EXNER EXcell 231在線近紅外吸收傳感器---通過持續(xù)監(jiān)測細(xì)胞密度實現(xiàn)最佳生產(chǎn)結(jié)果

細(xì)胞培養(yǎng)和微生物在現(xiàn)代制藥和生物技術(shù)的開發(fā)過程中發(fā)揮著至關(guān)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(jiān)測工藝條件。這包括溫度、pH 值或溶解氧等。細(xì)胞密度是最重要的過程特征之一，可以根據(jù)培養(yǎng)基的光學(xué)密度來確定。

當(dāng)復(fù)雜的活性成分無法通過化學(xué)合成用于制藥生產(chǎn)時，就會使用生物技術(shù)工藝。在這里，例如通過使用轉(zhuǎn)基因生物來生產(chǎn)單克隆抗體或其他重組蛋白。根據(jù)后續(xù)用途以及所需的翻譯后修飾或蛋白質(zhì)折疊等因素，可以使用細(xì)菌、酵母或哺乳動物細(xì)胞等。活性成分的復(fù)雜性通常與過程的復(fù)雜性和脆弱性直接相關(guān)。即使是微小的變化也可能對獲得的物質(zhì)的性質(zhì)和有效性產(chǎn)生重大影響。因此，生物制藥工藝屬于活性成分生產(chǎn)中具有挑戰(zhàn)性的工藝之一。

當(dāng)我們考慮所有必要的生產(chǎn)步驟時，上游工藝尤其具有特殊的重要性。在這里，細(xì)胞的培養(yǎng)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(yīng)器中完成的。為了生產(chǎn)出盡可能多的所需物質(zhì)并達到適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，生物反應(yīng)器中的條件必須進行最佳調(diào)整。這里最重要的參數(shù)包括溫度、pH 值、攪拌速率以及培養(yǎng)基濃度和溶解氧等。

基于光學(xué)密度測定細(xì)胞生長

光學(xué)密度可以通過吸收測量等方式來確定，它是細(xì)胞培養(yǎng)成功繁殖的指標(biāo)。在這里，將一束光引入培養(yǎng)基中，并通過檢測器來確定光的損失。這里發(fā)射光的減少與實際細(xì)胞密度直接相關(guān)。由于目標(biāo)蛋白的體積通常由細(xì)胞數(shù)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(dǎo)或收獲的時間。還可以通過光學(xué)密度計算稀釋率。

為了實現(xiàn)對大多數(shù)細(xì)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(xì)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(xì)胞外，還包括死細(xì)胞和細(xì)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(xiàn)在線測量。早期檢測可能導(dǎo)致細(xì)胞生長減少的過程變化也是光學(xué)密度測量的另一個優(yōu)勢。

在實驗室和后續(xù)生產(chǎn)過程中持續(xù)監(jiān)測細(xì)胞密度

然而，為了能夠從光學(xué)密度測量的優(yōu)勢中受益，在開發(fā)過程中必須已經(jīng)建立與其他測量值（如細(xì)胞總數(shù)和細(xì)胞干重）的相關(guān)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(shù)，也稱為介電電導(dǎo)率或介電函數(shù)。由于活細(xì)胞具有儲存電荷的能力，介電常數(shù)的變化可以推斷出有缺陷或死亡的細(xì)胞。因此，與光學(xué)密度測量相比，介電光譜法提供了關(guān)于活細(xì)胞數(shù)量的信息。

在許多開發(fā)實驗室中，以及在一定程度上在下游生產(chǎn)過程中，光學(xué)密度通常只是“離線"測定，以便得出關(guān)于過程進展或細(xì)胞生長的結(jié)論。這意味著員工必須在規(guī)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(jiān)測，可能會丟失有價值的數(shù)據(jù)。此外，由于從過程中取出并在生物反應(yīng)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(guān)鍵和質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的持續(xù)且不間斷的監(jiān)測和控制是生物過程開發(fā)的關(guān)鍵要素。只有通過正確調(diào)整這些參數(shù)，才能創(chuàng)造出細(xì)胞能夠最佳生長的環(huán)境。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和過程性能，越來越多地使用允許持續(xù)原位監(jiān)測和記錄所有必要數(shù)據(jù)的傳感器和測量儀器，這些儀器也可以用于后續(xù)生產(chǎn)過程。因此，可重復(fù)性顯著提高，過程產(chǎn)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(shù)與安裝在過程中的測量技術(shù)之間繁瑣的相關(guān)性就可以避免。

用于測定細(xì)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(zhàn)性的工藝，對外部影響非常敏感，因此組件（例如生物反應(yīng)器、攪拌器和測量探頭）的高質(zhì)量至關(guān)重要。除了所選材料（通常是不銹鋼）之外，相關(guān)表面（在不銹鋼的情況下，其粗糙度深度非常低，并且通常經(jīng)過電拋光）也是關(guān)鍵因素。

通過盡可能無間隙的設(shè)計來有效防止培養(yǎng)基受到污染，從而減少死空間。所有由設(shè)計所需的凹陷和倒角，特別是那些與培養(yǎng)基接觸的區(qū)域，也應(yīng)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(xù)檢測和記錄吸收值，測量探頭提供了最新的細(xì)胞生長監(jiān)測。也不需要進行樣本制備，例如稀釋樣本。因此可以避免數(shù)據(jù)提供過程中的錯誤。在過程中，測量探頭不需要重新校準(zhǔn)，并且提供無漂移的信號。收集的數(shù)據(jù)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(tǒng)方法（如細(xì)胞干重或細(xì)胞計數(shù)）收集的測量值的相關(guān)性。由于上述設(shè)計，探頭可以輕松地與生物反應(yīng)器一起安裝和驗證。