Inline monitoring of cell cultures with Raman spectroscopy

Význam tématu

Bioreaktorová kultivace buněk je klíčová pro výrobu biopharmaceutik, jako jsou terapeutické proteiny a vakcíny. Kontrola hladin klíčových metabolitů, zejména glukózy a laktátu, je nezbytná pro stabilní růst buněk a vysoké výtěžky. Inline monitorování bezkontaktní Ramanovou spektroskopií umožňuje průběžné sledování procesů v reálném čase bez rizika kontaminace.

Cíle a přehled studie

Cílem bylo vyvinout a ověřit metodu pro online kvantifikaci glukózy a laktátu v reálném čase přímo v bioreaktoru pomocí Ramanova analyzátoru Metrohm 2060. Studie porovnala Ramanova data s referenčními metodami (titrace, iontová chromatografie, HPLC) a postavila jednoduché kalibrační modely pro oba analyty.

Použitá metodika a instrumentace

Inline měření probíhala pomocí Ramanova analyzátoru 2060 vybaveného autoclavovatelnou ponornou sondou Metrohm Process Analytics s excitací laserem 785 nm. Spektrální data byla sbírána každou minutu a vyhodnocována v softwaru Vision a IMPACT. Referenční hodnoty glukózy a laktátu sloužily k vytvoření a validaci kalibračních modelů.

Hlavní výsledky a diskuse

Kalibrace dosáhla následujících parametrů:

• Rozsah glukózy: 0,1–40 g/L, bias –0,135 g/L, SEP 0,201 g/L
• Rozsah laktátu: 0–5 g/L, bias –0,085 g/L, SEP 0,117 g/L

Modely prokázaly dostatečnou přesnost pro kontinuální sledování procesů a umožňují rychlou detekci změn metabolismu buněk.

Přínosy a praktické využití metody

Inline Ramanova spektroskopie přináší tyto výhody:

• Rychlá detekce odchylek a potenciálních selhání kultivace
• Sledování více parametrů najednou ze stejného místa
• Bezkontaktní a neinvazivní měření bez rizika kontaminace
• Nízký vliv vody v Ramanových spektrálních datech

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se širší integrace inline spektroskopických metod s pokročilými algoritmy strojového učení pro prediktivní řízení procesů. Další potenciál spočívá v rozšíření monitorovaných parametrů na aminokyseliny, proteiny či pH a v kombinaci technik (Raman + NIR) pro komplexnější obraz bioreaktorových dějů.

Závěr

Metrohm 2060 Raman Analyzer prokázal schopnost spolehlivě kvantifikovat glukózu a laktát v reálném čase přímo v bioreaktoru. Tato inline metoda minimalizuje dobu odezvy i riziko kontaminace a přispívá k optimalizaci bioprocesů a zajištění konzistentní kvality produktů.

Reference

1. Cell Culture for Manufacturing, Sigma-Aldrich; 2. Glucose in Cell Culture, Sigma-Aldrich; 3. The Circle of Lactate: How Cancer Cells Can Reuse Their Own Waste, Science in the News, 2018; 4. Li Z.-M. et al., Factors Affecting the Expression of Recombinant Protein and Improvement Strategies in Chinese Hamster Ovary Cells, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2022.