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    自动化的细胞筛选系统

    作者:Michaela McAdam,Dominic Grone 文章来源:Sartorius Stedim生物技术公司  点击数:936  发布时间:07-28
    与传统药品相比,目前利用生物工程技术生产的药品价格较高。除了早期的哺乳动物、昆虫细胞等高蛋白质生物细胞之外,在研发过程中,能够用于微型生物反应器的细胞,有着明显降低成本的优势。

    微型生物反应器缩短了时间、降低了成本费用

    与传统药品相比,目前利用生物工程技术生产的药品价格较高。除了早期的哺乳动物、昆虫细胞等高蛋白质生物细胞之外,在研发过程中,能够用于微型生物反应器的细胞,有着明显降低成本的优势。

     

    在高产细胞株的筛选时,通常要使用传统的摇瓶和台式生物反应器,并且需要有最佳的媒介介质、细胞营养液和生物过程条件来给予支持。摇瓶的摇动方式既不能控制酸碱度PH值和溶解氧含量,也不能产生像在生物反应器中那样进行混合反应。通常情况下,这种手动摇动不受控制系统控制,只需要用手就可以做到。这也让对营养物质的供应和取样变得更加简单。与规模化的培育方法相比,使用摇瓶不仅可以做到使多种细胞取得不同生长率还可以得到不同的蛋白质表达谱。

    图1.ambr 15型微型生物反应器用于高效的筛选细胞株。它主要由一次性的反应器、工作站和控制软件三部分组成。这一系统能够同时处理和控制24个或者48个生物反应过程。

     

    在对细胞系进行评估筛选时,要进行多批次加流培养,以便把开始时很高的克隆数量减少到一定数量范围内,以便使其适于在台式生物反应器中被检验。

    这是一种资源密集型的、高成本的方法,但生产能力有限。通常情况下,只能在小型的容器(2~10L)中对少量的细胞株进行评估。可以在规模化过程中通过适当的性能优化,针对最终选择出来的细胞株,再对其产能和产品质量给予适当的干预。

    ‘纯’台式生物反应器,无法满足进行大量试验的需求,能够进行大量细胞培育的微型生物反应技术的研发变得很有必要。但应用开发过程中几乎都面临这样的问题:没有内部搅拌,必须用其他方法,例如摇瓶进行混合。

     

    图2.微型生物反应器一次性的反应器的组成部件:玻璃进气口(1)、试样输入管(2)、酸碱度PH和溶解氧观测点(3)和搅拌器(4)。

     

    带有排气和搅拌的自动化微型反应器

    为了能够在生物反应器中模仿混合气体参数,英国的TAP生物系统公司(2013年12月被Sartorius Stedim生物技术公司兼并)开发了创新性的微型生物反应器ambr15。这一系统主要由三大部分组成:一次性的反应器、工作站和软件。这一反应器可以在一个人操作下同时进行24个或48个生物反应试验,适于哺乳动物的、昆虫的细胞培育。此系统带有搅拌装置和气体供应装置。它模仿了台式生物反应器的原理,能够更好的监控实验环境和实验过程。和摇瓶相比,它能够提供更精确、更有说服力的细胞培育状态。

     

    ambr15工作站的控制

    ambr15工作站可以控制24个或48个10~15ml的一次性微型反应器。与传统的细胞培育不同,使用后必须对其进行杀菌消毒。为了保证杀菌消毒的可靠性,此工作站被置于生物技术安全柜中。不管是培育、接种、营养物质供应过程,微量移液以及在24/96孔板容器和无菌条件下Vicell容器中的取样过程都能够凭借自动化的移液过程得以完成。控制系统能够对一次最多24个或48个的反应器进行控制,每一个生物反应器能得到符合细胞株检验所需的特殊溶解氧量(DO)。自动化的酸碱度PH值调节是通过加CO2或者加碱来实现的;需要把溶解氧值控制在所要求的理论数值上时,就要用氧气进行调节。在对细胞培育进行监控时,可以为工作站连接一套控制Atline酸碱度进行标定的装置,是基于控制软件的标定装置。在这一软件系统下,用户可以设置ambr系统能够完成的一系列控制操作步骤的小程序。程序中可以设定多个工作参数,例如溶解氧值、酸碱度值、搅拌速度和温度等。

