氧气的光学测量允许将小的传感器斑点引入培养容器中。由于许多传统的亚生物反应器级培养容器与极谱法氧探头不兼容，因此该技术是较小规模培养物在线监测的宝贵工具。PreSens氧传感器点-与4通道氧计OXY-4mini一起使用-已被引入锥形瓶和Fernbach摇瓶以及旋转瓶中。结合杆状病毒表达载体系统测量Sf21和高五?昆虫细胞培养物中的氧浓度，可提供有关小规模血管中最佳填充体积的重要信息，并有助于鉴定培养过程中的代谢细胞活性。
图1：光学测量系统（PreSens）的示例设置，用于在27°C空调房间（A+B）中在线监测IPLB-Sf21AE和高五?昆虫细胞;氧传感器点SP-PSt集成在摇瓶中（C）;光学传感器在使用极谱法氧探头（D）的测量中表现出良好的一致性。
传统的极谱法氧探头通常用于搅拌罐生物反应器中动物细胞的过程监测，很难应用于小规模的培养容器。由于它们的尺寸和仅允许侵入性测量，它们不能用于没有足够端口的容器，例如在旋转器或摇瓶中。另一方面，光学传感器是这些小规模细胞培养中氧气监测的理想选择。化学光学传感器光斑不大于几毫米，可以集成在培养容器内，并且可以通过光纤从外部通过透明容器壁读取传感器响应。这种非侵入性方法不仅可以在小规模的细胞培养物中轻松监测氧气，还可以降低污染风险。在这项研究中，PreSens氧传感器点与OXY-4mini（4通道氧计）一起应用于亚生物反应器规模培养容器的工艺优化实验，即锥形瓶和费尔巴赫烧瓶，以及旋转烧瓶。这种容器内的培养物通常通过培养基的表面充气。氧气供应及其代谢活性和细胞的生长可以通过例如改变旋转速度或在血管中引入挡板来影响。然而，这使细胞暴露于更高的机械应力下，并且随着填充量的增加，氧气转移的增加受到限制。因此，监测小型养殖容器中的氧气浓度非常重要。在这里，光学氧监测的适用性在Sf21和高五?昆虫细胞的培养物中与杆状病毒表达载体系统相结合得到了证明。
材料与方法
锥形瓶（mL、mL和mL）和带膜盖的Fernbach型烧瓶（mL）（康宁）以及Techne旋转瓶（标称填充体积为mL或mL）配备了氧传感器点（SP-PSt、PreSens），并用于各种优化实验。连接到4通道氧仪（OXY-4mini，PreSens）的光纤用与传感器点相对的魔术贴?条（ARC、PreSens）连接到烧瓶上，用于信号读出（图1A+B）。在初步测试中，将光学传感器斑点的氧读数与极谱法氧探头（梅特勒托利多）的测量结果进行比较。IPLB-SF21AE和HighFive?细胞在Ex-Cell培养基（SAFCBiosciences）中生长。除了在线氧监测细胞数（血细胞计数器、胰蛋白坦蓝排除）外，还测定了细胞大小分布（CASY细胞计数器TTC、罗氏）、葡萄糖和L-乳酸浓度（YSI分析仪）、GFP荧光（番石榴EasyCyte流式细胞仪）和PIGF-1（夹心ELISA），并将结果与氧水平进行比较[1]。
小规模细胞培养中的氧气监测
在初步测试中，烧瓶内的氧探头与极谱法氧探头的测量结果一致（图1D）。所有实验均使用两种平行培养物进行，其中一种培养物缺少氧传感器，因为在本研究中，只有四个通道可用于传感器读数。在mL摇瓶中以不同的填充体积培养高五?昆虫细胞。在具有较高填充体积的培养物中发生氧限制（图2B）。当将培养物的生长动力学与氧读数进行比较时，限氧培养物显示出最大细胞密度降低（图2A）。杆状病毒感染的IPLB-Sf21AE在mL摇瓶中的生长和表达动力学分析结果显示，氧气限制条件（填充体积为和mL）对Sf21细胞生长仅有轻微影响（图），但重组蛋白产生延迟或普遍减少。然而，在氧气有限的条件下，细胞活力可以更好地保持。这可能是由病毒复制周期的抑制引起的。在这里，在线氧气测量可以识别杆状病毒感染的当前阶段，并揭示可能的过程限制。在mL摇瓶中进行进一步实验（数据未显示）。
图2：不同填充体积下mL摇瓶中HighFive?昆虫细胞培养物的生长动力学：活细胞密度和活力（A）;溶解氧浓度（B）。
图：杆状病毒感染的IPLB-Sf21AE在mL摇瓶中的生长和表达动力学：活细胞密度和活力（A）;溶解氧浓度（B）;重组人胎盘生长因子-1（C）的表达动力学。
结论
光学氧传感器表现出非常好的长期稳定性。传感器重复使用了一年多（数据未显示）。该技术被证明对工艺优化实验很有价值，例如确定离心机或摇瓶中重组蛋白表达的合适填充体积。此外，氧浓度的在线测量可用于通过细胞对氧气的摄取来估计代谢细胞活动，从而可以预测单个表达实验的性能。