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今天分享BMS于2022年发表的一篇文献,本文献聚焦于高浓度细胞培养基中的氨基酸稳定性。高浓度细胞培养基中的氨基酸稳定性受培养基配制和储存条件的影响,而培养基组分(包括氨基酸)的浓度波动会影响细胞培养性能和产物质量属性。本研究评估了高浓度补料培养基的配制pH、配制温度和储存温度对培养基中16种氨基酸稳定性的影响;运用主成分分析(PCA)和皮尔逊相关系数(PCC)两种统计方法,筛选出最能保持氨基酸稳定性的培养基配制条件,并识别出对这些条件敏感的氨基酸。本研究成果将为开发工艺强化用高浓度培养基、基于稳定性谱延长培养基保质期提供思路,最终助力构建更稳定的细胞培养生产工艺。
※∣1 引 言
在单克隆抗体制备过程中,研究人员致力于工艺强化以提高工艺产量、缓解资源限制,而培养基浓缩是一种可提升titer和产物质量的工艺强化手段。培养基优化过程中,需调整营养物质(如维生素、辅因子、代谢底物、氨基酸、无机离子和微量元素)的浓度,以支持细胞生长和蛋白质合成。例如,有研究者开发了5倍浓缩培养基体系,通过添加丙酮酸和碳酸钠实现体系稳定;另有研究以流加培养平台为基础,通过提高基础培养基粉末浓度、重新平衡氨基酸并去除非必需组分,开发出中国仓鼠卵巢(CHO)细胞灌流培养基;还有研究者混合不同商用补料添加剂以提升细胞培养性能,也是一种常见的优化策略。
尽管提高培养基浓度能改善细胞培养性能,但此类配方易引发培养基不稳定性问题,如沉淀、变色和营养物质降解。培养基颜色变化可能由pH波动以及碳酸氢盐、丙酮酸、氨基酸等组分含量变化导致;氧化是营养物质降解的主要原因,可通过优化配制和储存温度缓解;pH则是另一个影响培养基稳定性和细胞培养性能的关键因素。氨基酸稳定性是培养基组成的重要考量指标,氨基酸和蛋白质会通过脱氨基作用缓慢释放铵离子,例如L-谷氨酰胺会分解为环焦谷氨酸和氨。这些变化会随储存时间累积,进而对细胞培养性能产生负面影响,而较长的保质期能大幅提升生产调度的灵活性。然而,目前关于储存过程中营养物质含量变化,尤其是配制条件对培养基长期稳定性影响的相关研究报道较少。
本研究通过分析氨基酸谱,探究了高浓度补料培养基的最终配制pH、配制温度和储存温度对培养基质量的影响。采用超高效液相色谱法对16种氨基酸进行检测,包括谷氨酸、天冬氨酸、组氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸、丝氨酸、精氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、苏氨酸、缬氨酸、天冬酰胺、异亮氨酸和色氨酸,为分析复杂补料培养基的质量提供依据,该检测组包含所有必需氨基酸和部分重要的非必需氨基酸。研究设置的最终配制pH范围为7.0-10.0,储存周期为28天,以溶液中氨基酸的相对含量表征其稳定性,浓度变化由物理沉淀、降解或与葡萄糖等其他组分的非酶促反应导致(本研究为简化分析,将非酶促反应归为降解)。部分条件下观察到培养基产生沉淀,同时对沉淀中的氨基酸谱也进行了检测。此外,在40-50℃范围内配制培养基,探究配制温度的影响;运用主成分分析(PCA)和皮尔逊相关系数(PCC)两种统计方法,筛选出最能保持氨基酸稳定性的培养基配制条件,并识别出对这些条件敏感的氨基酸。本研究成果将为开发工艺强化用高浓度培养基、基于稳定性谱延长培养基保质期提供思路,最终助力构建更稳定的细胞培养生产工艺。
