A complete gas analysis solution in mammalian cell culture processes

Komplexní řešení analýzy plynů v procesech kultivace savčích buněk

Význam tématu

Analýza respiračních plynů v kulturách savčích buněk je klíčová pro řízení kvality a produktivity bioprocesů. Měření koncentrací vnášených a odcházejících plynů (zejména kyslíku a oxidu uhličitého) umožňuje neinvazivně sledovat fyziologický stav buněk, rychlost růstu, spotřebu substrátu a vznik nežádoucích metabolitů. Přesné a rychlé monitorování off‑gas informací napomáhá optimalizovat čas sklizně a předcházet toxickým stavům kultury, což je zásadní pro výzkum, vývoj i produkci biofarmaceutik.

Cíle a přehled článku

Článek prezentuje kompletní technologické řešení pro analýzu plynů v procesech kultivace savčích buněk nabízené společností Thermo Fisher. Cílem je popsat vhodnost hmotnostních spektrometrů pro monitorování malých, ale kritických změn ve složení plynné fáze, integrační koncept pro různé stupně škály (laboratorní až produkční) a komponenty systému (bioreaktory, regulátory, vícekanálové vzorkovače). Dále text porovnává typy analyzátorů a ukazuje schémata typické konfigurace pro lab. i průmyslové nasazení.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika

Metoda vychází z kontinuální nebo periodické analýzy odpadního plynu (off‑gas) z bioreaktorů za účelem sledování O2, CO2 a dalších plynů (N2, Ar) pro výpočet respiračního kvocientu, spotřeby O2 a evoluce CO2. K měření stopových a flexibilně definovaných plynů se využívají hmotnostní spektrometry díky jejich rychlosti a schopnosti analyzovat více komponent současně. Pro paralelní sledování více bioreaktorů se uplatňuje rychlé přepínání proudů pomocí multistream sampleru.

Použitá instrumentace

• Hmotnostní spektrometry Thermo Scientific Prima (rodina Prima): magnetické sektorové analyzátory a kvadrupólové systémy — sektorové analyzátory poskytují rychlou a stabilní analýzu neomezeného počtu uživatelsky definovaných plynů.
• Rapid Multistream Sampler (RMS): unikátní zařízení pro rychlý výběr vzorku až z 64 proudů, dovolující monitorování více bioreaktorů jedním spektrometrem.
• Bioreaktory Thermo Scientific HyPerforma: HyPerforma Glass Bioreactor pro výzkum a vývoj; HyPerforma Single‑Use Bioreactor (30 L a 300 L) pro procesní vývoj a menší produkci — navrženy pro optimalizovaný přenos kyslíku, míchání a kontrolu teploty.
• Regulátory a software: HyPerforma G3Lab Controller, G3 Lite a G3 Pro s TruBio softwarem pro řízení, sběr dat a usnadněné škálování procesu.

Hlavní výsledky a diskuse

Klíčové závěry a poznatky z předloženého řešení jsou následující:

• Hmotnostní spektrometrie je vhodná pro detekci i malých změn O2 a CO2 v kritických fázích kultivace díky vysoké rychlosti a přesnosti měření.
• Magnetické sektorové analyzátory nabízejí stabilní provoz a možnost sledovat velké množství definovaných plynů bez časového omezení, což je výhodné pro komplexní off‑gas analýzu.
• RMS umožňuje centralizované monitorování až 64 proudů, což výrazně snižuje náklady a prostorové nároky při souběžném provozu více bioreaktorů.
• Řešení je škálovatelné: v laboratorním měřítku se kombinuje Prima BT se skleněným HyPerforma reaktorem a G3 Lab řadičem; pro vyšší škálu se používá Prima PRO s HyPerforma single‑use reaktorem a G3 Lite řadičem.
• Kromě O2 a CO2 mohou být monitorovány další složky (vodní pára, H2, CH4, methanol, ethanol, NH3, H2S apod.), což umožňuje širší metabolický profil a včasné odhalení problémů.

Diskuse se zaměřuje na význam rychlosti analýzy a stability signálu při detekci malých změn, praktickou integraci multistream sampleru pro vysokou průchodnost vzorků a na výhody single‑use reaktorů při zjednodušení manipulace a sterilizace.

Přínosy a praktické využití metody

• Neinvazivní online monitorování fyziologie kultury zlepšuje kontrolu procesů a snižuje riziko ztráty produktivity kvůli opožděné reakci na stav kultury.
• Centralizované řešení s hmotnostním spektrometrem a multistream samplerem umožňuje efektivní využití přístrojů při paralelním testování mnoha reaktorů v R&D i PD prostředí.
• Flexibilita v detekovaných složkách rozšiřuje diagnostické možnosti — od základního řízení dýchání buněk po detekci volatilních metabolitů a nežádoucích plynů.
• Kompatibilita komponent se softwarem TruBio usnadňuje škálování a implementaci kontrolních strategií při přechodu z laboratorního na výrobní měřítko.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace pokročilé datové analýzy a strojového učení pro prediktivní řízení procesů a automatické detekování odchylek v off‑gas signálech.
• Rozšíření spektra detekovatelných sloučenin a zlepšení citlivosti pro stopové analyty, což umožní detailnější metabolické profilování.
• Větší adopce single‑use technologií v kombinaci s centralizovanými analytickými moduly pro flexibilní výrobu a rychlejší validaci procesů.
• Vývoj kompaktnějších a energeticky úspornějších spektrometrů vhodných pro distribuované nebo poloprovozní aplikace.

Závěr

Prezentované řešení kombinuje rychlou a citlivou hmotnostní spektrometrii s modulárními bioreaktory a multistream samplerem, čímž poskytuje robustní platformu pro online monitorování plynů v kulturách savčích buněk. Výsledkem je zlepšené řízení procesu, efektivnější využití zdrojů při paralelním provozu a širší diagnostické možnosti díky schopnosti analyzovat více plynů najednou. Tato kombinace je vhodná pro R&D, procesní vývoj i menší výrobní nasazení v biotechnologickém a farmaceutickém průmyslu.

Reference

• Thermo Fisher Scientific. A complete gas analysis solution in mammalian cell culture processes. Application note, 2023.