来自瑞士Securecell公司的科学家们(Alexandra Hofer、Paul Kroll 和Christoph Herwig),近期发表了题为“Glucose monitoring and control using Numera®, Lucullus® PIMS and Cedex® Bio HT Analyzer”的文章(原文阅读请至文末扫码,即可阅读全文),文中以模拟CHO培养过程为例,介绍了自动取样和样品处理系统Numera和工艺过程信息管理系统Lucullus(Lucullus PIMS),并通过联合Cedex Bio HT生化分析仪,以葡萄糖为监测参数,展示了如何使用在线取样和实时数据传输技术,实现实时工艺监测和反馈控制的目的。
简介
1.研究目的
阐述Numera和Lucullus PIMS,连接Cedex Bio HT,可以实现实时工艺监测和反馈控制的功能。
2.材料和方法
Numera系统拥有以下6个模块,多路复用模块、控制模块、稀释模块、过滤模块、路由模块以及样品收集模块。样品收集模块用于收集处理后的样品并储存在4℃环境下,路由模块有两个作用:1)允许单个的样品处理程序(比如稀释和过滤的任意组合);2)样品通过它,更容易从样品收集模块传输到Cedex Bio HT或者其他分析仪器。取样操作的命令下达是通过Lucullus PIMS和Bio HT之间的软件接口实现的。整个操作过程包括:取样,处理,储存,最后通过路由模块将样品传输至Bio HT的固定位置。
Figure 2: 实验室基础设施有两个部分: i)实验室硬件和ii)控制系统的软件。应用硬件包括一个生物反应器系统(包括泵、天平等),Numera配备了多路复用器、稀释、过滤和路由模块、自动样品收集模块以及CedexBio HT。黑线表示自动取样和分析的路径。在软件上,只需要Lucullus,它连接所有可用设备之间的通信以及并实现控制操作。
2.3 CHO培养参数
3.培养阶段
为了模拟细胞培养工艺,先向反应器中打入一定浓度的葡萄糖溶液,之后不断流加乳酸溶液,用来模拟葡萄糖消耗的过程。9.5小时后,再开始补加葡萄糖溶液,期间有很短的时间不做任何检测,然后再开启在线分析程序。
Lucullus PIMS中有一个PID控制器可以将葡萄糖浓度控制在10 mM,这种控制是基于所有设备之间的信号传输实现的。Numera完成取样操作,然后将样品输送到CedexBio HT进行分析,分析数据传输至Lucullus PIMS, 基于数据的分析,Lucullus PIMS控制泵速不断的添加葡萄糖,达到控制浓度的目的。
4.实验结果
在这个培养过程中,Bio HT检测葡萄糖、乳酸、氨基酸以及lgG,如果分析物超过了测试范围,则使用Bio HT进行自动稀释,这对批次阶段开始时的葡萄糖和批次阶段后期的乳酸都很重要。如果分析物的浓度低于测试范围,则没有数据传输到Lucullus PIMS。在批处理过程中,每2h取样分析一次,监测上述分析物的变化趋势。另外,每8h进行一次手动取样作为参考。两项测量结果一致,可以证明Numera自动化系统的可靠性(Figure 3 A)。为证明具备实时监测的功能,在一个批次中,采样频率增加到30分钟(Figure 3 B)。PS:对于Bio HT的应用软件版本,30分钟是最小的采样间隔。概括来说:取样的过程包括样品过滤,用时8分钟,转移样品大约需要4分钟,Bio HT的分析时间为19分钟。
实验表明,当Lucullus PIMS没有收到分析结果时,泵的设定值保持不变。当Lucullus PIMS收到一个分析结果后, 其中的PID控制器完全可以做到以下两点,1、调节浓度到设定值;2、偏差约为3%(Figure 4)。
5.结论
参考文献
[1] Guideline IHT (2011). “Development and manufacture of drug substances (chemical entities and biotechnological/biological entities) Q11”, London: European medicines agency
[2] Kroll, P. et al (2017), “Model-Based Methods in the Biopharmaceutical Process Lifecycle”, Pharmaceutical Research, 34 (12), 2596–2613
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