※∣2 材料与方法
※∣2.1 实验材料
本研究采用BMS自制补料培养基,该高浓度专有培养基为哺乳动物细胞培养工艺提供复合营养物质。
※∣2.2 培养基配制
为探究配制pH对培养基稳定性的影响,在玻璃容器中批量配制5 L培养基,将pH值调至7.8作为对照,随后在最终过滤步骤前将其分装为若干等分试样,立即用10 N氢氧化钠或5 N盐酸溶液将等分试样的最终pH值调至7.0、7.4、7.8、9.0和10.0;过滤后将培养基样品分装至125 mL无菌塑料容器中,分别在室温(RT)或4~8℃条件下储存。
在配制温度研究中,于37℃下在玻璃容器中批量制备5 L培养基,过滤后分装至500 mL无菌塑料容器中,随后在培养箱中分别于37℃(对照)、40℃、45℃或50℃下放置3 h,模拟实际配制时长;将处理后的样品分装至125 mL无菌塑料容器中,在不同温度(室温、4-8℃)下储存不同时长(14天、28天)。结果发现,对照组样品在4-8℃储存至第20天时已出现明显沉淀,而其他所有样品在整个研究周期内均保持均相。
为进一步提高培养基浓度,在制备补料培养基时增加30%的基础粉末,并从100 mg/mL的母液中分别添加0、2.4、3.9或6.0 g/L的酪氨酸;通过添加0、2或20 mL/L的10 N氢氧化钠溶液调整最终pH值;过滤后将样品在室温下储存,每日观察其均相性。
※∣2.3 样品储存
将培养基分装后用锡箔纸包裹避光,分别在第0、14、28天收集样品并置于-80℃保存;检测前将样品在36.5℃下解冻、混匀,随后进行氨基酸分析。
※∣2.4 沉淀收集与处理
通过重力沉降分离并收集沉淀,将其重悬于磷酸盐缓冲液(PBS)中;持续搅拌并缓慢加入10 N氢氧化钠溶液,直至沉淀完全溶解;将重悬物定容至原培养基体积的50%,用于氨基酸分析。
※∣2.5 数据分析
在Microsoft Excel中进行数据归一化处理;使用SAS 9.4软件进行主成分分析和皮尔逊相关系数分析,设定95%置信水平为显著性标准。
※∣3 结 果
※∣3.1 不同储存温度下的氨基酸稳定性
在28天的研究周期内评估了储存温度对补料培养基中氨基酸稳定性的影响,对照组培养基的最终配制pH为7.8、配制温度为37℃。图1(A)结果显示,与室温储存相比,4-8℃储存可减少氨基酸降解:室温储存14天后,近半数氨基酸降解率超过20%,天冬氨酸和赖氨酸的归一化浓度低于0.7,8种氨基酸的归一化浓度在0.7-0.8之间,6种氨基酸高于0.8;而4~8℃储存时,所有氨基酸均保持较高浓度。储存至28天时(图1(B)),4~8℃储存的样品出现严重沉淀,多数氨基酸浓度降至初始水平的40%以下;室温储存的样品虽未出现沉淀,但氨基酸浓度从第14天到第28天持续下降。为减少氨基酸降解并防止长期储存过程中产生沉淀,本研究后续对补料培养基的最终配制pH值和配制温度进行了优化。
Figure 1. Effect of storage temperature on AA stability in feed medium at pH 7.8. (A) The ratio of AA concentrations on day 14 versus day 0. (B) The ratio of AA concentrations on day 28 versus day 0. Blue bar, 4–8 °Cstorage; Orange bar, RT storage.
