Mammalian cell culture : high throughput applications of oxygen sensor plates and cellular physiological studies using 13C-labeling

Abstract

Innovative 96-well microplates equipped with optical oxygen sensors were applied for high throughput applications for mammalian cell culture. The oxygen uptake rates of the cells could be calculated from online monitoring of dissolved oxygen. The microplates were applied for process development using statistical experimental design with regard to medium optimization offering significant cost benefits and reducing the time generally required to carry out the process. With viability assay developed using the microplates, the toxicity of compounds could be tested in primary cells as well as adherent and suspension cells. The advantage of this assay over the presently available assays includes its kinetic nature and that the cells could be processed for further studies. The physiology of Chinese hamster ovary (CHO) cells was investigated by isotopic labeling studies. Cells were grown in parallel in multiple labeled carbon substrates. Based on the carbon isotope distribution in the metabolites, a model for the metabolism of pyruvate is proposed. There was evidence for the cytosolic compartmentation of pyruvate. The model proposes that this might be due to metabolic channeling occurring in glycolysis. Moreover, from the data, metabolism of glycine and serine was investigated. It is seen that the reverse glycine cleavage system and the glyoxylate cycle is active in CHO cells. Relative fluxes in the major metabolic pathways of CHO cells were estimated.

In der vorliegenden Arbeit wurden 96-well Mikrotiterplatten, ausgestattet mit optischen Sauerstoffsensoren, für die "high throughput"-Anwendung mit Säuger-Zellkulturen eingesetzt. Die Sauerstoff-Aufnahmeraten der Zellen konnten dabei durch online Messung des Gelöstsauerstoffs bestimmt werden. Die verwendeten Mikrotiterplatten wurden zur Mediumoptimierung mittels "statistical experimental design" mit entsprechender Senkung von Kosten und Zeit eingesetzt. Außerdem konnte mit den Mikrotiterplatten die Toxizität von Substanzen für Primärzellen sowie für adhärent und in Suspension wachsenden Zellen durch Einsatz eines "viability assays" bestimmt werden. Der hier angewendete Ansatz bietet gegenüber den bisher verfügbaren Tests den entscheidenden Vorteil, einer dynamischen Messung und dass die Zellen für weitere Studien verwendet werden können. Des Weiteren wurde die Physiologie von Chinese hamster ovary (CHO) Zellen durch 13CMarkierungsstudien untersucht. Zellen wurden zu diesem Zweck auf Kohlenstoff-markierten Substraten kultiviert. Basierend auf der Kohlenstoffverteilung im Stoffwechsel wurde ein Modell für den Pyruvat-Metabolismus vorgeschlagen. Dabei ergaben sich Hinweise auf eine zytosolische Kompartimentierung von Pyruvat bedingt durch "Metabolic Channeling" in der Glycolyse. Im Glycin/Serin-Stoffwechsel waren das "reverse Gylcin Cleavage System" und der Glyoxylat-Weg in CHO-Zellen aktiv.