EXNER EXcell 231在線近紅外吸收傳感器---通過持續監測細胞密度實現最佳生產結果

 

細胞培養和微生物在現代制藥和生物技術的開發過程中發揮著至關重要的作用。由于它們對外部影響非常敏感，因此在繁殖過程中必須精確管理和監測工藝條件。這包括溫度、pH 值或溶解氧等。細胞密度是最重要的過程特征之一，可以根據培養基的光學密度來確定。

當復雜的活性成分無法通過化學合成用于制藥生產時，就會使用生物技術工藝。在這里，例如通過使用轉基因生物來生產單克隆抗體或其他重組蛋白。根據后續用途以及所需的翻譯后修飾或蛋白質折疊等因素，可以使用細菌、酵母或哺乳動物細胞等。活性成分的復雜性通常與過程的復雜性和脆弱性直接相關。即使是微小的變化也可能對獲得的物質的性質和有效性產生重大影響。因此，生物制藥工藝屬于活性成分生產中具有挑戰性的工藝之一。

當我們考慮所有必要的生產步驟時，上游工藝尤其具有特殊的重要性。在這里，細胞的培養及其隨后的繁殖是通過批量、補料分批或灌注工藝等方式在生物反應器中完成的。為了生產出盡可能多的所需物質并達到適當的質量，生物反應器中的條件必須進行最佳調整。這里最重要的參數包括溫度、pH 值、攪拌速率以及培養基濃度和溶解氧等。

基于光學密度測定細胞生長

光學密度可以通過吸收測量等方式來確定，它是細胞培養成功繁殖的指標。在這里，將一束光引入培養基中，并通過檢測器來確定光的損失。這里發射光的減少與實際細胞密度直接相關。由于目標蛋白的體積通常由細胞數量決定，因此它是最重要的過程特征之一。它用于確定進料的時間、改變碳源、誘導或收獲的時間。還可以通過光學密度計算稀釋率。

為了實現對大多數細胞來說最佳的吸收并排除顏色影響，通常使用近紅外（NIR）波長的傳感器來測定細胞密度。在這里，所有散射或吸收光的顆粒都會被檢測到。除了活細胞外，還包括死細胞和細胞碎片。然而，上述類型的傳感器已被證明在生長階段特別有效，能夠提供可靠的值，因為它可以快速且容易地實現在線測量。早期檢測可能導致細胞生長減少的過程變化也是光學密度測量的另一個優勢。

在實驗室和后續生產過程中持續監測細胞密度

然而，為了能夠從光學密度測量的優勢中受益，在開發過程中必須已經建立與其他測量值（如細胞總數和細胞干重）的相關性。介電光譜法是另一個例子。通過這種方法，可以確定介電常數，也稱為介電電導率或介電函數。由于活細胞具有儲存電荷的能力，介電常數的變化可以推斷出有缺陷或死亡的細胞。因此，與光學密度測量相比，介電光譜法提供了關于活細胞數量的信息。

在許多開發實驗室中，以及在一定程度上在下游生產過程中，光學密度通常只是“離線"測定，以便得出關于過程進展或細胞生長的結論。這意味著員工必須在規定的時間手動取樣以進行分析。在這些時間間隔之間，或者如果沒有員工在場（例如夜間），由于沒有進行過程監測，可能會丟失有價值的數據。此外，由于從過程中取出并在生物反應器外進行分析，也無法排除樣本可能受到污染的可能性。

對所有關鍵和質量相關參數的持續且不間斷的監測和控制是生物過程開發的關鍵要素。只有通過正確調整這些參數，才能創造出細胞能夠最佳生長的環境。為了提高產品質量和過程性能，越來越多地使用允許持續原位監測和記錄所有必要數據的傳感器和測量儀器，這些儀器也可以用于后續生產過程。因此，可重復性顯著提高，過程產量也有所增加。如果使用相同的傳感器和測量儀器，那么在實驗室中使用的測量技術與安裝在過程中的測量技術之間繁瑣的相關性就可以避免。

用于測定細胞密度的測量探頭的要求

由于生物制藥工藝是非常具有挑戰性的工藝，對外部影響非常敏感，因此組件（例如生物反應器、攪拌器和測量探頭）的高質量至關重要。除了所選材料（通常是不銹鋼）之外，相關表面（在不銹鋼的情況下，其粗糙度深度非常低，并且通常經過電拋光）也是關鍵因素。

通過盡可能無間隙的設計來有效防止培養基受到污染，從而減少死空間。所有由設計所需的凹陷和倒角，特別是那些與培養基接觸的區域，也應易于清潔。如今，用于測量的儀器通常是 CIP/SIP 兼容的，并且可以進行高壓滅菌。

通過持續檢測和記錄吸收值，測量探頭提供了最新的細胞生長監測。也不需要進行樣本制備，例如稀釋樣本。因此可以避免數據提供過程中的錯誤。在過程中，測量探頭不需要重新校準，并且提供無漂移的信號。收集的數據易于解釋，因此不需要任何特殊處理。然而，無法建立與通過傳統方法（如細胞干重或細胞計數）收集的測量值的相關性。由于上述設計，探頭可以輕松地與生物反應器一起安裝和驗證。