※∣3.2 优化配制pH以提升培养基稳定性
探究了7.0、7.4、9.0和10.0四个pH值(以7.8为对照)对氨基酸稳定性或浓度的影响(图2)。在4-8℃储存条件下,pH 7.0和pH 10.0配制的溶液通过不同机制导致氨基酸稳定性发生显著变化:1)与对照相比,pH 7.0配制的溶液沉淀增多,除天冬氨酸与对照无明显差异外,多数氨基酸浓度降低5%-18%;而pH 7.4配制的溶液因沉淀减少,氨基酸浓度略高于对照。2)pH 10.0配制的溶液无沉淀现象,但氨基酸降解加剧,与对照相比最大额外降解率达9%;pH 9.0配制的溶液同样无沉淀,且氨基酸谱与对照相似。
室温储存条件下,所有溶液均无沉淀,但氨基酸降解现象明显:pH 7.0和pH 7.4配制的溶液降解速度慢于对照,例如天冬氨酸和赖氨酸浓度分别高出16%-23%和16%-24%;pH 9.0配制并在室温储存的溶液,其氨基酸谱与对照及4~8℃储存的样品相似;pH 10.0配制的溶液中,组氨酸和赖氨酸的降解率(分别为22%和17%)高于对照。因此,pH 9.0是所测补料培养基最优的配制pH值,可在无显著降解的前提下防止沉淀产生。
Figure 2. Change of AAs after 14 days under different final preparation pH and storage temperatures. AA concentrations are normalized by pH 7.8 under the same storage conditions. The relative increase and decrease are coded by gradient blue and red color, respectively. P, precipitation was observedin samples stored at 4–8 °Cwith pH 7.0, 7.4, and 7.8. All other conditions remained free of precipitation after 14 days.
研究还尝试通过调整配制pH值进一步优化培养基浓度,同时避免沉淀产生(见图3):将基础培养基粉末浓度提升30%配制1.3倍浓度的补料培养基,并添加不同含量的酪氨酸。结果显示,添加0~2.4 g/L酪氨酸时,1倍和1.3倍浓度的补料培养基样品在20天内均保持均相;添加3.9 g/L酪氨酸时,培养基配制后迅速产生沉淀,将配制pH值调至8.5可轻微延缓沉淀产生,而调至9.8时可使沉淀产生时间推迟至20天;在pH 9.8的条件下,1倍浓度培养基中添加6.0 g/L酪氨酸,在整个实验周期内均保持均相。
Figure 3. Stability of concentrated feed medium with various tyrosine additions. The final pH was adjusted by adding 0, 2, and 20 mL L−1 NaOH solution (10 M). Tyrosine was added to targeted concentration using 100 mg mL−1 stock solution, followed by final quantity sufficient (Q.S.). Samples were stored at RT. The red grid indicates timing of precipitation first observed.
培养基外观可作为稳定性的辅助判断依据(见图4),例如高浓度补料培养基的颜色变化可能由铁介导的色氨酸氧化导致。28天室温储存后,pH 7.8、9.0、10.0配制的培养基分别呈现浅琥珀色、深琥珀色和红棕色;4-8℃储存时,pH 7.8配制的培养基出现沉淀,而pH 9.0和10.0配制的培养基仍保持均相,且所有4-8℃储存的样品均呈现金黄色,与配制pH值无关。
Figure 4. Feed medium appearance after 28 days at different final preparation pH and storage temperatures. (A–E) No precipitation was observed at RT storage for all pH conditions. (c versus fand g) pH 9.0 and pH 10.0 prevented precipitation formation over 28 days at 4–8 °C. 4–8 °Cstorage condition significantly reduced the color formation at pH 9.0 and pH 10.0 (d and e versus fand g).
