一、在摇床培养中添加药物/补料的常见实验目的

1.1 调控基因表达

• 通过外加诱导剂（如IPTG、阿拉伯糖）实现基因启动子激活，常见于蛋白表达系统中；

• 控制诱导剂浓度与时间点，可以实现定向调控表达量。

1.2 延长对数生长期

• 在细菌或酵母的长时间培养中，添加碳源（如葡萄糖、甘油）或氮源（如胺类、酪蛋白水解物），维持其生长状态；

• 适用于高密度发酵、小规模产物积累测试。

1.3 研究药物刺激或应激反应

• 向细胞或微生物体系中加入抗生素、抗癌药、氧化剂等药物，观察其对细胞存活、转录反应、代谢变化的影响；

• 常用于药物筛选、毒理分析、生物标志物挖掘。

1.4 优化产物积累阶段

• 添加诱导剂或调节因子如维生素、金属离子等，有助于促进代谢路径激活，提升代谢产物（如次级代谢物、酶）产量。

二、理论依据：在摇床培养中动态添加的合理性

2.1 液体体系动态可控性

摇床在振荡状态下形成良好的液体混合与气液接触，体系中可实现：

• 快速溶解；

• 均匀分布；

• 高效传质。

因此，向其中加入药物或补料时，能迅速混匀而不产生局部浓度偏差。

2.2 微生物/细胞对补料的响应窗口

多数生物体系在对数生长期具有较强的摄取与代谢能力，若掌握合适时间点补料，可实现生物量和产物的双提升。

2.3 动态调控与分批控制原理

在现代发酵工程中，常用“分批投料”替代一次投料模式，模拟真实代谢需求，避免底物抑制。实验室摇床虽为小规模模式，但同样可借助此策略提高培养质量。

三、添加方式：如何在摇床运行中实现补料或加药

3.1 手动开盖添加（适用于短时间操作）

适用条件：

• 无菌培养瓶；

• 药物添加量少；

• 室温操作、环境无菌要求高。

操作步骤：

1. 暂停摇床；

2. 迅速打开瓶盖；

3. 用移液器加入消毒后的溶液；

4. 立即拧紧瓶盖、继续培养。

优点：无需额外设备；缺点：存在污染风险，需严格消毒操作。

3.2 透气塞或加料口添加

• 使用带侧管、橡胶塞穿刺口或金属螺帽阀的三角瓶；

• 可用注射器穿刺无菌膜添加，无需开盖。

适合：对无菌要求高的细胞系或致病菌实验。

3.3 外接蠕动泵自动滴加（高端摇床）

• 配合高精度蠕动泵与定量注射器，设置补料程序；

• 可实现连续或分阶段添加。

适合：高通量筛选、长时间诱导表达。

四、不同类型添加物的注意事项

五、案例分析：应用场景与添加策略

案例一：IPTG诱导大肠杆菌表达蛋白

• 培养菌种至OD600≈0.6；

• 暂停摇床运行；

• 加入终浓度1mM IPTG；

• 继续摇床培养16h，温度调整至18℃以优化表达。

案例二：CHO细胞毒理反应实验

• 培养细胞至对数生长期；

• 无需停止摇床，使用透气瓶帽注射50 μM化疗药；

• 观察24~72小时细胞状态、代谢产物和转录反应。

案例三：多阶段补料发酵模拟

• 以乳酸菌为例；

• 每4小时补加葡萄糖（终浓度2%），维持产酸效率；

• 通过多点采样监测pH、溶氧、代谢流。

六、潜在风险与规避策略

6.1 污染风险

• 打开瓶盖时容易引入空气杂菌；

• 应尽量选择无菌穿刺方式；

• 添加器具须提前灭菌处理。

6.2 药物对体系毒性

• DMSO或乙醇溶剂添加过量将影响细胞膜稳定性；

• 建议设置空白溶剂对照组。

6.3 添加剂引发pH变化

• 碳源、酸性药物等会打破培养基原有pH缓冲体系；

• 可结合pH指示剂判断变化并适当调整。

6.4 液体体积膨胀

• 多次添加可能使液体溢出；

• 建议初始灌装体积控制在容器容量的30~50%。

七、实验室操作与记录建议

7.1 建立添加记录表

记录每次添加内容、时间、添加量、操作者等信息，便于数据追溯与分析。

7.2 设定添加时间点

• 对应样品生长曲线、代谢时间窗制定添加节点；

• 避免随意添加影响变量控制。

7.3 统一使用标准浓度溶液

• 实验室内各添加物应配制标准工作液；

• 避免每次现配引入误差。

结语

在实验室培养摇床的培养过程中，是可以并且应当在条件合适的情况下进行药物或补料添加的。这种动态调控方式不仅可以优化实验结果、提高生物产物产量，还能够模拟更贴近体内或工业实际的条件。

然而，任何一次“额外添加”都是对培养体系的扰动，操作必须建立在科学设计、无菌技术与精准控制基础之上。合理设定添加方案、选择合适添加方法、做好记录与对照实验，是确保其成为推动实验进程“加速器”的关键。

在追求高效、稳定、可控的实验道路上，动态补料与药物调控正日益成为现代实验技术的重要组成部分。