“助力提高生物藥表達量和質量-細胞培養(yǎng)基和代謝分析完整解決方案"之一

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

細胞培養(yǎng)是生物醫(yī)藥產業(yè)的核心環(huán)節(jié)之一，貫徹生物醫(yī)藥研發(fā)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(yǎng)基和培養(yǎng)工藝條件都是細胞培養(yǎng)過程的關鍵要素。培養(yǎng)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(yǎng)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(huán)境和營養(yǎng)物質。不同的細胞具有不同的特征，用于培養(yǎng)它們的培養(yǎng)基組成應與細胞的要求相匹配，不合適的培養(yǎng)基會影響細胞的生長狀態(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，也與細胞功能和蛋白的表達密切相關。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)化補料策略以及收獲時間，并同時選擇合適的細胞培養(yǎng)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(jiān)測培養(yǎng)環(huán)境中營養(yǎng)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(yǎng)基設計，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)基生產商，只要涉及細胞培養(yǎng)，都需要開發(fā)培養(yǎng)基成分和細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(yè)快速、標準化的要求。而液質聯(lián)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(xiàn)的問題。另外，對于細胞本身的監(jiān)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(tài)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(fā)的細胞培養(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)測和細胞代謝研究等，為細胞培養(yǎng)提供全面的質量控制和深度研究，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

有機物分析

可定量的 80 種化合物的定量限、線性范圍數(shù)據如下：

Agilent 6470 三重四極桿液質聯(lián)用系統(tǒng)

元素分析

隨著細胞培養(yǎng)基配方變得越來越復雜，生物制藥領域對于培養(yǎng)基中原物料的關注度也越來越高，其中對培養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(tǒng)（HMI），耐受鹽分含量較高的培養(yǎng)基，兼顧高效和準確性，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(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 元素作為細胞滲透壓的一個重要表征；Agilent ICP-MS 可以實現(xiàn) 1% 級別的 Na 元素檢測，對于微量元素分析的同時又實現(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)基中如過度的補充會降低蛋白的產量以及抑制細胞的生長，因此更好的監(jiān)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(yǎng)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(yǎng)基具有解毒的機制，同時作為 Fe 的運載體，對于細胞培養(yǎng)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(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(yǎng)基原料分析

根據細胞適用性的不同，培養(yǎng)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(yǎng)基快速區(qū)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(yōu)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(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 號測試結果為“Pass"，其他樣品為“Fail"，與預期一致。

1-9 號培養(yǎng)基測試結果匯總如下：

2 號培養(yǎng)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(yǎng)基圖譜。

此外，一般培養(yǎng)基在受熱、吸潮后，易被細菌污染或分解變質，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(yǎng)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(fā)的“細胞培養(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(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)測兩個方面的數(shù)據和案例，近期將推出 “細胞代謝研究"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?！凹毎x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(yǎng)基和工藝開發(fā)提供更為深層次的底層數(shù)據，敬請期待。