综上,本研究提出的配制pH值优化策略可提升培养基稳定性:通过提高配制pH值,能在对照基础上增加基础粉末和氨基酸的浓度,而4~8℃储存可减缓高pH值导致的氨基酸降解。
※∣3.3 补料培养基沉淀的表征
研究了不同配制pH值和储存时间下沉淀的组成变化(见图5),4-8℃储存时,通过目视观察发现第7和14天培养基开始产生氨基酸沉淀;第14天的定量检测结果显示,配制pH值越低,沉淀量越多,其中苯丙氨酸是沉淀中含量最高的氨基酸,组氨酸、酪氨酸和精氨酸含量最低。第14-28天期间,培养基的氨基酸沉淀量进一步增加,pH 7.0、7.4、7.8配制的溶液沉淀谱相似,所有检测的氨基酸均存在于沉淀中,其含量占各自初始浓度的12%-41%,组氨酸、苯丙氨酸和色氨酸是沉淀中最主要的组分。目视观察显示,4-8℃储存14天时,三种pH值配制的溶液瓶底均出现白色颗粒,且第14-28天沉淀形成速度进一步加快。
Figure 5. Precipitation composition analysis and formation process. Feed medium was stored at 4–8 °Cfor (A) 14 days and (B) 28 days. Precipitation was collected through gravity settlement and redissolved to 50% of the original volume before measurement. All AA values are normalized by the respective concentrations in the feed medium on day 0 (defined as total concentration). Purple bar: pH 7.0, green bar: pH 7.4, yellow bar: pH 7.8. (C) Through visualization, the precipitation process was accelerated between days 14 and 28.
※∣3.4 优化配制温度以缓解补料培养基沉淀
室温储存14天后,所有测试温度处理的样品中,氨基酸浓度保持在初始水平的71%-95%(见图6(A)),且归一化氨基酸浓度与处理温度呈负相关;室温储存28天后,氨基酸浓度降至初始水平的50%-89%,其中赖氨酸降解最严重,不同处理温度并未减少储存过程中的氨基酸降解(见图6(B))。
但升高配制温度可缓解培养基在4-8℃储存时的沉淀现象(4-8℃储存的初衷是减缓氨基酸降解)。4-8℃储存28天后,氨基酸浓度保持在初始水平的67%-88%(见图6(C)),与37℃对照相比,40、45、50℃处理对氨基酸浓度无显著影响;目视观察显示,40~50℃处理的培养基样品颜色与对照相近,说明升高配制温度对所测培养基的氨基酸降解和外观变化影响可忽略不计。
Figure 6. Impact of different treatment temperatures on AA profile. Post-filtration medium samples (pH 7.8) were aliquoted and treated at 37 °C (control), 40 °C, 45 °C, and 50 °Cfor 3 h, then stored at room temperature for (a) 14 days and (b) 28 days, and (c) at 4–8 °Cfor 28 days. Samples were subjected to AA analysis. Post-treatment AA change on day 0 was smaller than assay variance (±5%). AA values of day 14 and day 28 data are normalized by day 0 value.
培养基经最终过滤后收集样品,并在不同温度下处理3 h,结果与前述一致:37℃处理的样品出现沉淀,说明单纯延长配制时间无法提升培养基稳定性;而40-50℃处理的培养基在4-8℃储存28天后,未出现任何沉淀迹象。
