展的助推劑，引發了新一輪的爆發式增長。此外，基因和細胞治療全球發展迅速，定將是生物醫藥領域未來十年一個重要的發展方向。

細胞培養是生物醫藥產業的核心環節之一，貫徹生物醫藥研發和生產的全生命周期。無論是蛋白藥物的 CHO 細胞、疫苗的 Vero 細胞，還是細胞治療的 CAR-T 細胞，培養基和培養工藝條件都是細胞培養過程的關鍵要素。培養基是“一個包含無機鹽、糖、氨基酸和維生素以及其他必須營養物質的等滲透壓且具有 pH 緩沖能力的混合物"，給細胞生長提供微環境和營養物質。不同的細胞具有不同的特征，用于培養它們的培養基組成應與細胞的要求相匹配，不合適的培養基會影響細胞的生長狀態和功能。

另外，培養基營養成分的消耗以及代謝廢物毒物的積累，也與細胞功能和蛋白的表達密切相關。因此，定期監測糖、代謝物、維生素、氨基酸和代謝物等的變化，以優化補料策略以及收獲時間，并同時選擇合適的細胞培養基，這些對于提高細胞密度和活率，大限度地提高蛋白產量，確保蛋白質量是非常重要的。此外，除了監測培養環境中營養物質和代謝產物的變化，也需要對細胞本身做更深度的研究，細胞的“生老病死"、蛋白的表達都是細胞功能和代謝的結果。不管是培養基設計，還是培養工藝優化，都離不開這些研究。

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

安捷倫和測簡奕共同開發的細胞培養基和代謝分析完整解決方案，包括培養基原料分析、培養基成分消耗監測和細胞代謝研究等，為細胞培養提供全面的質量控制和深度研究，為培養基和培養工藝開發和優化指明方向。

培養基成分消耗和代謝物監測

有機物分析

可定量的 80 種化合物的定量限、線性范圍數據如下：

Agilent 6470 三重四極桿液質聯用系統

元素分析

隨著細胞培養基配方變得越來越復雜，生物制藥領域對于培養基中原物料的關注度也越來越高，其中對培養基中元素變化進行表征顯得尤為重要，主要是因為元素對于工藝的潛在影響。

安捷倫快速智能的 ICP-OES 和超高信噪比的 ICP-MS，智能定量（IntelliQuant）平臺可以快速對于不同培養基中的全元素進行掃描，提供的專屬熱力圖，可以幫助實驗人員更加直觀的對培養基中元素差異進行辨別；全能高效的 ICP-MS 方案標配高基體引入系統（HMI），耐受鹽分含量較高的培養基，兼顧高效和準確性，可以更好保證符合培養基以及抗體，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 對培養基樣品的全元素掃描熱力圖直觀顯示圖：

2、Agilent 7850 ICP-MS 培養基中主量元素分析

Na 元素作為細胞滲透壓的一個重要表征；Agilent ICP-MS 可以實現 1% 級別的 Na 元素檢測，對于微量元素分析的同時又實現了滲透壓的監測。

Na 校正曲線范圍：0.1ppm--10000ppm

3、Agilent 7850 ICP-MS 培養基中痕量元素錳(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到 0.4ppt；錳（Mn）是糖基化通路中多種酶的輔助因子，在培養基中如過度的補充會降低蛋白的產量以及抑制細胞的生長，因此更好的監控錳（Mn）的含量對于細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，可以更好滿足培養基中關鍵元素錳（Mn）控制要求。

安捷倫獨有的增強型 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，同時背景也降低了一倍多，信噪比提升十倍以上。硒（Se）對細胞培養基具有解毒的機制，同時作為 Fe 的運載體，對于細胞培養起到舉足輕重的作用，無需使用氫或其他反應模式即可分析極 ppt（ng/L）級別的硒，可以更好滿足培養基中硒（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 對于培養過程監控

備注：單位：μg/L

備注：單位：μg/L

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

培養基原料分析

根據細胞適用性的不同，培養基中的成分及其配比會有差異。入庫鑒別需要將不同種類的培養基快速區分出來，以降低由于原料標簽、分類等錯誤而導致的誤投料風險。

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

1-9 號培養基測試結果匯總如下：

2 號培養基（測試結果為 Fail）的測試圖譜如下，其中紫色為模型圖譜，藍色為 2 號培養基圖譜。

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

結語

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

本文分享了培養基原料分析、培養基成分消耗和代謝物監測兩個方面的數據和案例，近期將推出 “細胞代謝研究"專題分享。“培養基成分消耗和代謝物監測"主要監測的是培養環境的變化，而細胞生長和蛋白的表達都離不開對細胞本身功能和代謝的分析和調控。“細胞代謝研究"專題從細胞功能和分子代謝物水平對細胞代謝做全面研究，可為培養基和工藝開發提供更為深層次的底層數據，敬請期待。