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CAR-T细胞培养进程中氧含量和pH的在线监测应用方案

CAR-T细胞培养进程中氧含量和pH的在线监测应用方案

本文关键词: 生物医药吸光度
摘要

引言

CAR-T细胞培养进程中O2和pH的在线监测很重要,是决定细胞生长效率的关键因素。多家生命科学领域的实验设备供应商已将海洋光学的微型光纤光谱仪应用在了细胞培养在线检测仪设备中,并实现了培养液中氧含量和pH的检测,其中氧含量检测范围0-40ppm,分辨率:0.1ppm;pH值检测范围4-9,分辨率0.1。

CAR-T疗法的流程示意图

CAR-T疗法的流程示意图(来自网络)

 

生物物质的培养是生命科学研究中的主要技术之一,研究人员从动物或者植物移取细胞、组织或者器官,在有利于其生长的人工环境中进行培养,以实现其在受体中的存活。嵌合抗原受体T细胞免疫疗法(简称CAR-T)就是基于细胞培养技术,并且已经使用到临床。在带有嵌合抗体的免疫T细胞(即CAR-T细胞)的培养过程中,影响其生长的重要因素包括温度、湿度、光、气体环境和pH条件等。其中,氧含量过大将对细胞产生毒害作用,最好和空气中的氧含量(21%)保持一致;而细胞培养的最佳pH水平为7.2-7.4,但是随着培养基中酸性物质的积累,往往导致其生长速度下降。因此,在CAR-T细胞培养的进程中,需要对氧含量和pH水平进行监测。

 

不同酵母添加量下动物血中溶解氧含量的检测结果

不同酵母添加量下动物血中溶解氧含量的检测结果   

 大肠杆菌发酵过程中pH值的变化情况

      大肠杆菌发酵过程中pH值的变化情况

 

海洋光学微型光纤光谱仪的氧含量、pH在线监测系统定制化(OEM)

氧含量、pH监测系统的研发周期,需要经历概念验证、原型机开发、试产及量产等四个阶段。海洋光学多年累积的行业经验,可以帮助客户轻松应对不同环节及阶段所面临的挑战。

海洋光学OEM流程示意

海洋光学OEM流程示意

 

当原理性验证/概念验证完成并确认思路可行时,海洋光学依靠模块化产品,深厚光学知识,足够的适用性以及遍布全球各个行业的合作伙伴,海洋光学可以快速解决光学测量中遇到的各种挑战。从前沿应用的概念验证,到产品的规模化生产、服务,海洋在全球范围提供本地化的全面支持。海洋光学的光学,机械,电子,软件,固件和系统工程师将协助客户去集成海洋光学的产品和部件,协助客户迅速的完成原型机的设计及开发整合。

 

氧含量、pH水平测量原理

海洋光学光纤光谱仪配合氧传感和pH传感贴片可以实现细胞培养进程中氧气含量和pH水平的监测,具体的测量原理如下:

氧含量测量:氧含量测量基于氧分子与荧光材料之间相互作用所产生的荧光猝灭效应。海洋光学的氧传感材料为钌和铂金属基底的荧光分子材料,当氧分子与其相互作用时,其荧光光谱的瞬时淬灭变化被微型光纤光谱仪采集,通过与已标定的氧浓度工作曲线进行比较,即可得出被测氧气的含量。通常荧光分子材料会以薄膜的形式被镀在光学探头前端,或者被制成反射式贴片置于反应容器中。

 

激发与发射荧光光谱强度随时间的变化

激发与发射荧光光谱强度随时间的变化

 

pH测量:pH传感技术基于指示剂分子比色法,指示剂分子嵌入在一薄层溶胶-凝胶薄膜内,此即pH传感贴片。当水合离子(H3O+)进入或者离开膜层,指示剂分子将从黄色(酸性的)变为蓝色(碱性的),从而通过肉眼即可观察到pH值水平的变化。进一步使用海洋光学光谱仪对颜色进行测量,可以得到颜色与pH值间精确的相关关系,可达到0.005pH单位分辨率。

pH传感贴片变色原理

pH传感贴片变色原理

 