※∣3.5 通过主成分分析和皮尔逊相关系数对氨基酸谱的系统评估
主成分分析可降低多变量(本研究为16种氨基酸)带来的维度复杂性,实现数据的系统分析,并识别出导致数据变异的条件。本研究将来源于图1、2、5和6的相关数据分为三个数据集进行主成分分析。表 1 列出了前五个主成分、其对应的特征值(即各主成分的量值)以及方差贡献率。方差贡献率超过 90% 的主成分被认定为核心主成分。数据集 1 的变异主要由沉淀现象导致,该沉淀对应第一主成分,解释了 89% 的氨基酸变异。降解的影响居于次要地位,仅解释了 8% 的氨基酸变异。数据集 2 和数据集 3 均仅识别出一个主成分,这一结果反映出降解分别解释了 95% 和 93% 的氨基酸变异。
主成分分析的样品相似度如散点图8显示。其中图8(A)显示,4-8℃储存14天的样品与初始样品可明显区分,沉淀和降解导致不同配制pH值的样品数据呈分散状态,且因重复样品的沉淀产生时间不一致,数据偏差相对较大,其中pH 9.0配制的第14天样品与初始样品最接近,这个结果与图1和图2的结论一致;图8(B)显示,室温储存14天的样品数据点聚为三类,即初始样品、pH 7.0和7.4配制的样品、pH 7.8-10.0配制的样品,分类主要由第一主成分的降解差异导致。图8(C)显示,不同配制温度的样品中,初始样品与室温储存14天的样品主成分1和主成分2值相似,而室温储存28天的样品与初始样品偏离较大,4~8℃储存相同时长的样品则与初始样品接近。上述结果均验证了高温配制虽会导致氨基酸出现轻微的早期降解,但能防止培养基长期储存过程中产生沉淀。
Figure 8. Sample similarity analysis based on PCA plot. The first component is proportional to the maximum variance, where 0 is the center of the multdimension cloud of data points. The second component is orthogonal to the first and proportional to the second-largest variance. (A) pH 7.0, 7.4, 7.8, 9.0, and 10.0 ( ); stored at 4–8 °Cfor 14 days. (B) pH 7.0, 7.4, 7.8, 9.0, and 10.0 ( ); stored at RT for 14 days. (C) Treatment at 37, 40, 45, and 50 °C; stored at (1) 4–8 °Cand (2) RT for 0(blue), 14 (orange) and 28 (red) days.
皮尔逊相关系数分析用于表征氨基酸之间的相互作用,如表2所示:4-8℃储存时(第一数据集),多数氨基酸对配制pH值变化敏感(相关系数≥0.9),而甲硫氨酸和色氨酸与其他氨基酸的相关性较低(相关系数分别为0.85和0.86),说明其对配制pH值变化的响应性较弱;室温储存时(第二数据集),所有氨基酸的降解趋势一致;除天冬氨酸外(相关系数=0.87),所有氨基酸在第三数据集中的相关系数均>0.9,说明将储存温度从室温降至4-8℃可提升氨基酸稳定性。
※∣4 讨 论
工艺强化的成功实现依赖于稳定的高浓度补料培养基的开发,但此类高浓度补料易出现必需组分(如氨基酸)的沉淀和降解,导致浓度波动,进而影响细胞培养工艺的稳定性。本研究探究了不同配制方法和储存条件对提升浓缩补料培养基中氨基酸稳定性的作用。
储存条件影响氨基酸的稳定性和溶解度,氨基酸降解会因铵离子积累或蛋白质聚集增加,对细胞培养性能和产物质量产生负面影响。本研究发现,与4-8℃储存相比(图1),室温储存会加速氨基酸降解,且导致培养基颜色变化(大概率为氧化所致);氨基酸与还原糖的非酶促反应(如美拉德反应)也会导致其浓度显著下降,该反应在室温下即可发生,且在高温、高pH值条件下加剧,这与本研究(图2和4)结果一致。4-8℃储存的培养基无颜色变化,但28天时出现明显沉淀,而室温储存的样品无沉淀,这一沉淀现象导致补料培养基中的氨基酸大量流失(图1)。
