哺乳動物細胞培養(yǎng)如何實現在線監(jiān)測？
發(fā)布時間：2024-09-02 瀏覽次數：82
細胞培養(yǎng)過程的實時和近實時監(jiān)測對于上游生物處理的過程分析（process analytical Technology，PAT）至關重要。曾經生物反應器過程的實時監(jiān)測一直被降級定義為pH、溶解氧和溫度等參數。而其他反應進程結果，如細胞生長和代謝物情況，則通過人工每日取樣分析獲得。為了減少樣本誤差和增加吞吐量，實時和近實時的儀器已經被開發(fā)出來。本文將討論（近）實時技術的最新進展，旨在關注監(jiān)測生物反應器過程的在線技術，包括介電光譜、NIR、廢氣光譜、集成在線HPLC和用于監(jiān)測細胞生長、代謝、滴度和產品質量的納米流體設備。
監(jiān)測細胞培養(yǎng)和生長的技術進展主要集中在光譜和光譜工具上。這些技術的發(fā)展已經超越了測量活細胞濃度（viable cell concentration，VCC），而是轉向將光譜信號與細胞健康和代謝狀態(tài)的其他指標聯系起來。下面介紹一下用于監(jiān)測細胞生長和健康狀態(tài)的光譜技術。
1、電容傳感器
由于電容傳感器在商業(yè)上可用于從臺級到商業(yè)規(guī)模的生物反應器，因此在良好制造實踐（GMP）設施中利用這種技術取得了最新進展。Metze等人最近的研究表明，該技術在CHO細胞生物反應器中的可擴展性，從50到2000 L。此外，這些研究表明，相對介電常數可以與其他指標相關，如活細胞體積和濕細胞重量。同樣，Moore等人通過評估電容傳感器在上游生物加工的多個階段的應用，展示了電容傳感器在工業(yè)制造中的潛在應用。
圖1 細胞培養(yǎng)監(jiān)測工具的類型及其各自的測量時間。分析技術的進步，特別是在線和在線的測量，不僅使采樣頻率，而且使收集的數據的廣度也有更大的增加。
2、 NIR用于測量活細胞濃度
最近也完成了一些研究，評估使用NIR來測量一系列參數，包括VCC。NIR光譜數據與細胞培養(yǎng)參數相關，即偏最小二乘回歸（PLSR）和局部加權回歸（LWR）來處理非線性關系。對于活細胞，它們能夠實現較高的R2值（PLSR和LWR分別為0.95和0.97），用于交叉驗證和預測。
圖2 在線和在線工具及其方法。(a)表明，在線分析技術主要基于光譜方法，包括NIR、介電光譜學和熒光光譜學。這些工具通常以原位探針的形式浸入細胞培養(yǎng)反應器中。(b)總結了常用的在線分析方法，以及一種互補的抽樣方法。在線分析儀器依賴于一個集成的采樣器，允許感興趣的材料連續(xù)或間歇性地送入儀器。
此外，也可以綜合HPLC、廢氣光譜法和NIR用于代謝物分析。為了實現與現有臺式方法的高水平可比性，一些研究已經致力于能夠對這些方法進行快速分析。具有快速的分析時間，允許使用自動進樣器進行在線測量。Hofer等人使用了一個連接到HPLC的自動進樣器和一個臺式代謝物分析儀來監(jiān)測維生素、氨基酸、代謝物和效度。他們用拉曼光譜法評估了這項技術，以量化酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸的濃度。使用離線HPLC方法作為參考，他們發(fā)現在線HPLC的結果比拉曼測量的結果更準確。
關鍵發(fā)現：介電光譜、NIR、廢氣光譜、集成在線HPLC和用于監(jiān)測細胞生長和健康、代謝物、滴度和產品質量的納米流體設備等方法可實時和近實時的監(jiān)測生物反應器過程。
內容結論：上述分析方法的進步能夠使更多潛在變量可以測量，但需要更先進的數據處理和分析方法將光譜數據與變量聯系起來。隨著計算能力的不斷提高和更復雜的算法發(fā)展，這些障礙無疑是可以克服的。一些不斷發(fā)展的技術，如多屬性方法和將深度學習集成到軟傳感器中，是進一步研究的很有前途的途徑。即便如此，不僅檢測細胞培養(yǎng)性能指標，而且檢測產品滴度和產品質量屬性的能力已經顯示了這些技術可以提供的潛力。
原文：Fung Shek C, Betenbaugh M. Taking the pulse of bioprocesses: at-line and in-line monitoring of mammalian cell cultures. Curr Opin Biotechnol. 2021;71:191-197. doi:10.1016/j.copbio.2021.08.007.
來源：微生物安全與健康網，作者~陳諾
