高通量培养技术吸引我们之处究竟在哪里？生物工程师认知

细履平沙

本文摘要

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       技术的核心往往取决于用户的期望，那么用户对高通量培养技术的期望是什么？我简单的回答就是：系统性的解决摇瓶培养所无法实现的功能。
        本文从用户端分析了生物工程师对高通量培养方法的需求，并结合这一需求分析了四种高通量设施与摇瓶相比优缺点是什么，在最后我们还归纳了高通量培养设施的3条评价要点，希望本文能够带你更多解决生物培养过程的思路。
        文末有Thermo Fisher Scientific 3月26日在线研讨会的通知，如果有时间，就来听听吧。

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01
高通量培养技术可解决什么样的问题？
技术的核心取决于用户的期望，那么用户对高通量培养技术的期望是什么？简单的回答就是：系统性的解决摇瓶培养所无法实现的功能。
实现成百上千个同步培养
仅说对生物培养的初始条件进行优化，就已经是一个不断重复，多次反复的过程，所得结论之不可靠，一个重要原因在初始条件中存在着大量具有高度交互作用的因子，当一次仅改变表面的几个条件，而固定其他条件，所得到的结论，在其他条件变化时，之前的结论又不成立了。
所谓的固定其他条件，只是主观以为固定了，其实有点掩耳盗铃的意思，而高通量的切入点就是在最大程度上，是增加试验量，引入交互作用项（方法提示：链接），从而获得参数之间的交互关系，进而打破这个黑盒子。比如当需要对培养基几十个微观因素进行试验设计时，由于众多交互作用的引入，一次性就需要上千个试验。这时摇瓶就难以满足要求了。使用微孔板就能够在液体工作站的协助下正确的完成预先设计的复杂操作。之后再通过先进的试验数据处理方法便可获得非常robust 结论。
解决单细胞培养
解决快速筛选的目的，特别是当所获菌株非常少的情况下，甚至少到1次只用1个细胞接种。
随着显微技术和微流控技术的发展，对单个细胞的操作也越来越多，而单细胞的培养就需要微反应器。除此之外，基因工程菌一次性可能产生几万个克隆，如果仅凭经验筛选可能会漏选，所以高通量的培养技术可以最大限度的发现高产克隆。

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02
设施分类
基于微型多孔板的生物反应器

这种反应器与传统摇瓶相比
优点：
1、节约原料，免清洗和灭菌；
2、节约空间；
3、节约时间， 通量高，使一次试验考查更多的因素，或者筛选更多的菌株；
4、当接种达到单个细胞或几个细胞的水平时，传统的摇瓶就会被排除在外了；
5、便于处理，因为形状规则，使用酶标仪进行分析，使检测处理更加方便。
缺点：
1、相对成本高；
2、因为体积小，所以反应之间的平行性受到挑战；
3、增加废弃物，不利于环保。
多孔板培养。
采用非侵入式手段，用光学传感器以平行、高通量的方式实时监控培养状况的生物反应器。
与传统摇瓶相比较外，除了上述优缺点外，还有如下优点：增加了pH、DO和OUR等非接触测量方法，使多孔板培养获得了过程参数分析的能力，更适用于工艺开发。
多功能微型生物反应器
每个生物培养器有各自独立的气体供应、温度和pH调控。该系统是为了模拟搅拌式发酵罐而设计的。
另外一个新的的微型生物反应器可以不是传统微孔板的形式，而改变成微流控芯片的形式，让生物培养过程或反应在微形管道中完成，因为微流控技术最擅长的就是对微量液体进行控制，通过微流控技术可以方便的实现在一块芯片上模拟多个反应器的操作，如接种、补料，取样检测等。
当增加了独立的气体和pH的调控能力后，这个装置更接近严格意义的发酵罐了，因为具有了生物反应器的很多功能，所以使发酵工艺从微型直接放大成为可能。
一次性微型生物反应器
这种一次性反应器对于pH、温度、DO等参数具有封闭式循环控制，且为反应器参数设置、补料、加样等整合了一个自动液体处理单元。
增加了补料和加料功能使之成为了严格意义上的发酵罐。
一次性生物反应器最新进展

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03
评价要点
使用高通量培养设施之前，需要了解对高通量设施评价的要点：
设施的平行性
一组平行反应器或多孔板，每个反应单元能否保证一致需要进行比较严格的验证过程。评价的一个重要参数就是关键指标的变异性，用变异系数(Cy％)来判断。关键指标包括：细胞生长的OD、代谢物的浓度等。
费用
需要考虑多少资金支持多大的通量，如果通量不足，前述很多功能就会打折扣。
需求分析
使用高通量系统的一个重要目的在于实现小规模高通量培养，需要对自己的需求进行分析，然后根据需求决定使用什么样的高通量形式，如细菌、酵母、哺乳动物细胞或昆虫细胞，不同培养物对高通量设施的要求不同。