pH is a key parameter in the optimization of animal cell processes, and has be linked to specific patterns of consumption and production of extracellular metabolites. However, the effect of extracellular pH on intracellular metabolism has not been fully elucidated. Metabolic flux analysis is a mathematical method that can be used to generate the intracellular flux distributions in cells, e.g. as a function of some environmental parameter. In this work, the overall objective was to develop a culture system and experimental protocol for cultivation of CHO cells, which can be used to generate data for analysis of the relationship between extracellular pH and intracellular fluxes in CHO cells by metabolic flux analysis. First, shake-flask culture of an IgG-producing cell line was performed to select an academic and chemically-defined medium with known composition. This was followed by subsequent adaptation of the cells. It was found that the originally selected medium had to be supplemented with a commercial medium to produce acceptable growth and viability. Shake-flask culture was also performed to evaluate the effect of the biological buffer HEPES on cell growth and viability, and the pH-stability during culture. HEPES-concentrations in the investigated range (7.5-45 mM) did not show an apparent effect on cell growth or viability. The higher concentrations gave slightly better buffering capacity at inoculation, however were not sufficient to keep pH stable during culture. As a result, the idea of using shake flask culture and similar techniques for cultivation of cells at various pH set-points was dismissed. Instead, a culture system and protocol based on a 100 mL Spinner flask with pH-regulation was custom-designed for the project. Features of the final design included continuous monitoring of pH and DO, stable temperature at 37 °C, adjustable agitation rate, as well as the option to incorporate inflow of air, O2 and CO2. In addition, the possibility to disconnect the flask unit to perform medium exchange and sample collection away from the reactor site (i.e. in a laminar flow workbench) was integrated into the design and protocol. The system was demonstrated for pseudo-perfusion culture with the adapted IgG-producing cell line at pH 7.0 during 24 days. Optimized regulation settings were identified. It was shown that the system could support viable cell densities of up to 11 MVC/mL and high viability (> 90 %). During the final phase of culture, stable growth, at specific growth rates of approximately 0.7 Day-1, was achieved. The specific rates of consumption and production of the key metabolites glucose, glutamine, lactate and NH4+, as well as 20 amino acids were analyzed. A majority of the rates were in accordance with CHO cell metabolism. The expected consumption of a majority of the essential amino acids and main carbon sources glucose and glutamine were confirmed, as well as the associated production of by-products lactate and NH4+. The system and protocol developed in this work can be used in future experiments to generate data describing metabolic profiles as a function of various pH-set points. This data may then be used in metabolic flux analysis to further elucidate the metabolism behind pH effects in CHO cells. / pH är en viktig parameter i optimeringen av animalcellsprocesser och har sammankopplats med specifika konsumtions- och produktionsmönster rörande extracellulära metaboliter. Det extracellulära pH-värdets effekt på den intracellulära metabolismen är dock inte fullt klarlagd. Metabolisk flux analys är en matematisk metod som kan användas för att generera intracellulära fluxfördelningar i celler, exempelvis som en funktion av någon yttre parameter. Det övergripande målet i detta arbete var att utveckla ett odlingssystem och experimentellt protokoll för odling av CHO-celler som kan användas för att generera data för metabolisk flux analys där målet är att studera effekten av pH på den intracellulära cellmetabolismen. En IgG-producerande CHO-cellslinje odlades först i skakkolv för att välja ut ett akademiskt kemiskt definierat medium med känd sammansättning. Därefter följde försök att anpassa cellerna till det valda mediet. Det visade sig att ett kommersiellt medium behövde tillsättas för att ge godtagbar tillväxt och viabilitet. Effekten av den biologiska bufferten HEPES på cellernas tillväxt och viabilitet, samt pH-stabiliteten under odling, undersöktes också genom odling i skakkolv. HEPES-koncentrationer i det undersökta intervallet (7.5 – 45 mM) hade ingen större effekt på tillväxt och viabilitet. För de högre koncentrationerna var buffertkapaciteten något bättre precis vid inokulering. Dessa koncentrationer var dock ej tillräckliga för att ge stabilt pH under odlingen. Baserat på dessa resultat övergavs tanken på att använda skakkolvsodling för att odla celler vid olika pH-värden. Ett odlingssystem och ett protokoll baserat på en 100 mL Spinnerflaska med pH-reglering specialdesignades istället för projektet. I det färdiga systemet fanns lösningar för kontinuerlig övervakning av pH och DO, stabil temperatur vid 37 °C, justerbar omrörningshastighet, samt valmöjligheten att flöda in luft, O2 och CO2. Dessutom infördes möjligheten att koppla loss flaskenheten från reglersystemet för byte av medium och provtagning. För att demonstrera systemet genomfördes en odling med den anpassade IgG-producerande cellinjen enligt principen för pseudo-perfusion vid pH 7.0. Odlingen pågick under 24 dagar och optimerade reglerinställningar identifierades. Det visades att systemet kunde understödja cellkoncentrationer upp till 11 miljoner celler per milliliter, samt hög viabilitet (> 90 %). Under den senare delen av odlingen uppnåddes stabil tillväxt, vid specifika tillväxthastigheter omkring 0.7 per dygn. Den specifika konsumtions- och produktionshastigheten för metaboliterna glukos, glutamin, laktat och NH4+, samt 20 aminosyror analyserades. Majoriteten av hastigheterna stämde överens med typisk CHO-cellsmetabolism. Den förväntade konsumtionen av majoriteten av de essentiella aminosyrorna och huvudsakliga kolkällorna glukos och glutamin konfirmerades, såväl som den associerade produktionen av bi-produkterna laktat och NH4+. Odlingssystemet och det experimentella protokollet som utvecklades i detta arbete kan användas i framtida experiment för att generera data som beskriver metaboliska profiler som funktion av extracellulärt pH. Dessa data kan sedan användas i metabolisk flux analys för att dra slutsatser om pH-effekter i CHO-celler.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-49069 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Hagrot, Erika |
| Publisher | KTH, Skolan för bioteknologi (BIO) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0031 seconds