Auswirkungen von Kulturparametern auf die tierische Zellkultur

1. Der Einfluss der Rotationsgeschwindigkeit auf die Bioreaktorkultur

Derzeit werden im biologischen Bereich immer mehr Produkte in großem Maßstab mithilfe von Bioreaktoren hergestellt. Unterschiedliche Zellen benötigen unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten, um in Bioreaktoren kultiviert zu werden. Als häufig verwendeter Betriebsparameter kann die Rührgeschwindigkeit nicht nur die Mischung der flüssigen Phase und die Übertragungsrate der Materialenergie beeinflussen, sondern auch Flüssigkeitsscherung und Mikroträgerkollisionen verursachen.

Lu Minghua et al. verwendeten einen BC-7L-Bioreaktor, um suspendierte BHK-21-Zellen zu kultivieren, und kamen zu dem Schluss, dass sich unter 40 U/min mehr Zellen am Boden des Reaktors ablagerten. Bei einer Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit auf 70 U/min lagerten sich keine Zellen am Boden des Reaktors ab, es wurden jedoch mehr Zellen aggregiert. Daher wurde die Rotationsgeschwindigkeit weiter auf 100 U/min erhöht, wodurch das Problem der Zellagglomeration gelöst wurde und die Zellen gut wuchsen. 100 U/min ist die optimale Rührgeschwindigkeit.

Die Geschwindigkeit ist je nach Zelltyp, Kulturmethode usw. unterschiedlich. Die Betriebsgeschwindigkeit des Reaktors wird durch seine Anforderungen gesteuert. Unterschiedliche Geschwindigkeiten führen zu unterschiedlichen Ergebnissen bei der Zellkultur.

2. Einfluss der Temperatur auf die Bioreaktorkultur

Die Zellkulturtemperatur beträgt normalerweise 35–37 °C, die optimale Temperatur beträgt 37 °C und wird innerhalb von ±0,25 °C gesteuert. Wenn während des Kultivierungsprozesses von Säugetierzellen die Kulturtemperatur gesenkt wird, verlangsamen sich das Zellwachstum und der Stoffwechsel, die Zelllebensfähigkeit kann jedoch besser aufrechterhalten werden.

Yi Xiaoping et al. untersuchten den Einfluss der Temperatur auf das Wachstum rekombinanter BHK-Zellen. Die Ergebnisse zeigten, dass im Vergleich zu 37 °C eine Erhöhung oder Verringerung der Temperatur die Zellwachstumsrate und -dichte verringert und eine Verringerung der Temperatur die Hystereseperiode des Zellwachstums verlängert. Die Toleranz kultivierter Zellen gegenüber niedrigen Temperaturen ist jedoch größer als gegenüber hohen Temperaturen. Bei der Einstellung der Reaktorparameter muss verhindert werden, dass die Temperatur zu stark ansteigt, insbesondere weil in Tierzellkultursystemen häufig langsam gerührt wird, die Durchmischung schlecht ist und die Übertragungseffizienz gering ist. Insbesondere besteht immer ein Temperaturgradient von der Außenwand des Tanks zum Inneren des Kultursystems, sodass strenge Anforderungen an die Temperaturüberwachung und -kontrolle gestellt werden.

3. Einfluss des pH-Werts auf die Bioreaktorkultur

Die Kontrolle des pH-Werts ist für die Tierzellkultur sehr wichtig. Der pH-Wert kann die Adhäsion, das Wachstum, das Überleben und andere Funktionen tierischer Zellen beeinflussen. Der pH-Bereich tierischer Zellen liegt im Allgemeinen zwischen 6,8 und 7,4. pH-Werte unter 6,8 oder über 7,4 wirken sich nachteilig auf die Zellen aus.

Yuan Jianqin et al. legten 6 verschiedene pH-Werte fest (6,4, 6,8, 7,2, 7,4, 7,6, 7,8), um das Wachstum von Hühnerembryofibroblasten zu beobachten. Die Ergebnisse zeigten, dass Hühnerembryofibroblasten im Bereich von 7,4 bis 7,6 besser und stabiler wuchsen.

Lu Minghua et al. verwendeten einen BC-7L-Bioreaktor, um suspendierte BHK-21-Zellen zu kultivieren, und stellten fest, dass pH-Änderungen innerhalb eines bestimmten kleinen Bereichs keinen großen Einfluss auf das Zellwachstum haben, aber wenn die Änderung groß ist, werden die Zellen langsam und in schlechtem Zustand wachsen. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass das Zellwachstum bei einem pH-Wert von 7,4 am besten ist.

4. Wirkung von DO auf die Bioreaktorkultur

Der gelöste Sauerstoff im Bioreaktor wird erreicht, indem eine Mischung aus Sauerstoff und Luft durch einen Blasenverteiler in das Kulturmedium geleitet wird. Die Strukturform des Blasenverteilers bestimmt weitgehend den Zustand des gelösten Sauerstoffs im Bioreaktor.

Das Subsystem zur Steuerung des gelösten Sauerstoffs ist in zwei Hauptsysteme unterteilt: Oberflächen- und Tiefenbelüftung. Das Tiefenbelüftungssystem verwendet einen Mikroblasengenerator, um gelösten Sauerstoff bereitzustellen. Die Blasen sind klein und gleichmäßig und der gelöste Sauerstoffübertragungseffekt ist gut. Darüber hinaus werden der Massenübertragungs- und Wärmeübertragungseffekt durch Optimierung des Designs mit dem Rührblatt erheblich verbessert. Die Oberflächenbelüftung kann schnell Frischluft in den Reaktor und die Oberflächenschicht einblasen, wodurch der Oberflächenflüssigkeits-Sauerstoffübertragungskoeffizient erhöht wird.

Wie eine bestimmte Konzentration an gelöstem Sauerstoff (DO) aufrechterhalten werden kann, ohne die Zellen zu schädigen, ist ein Schlüsselfaktor bei der großflächigen Kultivierung tierischer Zellen. Zellen können unter hypoxischen Bedingungen nicht überleben. Ein zu niedriger Gehalt an gelöstem Sauerstoff beeinträchtigt den Zellstoffwechsel und damit das Zellwachstum; ein zu hoher Gehalt an gelöstem Sauerstoff wirkt sich nicht nur toxisch auf die Zellen aus, hemmt das Zellwachstum, sondern erhöht auch die Produktionskosten.

Der Sauerstoffbedarf von Zellen ist in verschiedenen Wachstumsstadien unterschiedlich. Die Sauerstoffverbrauchskapazität von Zellen ist in der logarithmischen Wachstumsphase besonders hoch. Im Allgemeinen wird die Konzentration an gelöstem Sauerstoff in großflächigen Kultivierungsprozessen auf 20 % bis 60 % der Luftsättigung kontrolliert. Eine bestimmte Konzentration an gelöstem Sauerstoff kann aufrechterhalten werden, indem das Verhältnis von Luft, Sauerstoff und Stickstoff in der Gaszufuhr angepasst oder die Rührgeschwindigkeit erhöht wird.