Maverick：即插即用、幾分鐘即可實現(xiàn)在線監(jiān)測的多參數(shù)PAT工具

通過拉曼光譜原理和內(nèi)置的3種模型，可同時實時測量經(jīng)驗證的全系列CHO和HEK293細(xì)胞培養(yǎng)中的3個關(guān)鍵過程參數(shù)：葡萄糖、乳酸、總細(xì)胞密度（TCD）；且可以同時連接6臺反應(yīng)器，并在內(nèi)置屏幕或手機(jī)app上顯示實時數(shù)據(jù)，幫助擺脫高入門成本經(jīng)典拉曼方法。與經(jīng)典拉曼PAT儀器相比，獨立探頭與光譜儀的組合，可以實現(xiàn)同時平行罐掃描；OPC-UA反饋控制，且符合3Q及21 CFR part11，幫助快速實現(xiàn)從工藝開發(fā)、工藝控制到中試放大生產(chǎn)的自動化需求。

BIOPROCESSING 4.0：利用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)、自動化和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法來改變生物制藥的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式。為了使用PAT方法實現(xiàn)創(chuàng)新的BIOPROCESSING 4.0 工藝研發(fā)過程，Culture Biosciences和908 Devices合作測試MAVERICK和 Culture Biosciences的云連接250mL生物反應(yīng)器。MAVERICK提供實時、在線的生物過程分析和控制，開箱即用，沒有傳統(tǒng)拉曼方法的成本、復(fù)雜性和風(fēng)險。

（左圖）Culture Biosciences Cloud生物反應(yīng)器實驗室視圖，配有兩個生物反應(yīng)器（288和289）和908 Devices MAVERICK 。（右圖）插入250mL反應(yīng)器中的在線探針的放大視圖。

細(xì)胞培養(yǎng)方案：在四個250mL生物反應(yīng)器中培養(yǎng)中華倉鼠卵巢（CHO）哺乳動物細(xì)胞。兩個生物反應(yīng)器安裝了MAVERICK（908 Devices）用作實驗對照。MAVERICK在整個培養(yǎng)過程中連續(xù)實時測量葡萄糖、乳酸和生物量。在Culture Biosciences的云連接專有控制器和監(jiān)測技術(shù)的控制下，全自動向生物反應(yīng)器補(bǔ)充補(bǔ)料培養(yǎng)基、葡萄糖和其他營養(yǎng)成分。補(bǔ)料步驟可以手動或自動激活，具體取決于應(yīng)用程序和客戶流程的需要。在測試的方案中，使用來自每日離線測量的結(jié)果反饋補(bǔ)料控制，以調(diào)節(jié)生物反應(yīng)器中的葡萄糖水平。每隔24小時對生物反應(yīng)器進(jìn)行無菌取樣，并分析葡萄糖、乳酸、其他代謝物（Flex2）和細(xì)胞密度（Vi-cell BLU）。實驗完成后（14天），使用Culture的控制臺分析離線和在線設(shè)備的數(shù)據(jù)和應(yīng)用編程接口（API），以評估Culture的250mL生物反應(yīng)器系統(tǒng)中的探針性能。

葡萄糖：結(jié)果顯示Flex2的離線數(shù)據(jù)與MAVERICK的在線PAT值之間的一致性(RMSE = 0.32 g/L)。下圖表明，MAVERICK 作為在線PAT工具準(zhǔn)確地反映了生物反應(yīng)器內(nèi)的細(xì)胞培養(yǎng)條件。在線PAT測量可以實時跟蹤生物反應(yīng)器中補(bǔ)料和補(bǔ)糖（藍(lán)線）的影響。這些動態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)條件的變化在離線的每日樣品測量中沒有被捕捉到（橙色線）。

MAVERICK在線測量Culture Biosciences生物反應(yīng)器中的葡萄糖（藍(lán)色）和Flex2的每日離線測量葡萄糖（橙色）。

Culture Biosciences的生物反應(yīng)器通過云連接的傳感器和控制器以及數(shù)據(jù)聚合后端實現(xiàn)了準(zhǔn)確的體積監(jiān)測。該數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測使得能夠在整個時間過程實驗中準(zhǔn)確跟蹤生物反應(yīng)器中的所有補(bǔ)糖/補(bǔ)料事件。根據(jù)生成的進(jìn)料體積數(shù)據(jù)集，解釋了在線MAVERICK 測量中葡萄糖濃度的增加。

MAVERICK測量的葡萄糖峰值與Culture Biosciences的云生物反應(yīng)器捕獲和處理的進(jìn)料泵數(shù)據(jù)一致。

乳酸：與觀察到的葡萄糖濃度類似，使用MAVERICK，與離線分析相比同樣能精確測量乳酸水平（RMSE=0.29 g/L）。

通過PAT工具在線測量乳酸（藍(lán)色）和通過每日離線樣本測量乳酸（橙色）。

生物量：將這些值與離線的Vi-CELL BLU總細(xì)胞密度進(jìn)行比較，基于拉曼的技術(shù)通常需要用于轉(zhuǎn)換為物理單位的校準(zhǔn)曲線。下圖顯示了左側(cè)y軸上MAVERICK（以生物量單位，BMU為單位）的原始信號測量值，右側(cè)y軸上Vi-CELL BLU測量的總細(xì)胞密度（以百萬細(xì)胞/mL為單位）。該圖顯示，兩條曲線一致，表明MAVERICK能夠有效捕捉底層物理信號。兩種測量結(jié)果的差異發(fā)生在250小時后，這可歸因于哺乳動物細(xì)胞培養(yǎng)實驗后期活率的降低。細(xì)胞活率的降低會導(dǎo)致細(xì)胞碎片增加，這可能是在線PAT測量受到混淆的原因，而Vi-cell BLU的視覺測量可以調(diào)整排除測量裂解的細(xì)胞。因而兩者結(jié)果有所差異。

MAVERICK在線測量的生物量（任意單位）（藍(lán)色，左y軸）與每日離線測量的總細(xì)胞密度（百萬細(xì)胞/mL）（橙色，右y軸）的比較。

結(jié)論：這些實驗表明了利用Culture Bioscience的生物反應(yīng)器與MAVERICK, 一種新型的拉曼光譜驅(qū)動的在線PAT工具可以實現(xiàn)多個關(guān)鍵分析物的實時監(jiān)測。

生物反應(yīng)器加上PAT工具可以通過實時在線的連續(xù)數(shù)據(jù)來加速對工藝過程的理解，連續(xù)的數(shù)據(jù)流也有助于精確監(jiān)測和控制細(xì)胞培養(yǎng)過程，實現(xiàn)BIOPROCESSING 4.0。