    控制程序的时间和数据可以随时进行任意处理;例如添加、修改或删除操作步骤。像气含率、容积、酸碱度PH值和溶解氧值等实时数据都可以在培育过程中被连续的记录存储起来;比如细胞数量,代谢物量和疫苗滴定度等外部数据也都可以被编成控制程序。在软件的帮助下,可以把检测到的数据以图像的方式显示出来,或添加到代表细胞培育特性的电子表格中,这些自动化功能能够提供稳定、统一的培育过程,以便实验员把精力集中在数据分析和下一试验的准备工作中。

     

    细胞筛选的未来

    利用这种带有搅拌装置的ambr15型微型生物反应器系统,相比手动摇瓶的方法或传统的批次反应方法,明显的节约包括准备工作、运行、安装、无菌消毒等步骤的时间,降低成本。此微型化系统是全自动的系统,需要的细胞容积很小,在培育介质、细胞营养物质的过程中能够完成更多次试验。可以说,ambr 15型微型生物反应器能够明显的缩短研发时间、降低蛋白质基药物治疗的成本和费用。从此以后,生物技术的研发等就不再受到多批次反应物的可用性、工作时间和实验室基础设施的限制了。

     

    细胞的培育

    高效的细胞培育是进行细胞株筛选的前提。传统的细胞培育过程,操作步骤基本都是手工操作,有时会导致细胞株培育结果的不一致。自动化的培育过程开创了最佳细胞株培育的先河。像ambr微型生物反应器这样的自动系统,其核心部件是相互关联的多个反应器,甚至有容量为10~15ml微型生物反应器。

    专访:生物过程的微型化

     

    “该ambr15是第一个真正的台式生物反应器系统的缩影。”——Tim Ward,赛多利斯生物技术公司战略营销总监。

     

    LaborPraxis:Ward先生,您在ambr技术的开发中发挥了重要的作用。请您介绍一下为什么工业企业对微型化的生物模块需求越来越大?

    Tim Ward:在过去的十年里人们一直在寻找筛选和选择细胞株的更好途径;因为传统的细胞株筛选是一种非常费时费力的方法;而且提供的不一定是最佳的细胞株。开始的时候,克隆筛选是人们关注的焦点:利用一系列的技术准备快速的筛选克隆的细胞株,利用像GENETIX ClonePix及基于磁盘的自动化液体处理系统对克隆细胞株进行自动化的图像处理;例如TAP生物技术公司的Cello系统。

     

    LaborPraxis:小型化的微型生物技术模块是如何发展起来的呢?

    Tim Ward:最近一段时间里微型化的生物反应技术的发展成为主流。微型化的生物反应系统应有很高的产能,改进提高细胞株筛选和研发效率。SimCell系统作为第一种多腔室的盒式生物处理器问世了;它可以在大型的、能够同时处理上百生物细胞培育皿的自动化设备中使用。虽然这一系统开始时通过了少数公司的试用测试,但由于它比较大、复杂没有在市场上得到推广。这也促成了24个培养皿的小型批次搅拌系统的诞生。像MRT Micro24这样的系统最初是为选择细菌菌株而研发的,后来也在细胞培育中使用进行了测试;检验一下它是否具有通过添加液体介质自动控制、调节酸碱度PH值的能力。

     

    LaborPraxis:ambr 15微型生物反应器系统有什么特殊性能?

    Tim Ward:ambr15是第一台真正带有搅拌装置和成套酸碱度PH值和气体成分调节的微型生物反应器;它能够通过加入二氧化碳、碱和气体的导出流动实现全自动的酸碱度和气体成分调节。它的生物反应能力、工作原理和突出的工作参数可扩展性在大量的专业文章中都得到了证明。这一系统具有建立从1升到200升所有批次生物反应模型的能力。自这一系统2010年投放市场以来,已经有超过100台的ambr设备成为细胞系培育和工业化生物制药技术领域中标准配置的设备了。

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