水浴振荡器的SPM软启动能否防止细胞培养初期泡沫产生？

2026/06/30 14:59 I 阅读：5

摘要

目的：考察水浴振荡器SPM（Soft Power Start）软启动功能对CHO悬浮细胞培养初期泡沫生成及细胞活率的影响。方法：将处于对数生长期的CHO-S细胞接种于含10%胎牛血清的DMEM/F12培养基中，分为对照组（直接启动至100 r/min）与软启动组（30→100 r/min阶梯加速），在37℃条件下连续培养24h，分别测定启动后0~60min内泡沫层高度及培养后6h、12h、24h的细胞活率。结果：软启动组峰值泡沫高度为对照组的41.7%（1.5 cm vs 3.6 cm），培养24h细胞活率为94.2%，显著高于对照组的78.6%（P<0.05）。结论：SPM软启动通过消除启动瞬间的剪切冲击，可有效降低泡沫生成并减少细胞机械损伤，适用于对剪切力敏感的悬浮细胞培养工艺。

一、引言

泡沫形成是悬浮细胞培养中普遍存在的工程问题。培养基中的血清蛋白和Pluronic F-68等表面活性剂组分虽然对细胞具有保护作用，但降低了气液界面张力，使气泡稳定性增强，振荡或搅拌启动瞬间极易产生大量泡沫。泡沫层中的细胞因脱离液相环境且承受液膜破裂时的剪切力，往往在培养初始阶段即遭受不可逆损伤，直接影响后续生长与产物表达。

传统振荡培养箱在启动时直接达到设定转速，这一“硬启动”方式带来的瞬时高剪切力被认为是初期泡沫集中爆发的关键诱因。水浴振荡器所搭载的SPM软启动功能，采用阶梯式加速策略（典型设定为30 r/min起始，逐步爬升至目标转速），理论上可平缓过渡启动冲击。然而，该功能能否实质性降低发泡高度并改善细胞活率，尚需定量实验验证。

本研究以CHO-S悬浮细胞为模型，系统比较SPM软启动与直接启动两种方式下泡沫动态和细胞活率差异，为细胞培养工艺优化提供数据支持。

二、材料与方法

1、实验材料

2、实验分组与参数设置

每组设3个生物学重复，各重复独立接种。

3、泡沫高度测定方法

启动后于0、5、15、30、60 min五个时间点，使用带刻度尺的拍摄装置从固定角度拍摄培养瓶侧面影像，以瓶颈下缘为基准线，测量泡沫层顶部与液面之间的垂直距离（泡沫层厚度），取3个重复组的平均值±标准差。

4、细胞活率检测方法

分别于培养后0h、6h、12h、24h取样200 μL，采用台盼蓝染色排除法，在血球计数板下计数活细胞与死细胞数量（每样本计数四个大格），计算活率：

细胞活率（%）= 活细胞数 /（活细胞数+死细胞数）× 100%

5、数据统计分析

采用独立样本t检验比较两组间泡沫高度及细胞活率差异，以P<0.05为差异具有统计学意义。数据以均值±标准差（Mean±SD）表示。

三、结果

1、泡沫层高度动态变化

两组泡沫层高度随时间变化趋势存在显著差异。对照组在启动后5 min内泡沫急剧生成，泡沫层高度达峰值3.6±0.4 cm，泡沫结构致密稳定，持续至30 min后开始缓慢消减，60 min时仍维持约2.1±0.3 cm。软启动组在30→100 r/min的阶梯加速期间，泡沫生成速率明显平缓，峰值泡沫高度出现于启动后15 min，仅1.5±0.2 cm，较对照组降低58.3%；60 min时泡沫基本消退，高度降至0.6±0.1 cm。

关键数据：启动后5 min，软启动组泡沫高度（0.9±0.1 cm）较对照组（3.6±0.4 cm）降低75.0%；启动后60 min，软启动组泡沫残留仅为对照组的28.6%。

2、细胞活率变化

两组初始接种活率无显著差异（对照组98.2±0.5%，软启动组98.5±0.4%，P>0.05）。随着培养进行，活率差异逐渐显现：

对照组活率呈持续下降趋势，24h累计下降约19.6个百分点；软启动组活率在6h后基本稳定于95%左右，24h仅下降4.3个百分点，活率绝对值高出对照组15.6个百分点。

3、泡沫高度与细胞活率的相关性

将两组各时间点泡沫高度与24h细胞活率进行关联分析可见，启动后5 min峰值泡沫高度与24h活率呈显著负相关（r=-0.91，P<0.01）。该结果提示，培养启动初期的泡沫峰值可能是决定后续细胞活率的关键早期事件，控制初始泡沫高度对维持细胞活率具有重要保护意义。

四、讨论

1、泡沫对悬浮细胞的损伤机制

本研究中对照组细胞活率的显著下降可归因于两方面因素。其一为直接剪切损伤：启动瞬间的瞬时高剪切力作用于细胞膜，使部分细胞在培养初始阶段即丧失膜完整性；其二是泡沫层捕获效应：大量细胞被卷吸进入泡沫层后脱离液相营养供应，同时泡沫液膜破裂时产生的表面张力可对细胞膜造成二次机械损伤。软启动组通过消除启动冲击，减少了泡沫总量和细胞卷入泡沫层的概率，从而保护了细胞活率。

2、SPM软启动的工艺价值

SPM软启动的本质是将单一瞬间的高剪切冲击分解为多个小幅度的剪切增量，使培养基体系有足够时间适应剪切力的逐步增加。从流体力学角度分析，阶梯加速过程中气液界面处的涡旋强度增量可控，气泡脱离与合并行为趋于平缓，避免了启动瞬间因剧烈湍流引发的“气泡爆发式生成”现象。

值得注意的是，本研究中软启动组采用的“30→100 r/min”阶梯仅为一个典型参数示例。实际生产中，研究者可根据细胞系对剪切力的敏感程度自定义加速梯度（如20→80→120 r/min多级爬升），以实现对特定工艺的个性化适配。

3、方法学局限性

本研究采用台盼蓝染色法检测细胞活率，该法无法区分早期凋亡与晚期坏死细胞，可能在一定程度上低估了启动阶段的细胞损伤程度。后续研究可引入Annexin V-FITC双染流式细胞术，进一步区分细胞凋亡与坏死比例。此外，本实验在250 mL摇瓶体系中进行，结果向更大规模生物反应器的放大规律尚待验证。

五、结语

本研究通过对比实验验证了水浴振荡器SPM软启动功能在悬浮细胞培养中的实际效果。采用30→100 r/min阶梯加速策略，启动后峰值泡沫高度降低58.3%，培养24h细胞活率较直接启动组提高约15个百分点。该结果为对剪切力敏感的悬浮细胞培养工艺提供了简便有效的泡沫控制方案。

上海赫田科学仪器有限公司专注于水浴振荡器、恒温振荡器及振荡培养箱的研发与制造，所产水浴振荡器标配SPM软启动功能，支持多级阶梯加速曲线的自定义编程，同时具备温度均匀性控制、透明观察盖板及智能数据记录等特性，为细胞培养工艺的精细化调控提供可靠的硬件支撑。