哺乳动物细胞培养如何实现在线监测？
发布时间：2024-09-02 浏览次数：170
细胞培养过程的实时和近实时监测对于上游生物处理的过程分析（process analytical Technology，PAT）至关重要。曾经生物反应器过程的实时监测一直被降级定义为pH、溶解氧和温度等参数。而其他反应进程结果，如细胞生长和代谢物情况，则通过人工每日取样分析获得。为了减少样本误差和增加吞吐量，实时和近实时的仪器已经被开发出来。本文将讨论（近）实时技术的最新进展，旨在关注监测生物反应器过程的在线技术，包括介电光谱、NIR、废气光谱、集成在线HPLC和用于监测细胞生长、代谢、滴度和产品质量的纳米流体设备。
监测细胞培养和生长的技术进展主要集中在光谱和光谱工具上。这些技术的发展已经超越了测量活细胞浓度（viable cell concentration，VCC），而是转向将光谱信号与细胞健康和代谢状态的其他指标联系起来。下面介绍一下用于监测细胞生长和健康状态的光谱技术。
1、电容传感器
由于电容传感器在商业上可用于从台级到商业规模的生物反应器，因此在良好制造实践（GMP）设施中利用这种技术取得了最新进展。Metze等人最近的研究表明，该技术在CHO细胞生物反应器中的可扩展性，从50到2000 L。此外，这些研究表明，相对介电常数可以与其他指标相关，如活细胞体积和湿细胞重量。同样，Moore等人通过评估电容传感器在上游生物加工的多个阶段的应用，展示了电容传感器在工业制造中的潜在应用。
图1 细胞培养监测工具的类型及其各自的测量时间。分析技术的进步，特别是在线和在线的测量，不仅使采样频率，而且使收集的数据的广度也有更大的增加。
2、 NIR用于测量活细胞浓度
最近也完成了一些研究，评估使用NIR来测量一系列参数，包括VCC。NIR光谱数据与细胞培养参数相关，即偏最小二乘回归（PLSR）和局部加权回归（LWR）来处理非线性关系。对于活细胞，它们能够实现较高的R2值（PLSR和LWR分别为0.95和0.97），用于交叉验证和预测。
图2 在线和在线工具及其方法。(a)表明，在线分析技术主要基于光谱方法，包括NIR、介电光谱学和荧光光谱学。这些工具通常以原位探针的形式浸入细胞培养反应器中。(b)总结了常用的在线分析方法，以及一种互补的抽样方法。在线分析仪器依赖于一个集成的采样器，允许感兴趣的材料连续或间歇性地送入仪器。
此外，也可以综合HPLC、废气光谱法和NIR用于代谢物分析。为了实现与现有台式方法的高水平可比性，一些研究已经致力于能够对这些方法进行快速分析。具有快速的分析时间，允许使用自动进样器进行在线测量。Hofer等人使用了一个连接到HPLC的自动进样器和一个台式代谢物分析仪来监测维生素、氨基酸、代谢物和效度。他们用拉曼光谱法评估了这项技术，以量化酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸的浓度。使用离线HPLC方法作为参考，他们发现在线HPLC的结果比拉曼测量的结果更准确。
关键发现：介电光谱、NIR、废气光谱、集成在线HPLC和用于监测细胞生长和健康、代谢物、滴度和产品质量的纳米流体设备等方法可实时和近实时的监测生物反应器过程。
内容结论：上述分析方法的进步能够使更多潜在变量可以测量，但需要更先进的数据处理和分析方法将光谱数据与变量联系起来。随着计算能力的不断提高和更复杂的算法发展，这些障碍无疑是可以克服的。一些不断发展的技术，如多属性方法和将深度学习集成到软传感器中，是进一步研究的很有前途的途径。即便如此，不仅检测细胞培养性能指标，而且检测产品滴度和产品质量属性的能力已经显示了这些技术可以提供的潜力。
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.
来源：微生物安全与健康网，作者~陈诺