海洋光学推荐配置

针对氧含量和pH水平的测量,海洋光学具有如下三种典型的模块化配置。

a.  氧气测量,需要光源、光谱仪、氧传感贴片及光纤探头。

氧含量测量的典型硬件配置

氧含量测量的典型硬件配置

 

b.  pH值测量,需要光源、光谱仪、pH传感贴片及光纤。

pH值测量的典型硬件配置

pH值测量的典型硬件配置

 

c.  氧含量、pH同时测量,采用反射模式测量pH值,使用反射探头。

容器中液相溶解氧含量、气相氧含量以及Ph值水平测试的硬件配置

 

容器中液相溶解氧含量、气相氧含量以及Ph值水平测试的硬件配置

 

以上模块化的配置,都可以被集成化,形成为一个监测仪器(如下图示例)。

标准产品、子系统、监测仪器的进化关系示例

标准产品、子系统、监测仪器的进化关系示例

 

氧含量和pH水平监测仪器中可以对需要集成的光源、光谱仪、传感贴片、采样附件以及仪器操作和分析软件做如下选择:

 

光源

全波长:卤钨灯 350-2500nm;氘钨灯 200-2500nm;

单波长:LED光源。

 

光谱仪

氧含量测量,可使用Neofox-GT光谱仪,该款光谱仪已集成了蓝色LED光源和荧光相移的算法;也可使用其它可见光波段光谱仪。

pH水平测量,可见光波段光谱仪均可。

Neofox

Neofox-GT光谱仪

USB2000+光谱仪

USB2000+光谱仪

 

推荐光谱仪参数列表

 

Neofox-GT (氧含量测量)

USB2000+UV-VIS (氧含量、pH测量)

二维尺寸

107.95 x 63.5 x 38.1 mm

89.1 mm x 63.3 mm x 34.4 mm

重量

642 g

190 g

测得参数

荧光相移、AC荧光强度温度(通过选配的外接热敏电阻)和压力(通过机载压力传感器)

荧光光谱、反射光谱等

通信

USB2.0或RS232串口

USB2.0或RS232串口

外接供电电压

4.5 – 5.5 V (5.0 V typical)

USB供电

波长范围

 

200-1100nm

分辨率

 

~1.5nm FWHM

积分时间

 

1ms-65s

信噪比

 

250:1

非线性度

 

<1.0%(校正)

探测器

 

2048像元CCD阵列

二次开发

不支持

支持

 

 

传感贴片

 

传感贴片

传感贴片

 

氧、pH传感贴片的参数

参数

pH

溶解氧

检测范围

4-9

0-40ppm

分析波长

617nm

-

基线校准波长

509nm或800nm

-

检测误差

读数的4%

读数的10%

分辨率

0.1 pH

0.1ppm

温度范围

-

0-50°C

反应时间

30秒

(取决于环境条件)

45秒

(取决于环境条件)

稳定性

连续使用12小时无漂移

用于长期监控时,1%漂移/天

连续使用12小时无漂移

用于长期监控时,1%漂移/天

贴片储存时间

在避光干燥环境下可保存一年

在避光干燥环境下可保存一年

 

 

采样附件

a.  smart比色皿,贴有氧传感或者pH传感贴片的比色皿;

Smart比色皿

Smart比色皿

 

b. 客户开发的采样器件。

 

操作及分析软件

a.  Neofox Viewr氧传感软件和pH程序包;

Neofox Viewer软件氧含量实时测量界面

Neofox Viewer软件氧含量实时测量界面

 

pH程序包嵌入光谱仪操作软件得到的pH实时测量结果

pH程序包嵌入光谱仪操作软件得到的pH实时测量结果

 

b.Omnidriver二次开发程序包,可用于客户端进行二次分析软件的开发。

光纤光谱仪