本研究探究了调整配制pH或温度是否能解决培养基沉淀问题,结果发现氨基酸沉淀受其净电荷、溶解度的共同影响,而这两个因素均由pH值、储存温度和培养基浓度决定。例如,精氨酸的等电点(pI=10.76)在常见氨基酸中最高,在低pH值下带有大量电荷,产生显著的排斥作用,因此第14天的沉淀中未检测到精氨酸(图5)。配制pH值会影响第14天的沉淀形成速度,但pH 7.0、7.4、7.8配制的样品在第28天的最终沉淀量相近。研究发现,9~10的配制pH值能提升氨基酸稳定性,防止两种储存条件下的沉淀产生(图2-4),但pH 10时部分氨基酸出现降解,这可能与氢氧根离子过量、游离氢离子水平降低有关(图2)。氨基酸谱随时间的整体变化经主成分分析验证后显示,pH 9.0配制的样品在4~8℃或室温储存14天后,其氨基酸谱与初始样品最相似(图8(A)和(B))。
本研究还探究了提高配制pH是否能在进一步提高基础粉末和氨基酸浓度的同时保持其溶解性:将基础培养基浓度提升至1.3倍,并添加不同浓度的酪氨酸(因酪氨酸对细胞培养的多条代谢通路有影响,且溶解度相对较低),结果显示,常规配制pH值仅能支持培养基添加2.4 g/L酪氨酸,而pH 9.8的配制条件下,1.3倍浓度基础粉末的培养基或添加6.0 g/L酪氨酸的培养基均能保持溶解(图3),这可能是因为高pH值下多数氨基酸带有净电荷,溶解度提升。提高的配制pH可以进一步增加氨基酸的浓度和补料培养基中的粉末浓度,然而,高pH值补料对细胞培养性能和产物质量的影响仍需进一步评估。
为与细胞培养标准温度保持一致,细胞培养基通常在37℃下配制,而本研究发现40-50℃配制培养基可防止其在4-8℃储存时产生沉淀(图6)。主成分分析也证实,升高配制温度能提升培养基的储存稳定性:40~45℃配制的培养基在储存14天后,其氨基酸谱与初始样品相近(图8(C))。推测37℃的标准制备温度不足以使培养基粉末完全溶解,部分可通过0.2 μm滤膜的未溶解小颗粒,会在长期储存中引发沉淀;而升高配制温度可促进培养基粉末(包括小颗粒)的完全溶解。
然而,有研究指出升高配制温度可能导致维生素降解,本研究也观察到40~50℃配制时氨基酸存在轻微降解,但该权衡结果处于可接受范围内。值得注意的是,配制温度低于50℃时,维生素B1、B2、B6的降解量可忽略不计(质量损失<5%)。另有研究发现,25、35、40℃配制的培养基在28天后的沉淀量存在差异,且主成分分析显示这些配制温度对培养基初始化学组成无显著影响。最优配制温度可通过其他过程分析技术(PAT)进一步评估,其对细胞培养工艺的影响也需通过实际细胞培养实验验证。
由于化学限定培养基的复杂性,先进技术已成为全面理解和进一步开发培养基的关键,例如液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)可同时定量多种氨基酸;拉曼光谱、荧光激发-发射矩阵光谱(EEM)、核磁共振光谱(NMR)、近红外荧光光谱(NIR)和热重分析(TGA)等新兴技术,也已被用于鉴定和评估复杂细胞培养培养基组分的质量。随着这些技术在生产中的普及,其可应用于培养基配制过程,提升工艺的稳定性。
针对大数据集和数据复杂性带来的挑战,研究人员开发了多种统计模型,包括多元曲线分辨、主成分分析、偏最小二乘法和平行因子分析等,其中主成分分析是数据处理中应用最广泛的技术,因其能快速识别多变量数据集中的变异来源。本研究中,主成分分析明确了降解和沉淀是氨基酸谱变异的来源(表1),并筛选出能保持氨基酸谱稳定性的储存条件(图8),进一步验证了研究结论:将培养基储存于4~8℃,并采用高配制pH值和配制温度,可最大限度减少细胞培养基储存过程中的氨基酸降解和沉淀。先进的统计和检测技术,将成为化学限定细胞培养基开发和表征的关键手段。
※∣5 结 论
本研究系统评估了不同配制pH、储存温度、储存时长和配制温度对16种氨基酸稳定性的影响。将储存温度降至4~8℃可显著提升氨基酸稳定性,但会引发沉淀问题;而提高配制pH或配制温度,能在对氨基酸稳定性影响极小的前提下,缓解浓缩补料培养基的沉淀现象。在评估这些参数对细胞培养和产物质量的影响后,这些最优的培养基制备参数将助力开发更稳定的生产工艺。
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